法蘭連接，爲什(shén)麽不用(yòng)304螺栓

    在法蘭接頭密封中當碳鋼或不鏽鋼法蘭配用(yòng)304材料螺栓時，在運行狀态時常會發生洩漏問題。本講将對此作一定性的(de)剖析。

    (1) 304、304L、316 和(hé) 316L 材料有什(shén)麽基本區别？

    304、304L、316 和(hé) 316L 是法蘭接頭（包括法蘭、密封元件和(hé)緊固件）中通(tōng)常選用(yòng)的(de)不鏽鋼種材料。

   304、304L、316 和(hé) 316L 是美(měi)國材料标準(ANSI 或 ASTM)的(de)不鏽鋼種代号，隸屬于奧氏體不鏽鋼的(de) 300 系列一類鋼。與國内材料标準(GB/T)對應的(de)牌号是 06Cr19Ni10（304）、022Cr19Ni10（304L）、06Cr17Ni12Mo2 （316）、022Cr17Ni12Mo2（316L）。通(tōng)常把這類不鏽鋼統稱爲 18—8不鏽鋼。

    參見表 1，304、304L、316 和(hé) 316L 由于加入合金元素和(hé)加入量的(de)不同，其理(lǐ)化(huà)和(hé)機械性能也(yě)是不同的(de)， 與普通(tōng)不鏽鋼相比，它們具有良好的(de)耐蝕性、耐熱性和(hé)加工性能。304L 的(de)耐蝕性與 304 相似，但因 304L 的(de)含碳量比304低，故其抗晶間腐蝕能力更強。316、316L 是含钼不鏽鋼，因添加钼元素，故其耐蝕性和(hé) 耐熱性比304、304L 更優異。同理(lǐ)，因316L 的(de)含碳量比316 低，故其抗晶腐蝕能力更優良。304、304L、316 和(hé) 316L 一類奧氏體不鏽鋼的(de)力學強度低，304的(de)室溫屈服強度爲205MPa，304L 爲 170MPa；316 的(de)室溫屈服強度爲210MPa，316L 爲 200MPa。因此，用(yòng)它們制作的(de)螺栓屬于低強度級别的(de)螺栓。

表 1 含碳量，% 室溫屈服強度，MPa 推薦最高(gāo)使用(yòng)溫度，℃ 

304    ≤0.08        205             816 

304L   ≤0.03        170             538 

316    ≤0.08        210             816

316L   ≤0.03        200             538 



    (2) 爲什(shén)麽法蘭接頭不應采用(yòng) 304 和(hé) 316 等一類材料的(de)螺栓? 

    如前面幾講所述，法蘭接頭一是因内壓力作用(yòng)使兩法蘭密封面分(fēn)離，引起墊片應力相應減少，二是因 高(gāo)溫下(xià)墊片蠕變松弛或螺栓本身蠕變引起螺栓力松弛，同樣使墊片應力下(xià)降，以至法蘭接頭發生洩漏失效。

    實際運行中，螺栓力松弛是不可(kě)避免的(de)，初始擰緊的(de)螺栓力總會随時間而有所跌落。特别是處于高(gāo)溫 和(hé)劇烈循環工況的(de)法蘭接頭，經過10000 小時運行後，螺栓載荷損失常會超過50%，并随時間的(de)延續和(hé)溫度 的(de)提高(gāo)而衰減下(xià)去。

    當法蘭和(hé)螺栓爲不同一材料，尤其當法蘭爲碳鋼，螺栓爲不鏽鋼時，因螺栓和(hé)法蘭材料的(de)熱膨脹系數2 不同，如 50℃下(xià)不鏽鋼的(de)熱膨脹系數（16.51×10-5／℃)比碳鋼熱膨脹系數（11.12×10-5／℃)大(dà)，裝置升溫後，當法蘭的(de)膨脹量小于螺栓的(de)膨脹量時，在變形協調後，螺栓伸長量減小引起螺栓力的(de)松弛，就可(kě)能 導緻法蘭接頭發生洩漏。因此，高(gāo)溫的(de)設備法蘭和(hé)管法蘭接頭時，特别是法蘭和(hé)螺栓材料的(de)熱膨脹系數不同，盡可(kě)能使兩者材料的(de)熱膨脹系數相近。
    由(1)可(kě)見，304 和(hé) 316 一類奧氏體不鏽鋼的(de)力學強度低，304 的(de)室溫屈服強度僅爲205MPa，316 也(yě)隻有210MPa。因此，爲了(le)提高(gāo)螺栓抗松弛和(hé)抗疲勞的(de)能力，采取提高(gāo)安裝螺栓力的(de)措施，如在後續的(de)講壇中 将會講到采用(yòng)最大(dà)安裝螺栓力時，要求安裝螺栓應力達到 70%的(de)螺栓材料屈服強度，這樣就必須提高(gāo)螺栓 材料的(de)強度等級，采用(yòng)高(gāo)強度或中強度合金鋼螺栓材料。顯易而見，除鑄鐵、非金屬法蘭或橡膠墊片外，對于壓力等級較高(gāo)法蘭或墊片應力較大(dà)的(de)半金屬和(hé)金屬墊片，304、316 這類低強度材料螺栓，因螺栓力不夠而達不到密封要求。

    這裏需要特别關注的(de)是在美(měi)國不鏽鋼螺栓材料标準中304和(hé)316分(fēn)别有兩個類别，即304的(de)B8 Cl.1和(hé)B8 Cl.2 以及 316 的(de) B8M Cl.1 和(hé) B8M Cl.2。Cl.1 是經過碳化(huà)物(wù)固溶處理(lǐ)，而 Cl.2 除固溶處理(lǐ)外，還經過 應變強化(huà)處理(lǐ)。雖然 B8 Cl.2 和(hé) B8 Cl.1 在耐化(huà)學腐蝕性上沒有根本區别，但相對 B8 Cl.1，B8 Cl.2 的(de) 力學強度獲得(de)相當提高(gāo)，如直徑爲3/4”的(de)B8 Cl.2 螺栓材料的(de)屈服強度爲550MPa，而所有直徑的(de) B8 Cl.1 螺栓材料的(de)屈服強度僅爲205MPa，兩者相差兩倍以上。國内螺栓材料标準中的(de)06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)，與B8 Cl.1 和(hé) B8M Cl.1 相當。[注：GB/T 150.3《壓力容器 第三部分(fēn) 設計》中的(de)螺栓材料 S30408 與 B8 Cl.2 相當；S31608 與 B8M Cl.1 相當。

    鑒于以上原因，GB/T 150.3 和(hé) GB／T38343《法蘭接頭安裝技術規定》中，規定承壓設備法蘭和(hé)管法蘭接頭不推薦使用(yòng)通(tōng)常的(de) 304（B8 Cl.1）和(hé) 316（B8M Cl.1）材料的(de)螺栓，尤其在高(gāo)溫和(hé)劇烈循環工況，應更替爲 B8 Cl.2(S30408) 和(hé) B8M Cl.2，以避免低下(xià)的(de)安裝螺栓力。

    值得(de)注意的(de)是當采用(yòng) 304、316 這類低強度螺栓材料，甚至在安裝階段，由于沒有對扭矩進行控制，螺栓可(kě)能已超過材料屈服強度，甚至發生斷裂。自然，若耐壓試驗或開始運行就出現了(le)洩漏，即使繼續擰緊螺栓，螺栓力也(yě)上不去，不能阻止洩漏。此外，這些螺栓拆卸後不能重複使用(yòng)，因螺栓已經産生了(le)永久變形，螺栓截面尺寸變小，再安裝就容易發生擰斷。