Uitgegeven op 14 november 2022
Flensvoegafdichting - Waarom wordt 304-materiaal niet aanbevolen voor bouten?
Wanneer koolstofstalen of roestvrijstalen flenzen worden gebruikt met bouten van 304 materiaal in de afdichting van flensverbindingen, treden er vaak lekproblemen op tijdens het gebruik. In deze lezing wordt hier een kwalitatieve analyse van gemaakt.
(1) Wat zijn de fundamentele verschillen tussen 304, 304L, 316 en 316L materialen?
304, 304L, 316 en 316L zijn de roestvaststaalsoorten die vaak worden gebruikt in flensverbindingen, waaronder flenzen, afdichtingselementen en bevestigingsmiddelen.
304, 304L, 316 en 316L zijn de aanduidingen van roestvrij staal van de American Standard for Materials (ANSI of ASTM), die behoren tot de 300-serie austenitisch roestvrij staal. De kwaliteiten die overeenkomen met de binnenlandse materiaalnormen (GB/T) zijn 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Dit type roestvrij staal wordt meestal gezamenlijk aangeduid als 18-8 roestvrij staal.
Zie tabel 1, 304, 304L, 316 en 316L hebben verschillende fysische, chemische en mechanische eigenschappen door de toevoeging van legeringselementen en hoeveelheden. Vergeleken met gewoon roestvrij staal hebben ze een goede corrosieweerstand, hittebestendigheid en verwerkingsprestaties. De corrosiebestendigheid van 304L is vergelijkbaar met die van 304L, maar omdat het koolstofgehalte van 304L lager is dan dat van 304, is de weerstand tegen interkristallijne corrosie sterker. 316 en 316L zijn molybdeenhoudende roestvast staal. Door de toevoeging van molybdeen zijn hun corrosiebestendigheid en hittebestendigheid beter dan die van 304 en 304L. Op dezelfde manier, omdat het koolstofgehalte van 316L lager is dan dat van 316, is het vermogen om kristalcorrosie te weerstaan beter. Austenitisch roestvast staal zoals 304, 304L, 316 en 316L hebben een lage mechanische sterkte. De vloeigrens bij kamertemperatuur van 304 is 205 MPa, 304L is 170 MPa; de vloeigrens bij kamertemperatuur van 316 is 210 MPa en 316L is 200 MPa. Daarom behoren de bouten die ervan zijn gemaakt tot de bouten met een lage sterkte.
Tabel 1 Koolstofgehalte, % Vloeigrens bij kamertemperatuur, MPa Aanbevolen maximale gebruikstemperatuur, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0,03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0,03 200 538
(2) Waarom mogen flensverbindingen geen bouten van materialen zoals 304 en 316 gebruiken?
Zoals vermeld in de vorige lezingen, scheidt de flensverbinding ten eerste de afdichtingsvlakken van de twee flenzen als gevolg van de werking van interne druk, wat resulteert in een overeenkomstige afname van de spanning van de pakking, en ten tweede de ontspanning van de boutkracht als gevolg van de kruipontspanning van de pakking of het kruipen van de bout zelf bij hoge temperatuur, Vermindert ook de spanning van de pakking, zodat de flensverbinding lekt en faalt.
In daadwerkelijk bedrijf is ontspanning van de boutkracht onvermijdelijk en zal de aanvankelijke aanhaalkracht van de bout na verloop van tijd altijd afnemen. Vooral voor flensverbindingen onder hoge temperatuur en zware cyclusomstandigheden zal het verlies van de boutbelasting na 10.000 bedrijfsuren vaak meer dan 50% bedragen, en het zal verzwakken met de voortzetting van de tijd en de stijging van de temperatuur.
Wanneer de flens en de bout van verschillende materialen zijn gemaakt, vooral wanneer de flens is gemaakt van koolstofstaal en de bout is gemaakt van roestvrij staal, is de thermische uitzettingscoëfficiënt 2 van het materiaal van de bout en de flens anders, zoals de thermische uitzettingscoëfficiënt van roestvrij staal bij 50 °C (16.51×10-5/ °C) is groter dan de thermische uitzettingscoëfficiënt van koolstofstaal (11.12×10-5/°C). Nadat het apparaat is opgewarmd, wanneer de uitzetting van de flens kleiner is dan de uitzetting van de bout, nadat de vervorming is gecoördineerd, neemt de rek van de bout af, waardoor de kracht van de bout afneemt. Als er enige losheid is, kan dit lekkage in de flensverbinding veroorzaken. Daarom, wanneer de flens van de hogetemperatuurapparatuur en de pijpflens zijn verbonden, met name de thermische uitzettingscoëfficiënten van de flens- en boutmaterialen verschillend zijn, moeten de thermische uitzettingscoëfficiënten van de twee materialen zo dicht mogelijk bij elkaar liggen.
Uit (1) kan worden opgemaakt dat de mechanische sterkte van austenitisch roestvrij staal zoals 304 en 316 laag is, en dat de vloeigrens bij kamertemperatuur van 304 slechts 205 MPa is en die van 316 slechts 210 MPa. Om het anti-ontspannings- en anti-vermoeidheidsvermogen van bouten te verbeteren, worden daarom maatregelen genomen om de boutkracht van de installatiebouten te vergroten. Wanneer bijvoorbeeld de maximale kracht van de installatiebout wordt gebruikt in het vervolgforum, is het vereist dat de spanning van de installatiebouten 70% van de vloeigrens van het boutmateriaal bereikt, zodat de sterktegraad van het boutmateriaal moet worden verbeterd en boutmaterialen met hoge of middelsterke legering van staal worden gebruikt. Het is duidelijk dat, met uitzondering van gietijzeren, niet-metalen flenzen of rubberen pakkingen, voor semi-metalen en metalen pakkingen met flenzen van hogere drukkwaliteit of pakkingen met een grotere spanning, bouten gemaakt van materialen met een lage sterkte, zoals 304 en 316, vanwege de boutkracht niet voldoende om aan de afdichtingsvereisten te voldoen.
Wat hier speciale aandacht behoeft, is dat in de Amerikaanse norm voor roestvrijstalen boutmateriaal 304 en 316 twee categorieën hebben, namelijk B8 Cl.1 en B8 Cl.2 van 304 en B8M Cl.1 en B8M Cl.2 van 316. Cl.1 is een vaste oplossing die is behandeld met carbiden, terwijl Cl.2 naast de behandeling met vaste oplossing ook een rekversterkende behandeling ondergaat. Hoewel er geen fundamenteel verschil is in chemische bestendigheid tussen B8 Cl.2 en B8 Cl.1, is de mechanische sterkte van B8 Cl.2 aanzienlijk verbeterd ten opzichte van B8 Cl.1, zoals B8 Cl.2 met een diameter van 3/4" De vloeigrens van het boutmateriaal is 550 MPa, terwijl de vloeigrens van het B8 Cl.1 boutmateriaal van alle diameters slechts 205 MPa is, Het verschil tussen de twee is meer dan twee keer. De normen voor huishoudelijk boutmateriaal 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) en B8 Cl.1 komen overeen met B8M Cl.1. [Opmerking: het boutmateriaal S30408 in GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" komt overeen met B8 Cl.2; S31608 komt overeen met B8M Cl.1.
Gezien de bovenstaande redenen bepalen GB/T 150.3 en GB/T38343 "Technische voorschriften voor installatie van flensverbindingen" dat de flenzen van drukapparatuur en pijpflensverbindingen niet worden aanbevolen om de gebruikelijke 304 (B8 Cl.1) en 316 (B8M Cl. . 1) Bouten van materialen, vooral bij hoge temperaturen en zware cyclusomstandigheden, moeten worden vervangen door B8 Cl.2 (S30408) en B8M Cl.2 om een lage installatieboutkracht te voorkomen.
Het is vermeldenswaard dat wanneer boutmaterialen met een lage sterkte zoals 304 en 316 worden gebruikt, zelfs tijdens de installatiefase, omdat het koppel niet wordt gecontroleerd, de bout de vloeigrens van het materiaal kan hebben overschreden of zelfs is gebroken. Als er lekkage optreedt tijdens de druktest of het begin van de werking, zelfs als de bouten blijven worden aangedraaid, zal de boutkracht natuurlijk niet toenemen en kan de lekkage niet worden gestopt. Bovendien kunnen deze bouten niet opnieuw worden gebruikt nadat ze zijn gedemonteerd, omdat de bouten permanente vervorming hebben ondergaan en de doorsnede van de bouten kleiner is geworden en ze na herinstallatie vatbaar zijn voor breuk.
(1) Wat zijn de fundamentele verschillen tussen 304, 304L, 316 en 316L materialen?
304, 304L, 316 en 316L zijn de roestvaststaalsoorten die vaak worden gebruikt in flensverbindingen, waaronder flenzen, afdichtingselementen en bevestigingsmiddelen.
304, 304L, 316 en 316L zijn de aanduidingen van roestvrij staal van de American Standard for Materials (ANSI of ASTM), die behoren tot de 300-serie austenitisch roestvrij staal. De kwaliteiten die overeenkomen met de binnenlandse materiaalnormen (GB/T) zijn 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Dit type roestvrij staal wordt meestal gezamenlijk aangeduid als 18-8 roestvrij staal.
Zie tabel 1, 304, 304L, 316 en 316L hebben verschillende fysische, chemische en mechanische eigenschappen door de toevoeging van legeringselementen en hoeveelheden. Vergeleken met gewoon roestvrij staal hebben ze een goede corrosieweerstand, hittebestendigheid en verwerkingsprestaties. De corrosiebestendigheid van 304L is vergelijkbaar met die van 304L, maar omdat het koolstofgehalte van 304L lager is dan dat van 304, is de weerstand tegen interkristallijne corrosie sterker. 316 en 316L zijn molybdeenhoudende roestvast staal. Door de toevoeging van molybdeen zijn hun corrosiebestendigheid en hittebestendigheid beter dan die van 304 en 304L. Op dezelfde manier, omdat het koolstofgehalte van 316L lager is dan dat van 316, is het vermogen om kristalcorrosie te weerstaan beter. Austenitisch roestvast staal zoals 304, 304L, 316 en 316L hebben een lage mechanische sterkte. De vloeigrens bij kamertemperatuur van 304 is 205 MPa, 304L is 170 MPa; de vloeigrens bij kamertemperatuur van 316 is 210 MPa en 316L is 200 MPa. Daarom behoren de bouten die ervan zijn gemaakt tot de bouten met een lage sterkte.
Tabel 1 Koolstofgehalte, % Vloeigrens bij kamertemperatuur, MPa Aanbevolen maximale gebruikstemperatuur, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0,03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0,03 200 538
(2) Waarom mogen flensverbindingen geen bouten van materialen zoals 304 en 316 gebruiken?
Zoals vermeld in de vorige lezingen, scheidt de flensverbinding ten eerste de afdichtingsvlakken van de twee flenzen als gevolg van de werking van interne druk, wat resulteert in een overeenkomstige afname van de spanning van de pakking, en ten tweede de ontspanning van de boutkracht als gevolg van de kruipontspanning van de pakking of het kruipen van de bout zelf bij hoge temperatuur, Vermindert ook de spanning van de pakking, zodat de flensverbinding lekt en faalt.
In daadwerkelijk bedrijf is ontspanning van de boutkracht onvermijdelijk en zal de aanvankelijke aanhaalkracht van de bout na verloop van tijd altijd afnemen. Vooral voor flensverbindingen onder hoge temperatuur en zware cyclusomstandigheden zal het verlies van de boutbelasting na 10.000 bedrijfsuren vaak meer dan 50% bedragen, en het zal verzwakken met de voortzetting van de tijd en de stijging van de temperatuur.
Wanneer de flens en de bout van verschillende materialen zijn gemaakt, vooral wanneer de flens is gemaakt van koolstofstaal en de bout is gemaakt van roestvrij staal, is de thermische uitzettingscoëfficiënt 2 van het materiaal van de bout en de flens anders, zoals de thermische uitzettingscoëfficiënt van roestvrij staal bij 50 °C (16.51×10-5/ °C) is groter dan de thermische uitzettingscoëfficiënt van koolstofstaal (11.12×10-5/°C). Nadat het apparaat is opgewarmd, wanneer de uitzetting van de flens kleiner is dan de uitzetting van de bout, nadat de vervorming is gecoördineerd, neemt de rek van de bout af, waardoor de kracht van de bout afneemt. Als er enige losheid is, kan dit lekkage in de flensverbinding veroorzaken. Daarom, wanneer de flens van de hogetemperatuurapparatuur en de pijpflens zijn verbonden, met name de thermische uitzettingscoëfficiënten van de flens- en boutmaterialen verschillend zijn, moeten de thermische uitzettingscoëfficiënten van de twee materialen zo dicht mogelijk bij elkaar liggen.
Uit (1) kan worden opgemaakt dat de mechanische sterkte van austenitisch roestvrij staal zoals 304 en 316 laag is, en dat de vloeigrens bij kamertemperatuur van 304 slechts 205 MPa is en die van 316 slechts 210 MPa. Om het anti-ontspannings- en anti-vermoeidheidsvermogen van bouten te verbeteren, worden daarom maatregelen genomen om de boutkracht van de installatiebouten te vergroten. Wanneer bijvoorbeeld de maximale kracht van de installatiebout wordt gebruikt in het vervolgforum, is het vereist dat de spanning van de installatiebouten 70% van de vloeigrens van het boutmateriaal bereikt, zodat de sterktegraad van het boutmateriaal moet worden verbeterd en boutmaterialen met hoge of middelsterke legering van staal worden gebruikt. Het is duidelijk dat, met uitzondering van gietijzeren, niet-metalen flenzen of rubberen pakkingen, voor semi-metalen en metalen pakkingen met flenzen van hogere drukkwaliteit of pakkingen met een grotere spanning, bouten gemaakt van materialen met een lage sterkte, zoals 304 en 316, vanwege de boutkracht niet voldoende om aan de afdichtingsvereisten te voldoen.
Wat hier speciale aandacht behoeft, is dat in de Amerikaanse norm voor roestvrijstalen boutmateriaal 304 en 316 twee categorieën hebben, namelijk B8 Cl.1 en B8 Cl.2 van 304 en B8M Cl.1 en B8M Cl.2 van 316. Cl.1 is een vaste oplossing die is behandeld met carbiden, terwijl Cl.2 naast de behandeling met vaste oplossing ook een rekversterkende behandeling ondergaat. Hoewel er geen fundamenteel verschil is in chemische bestendigheid tussen B8 Cl.2 en B8 Cl.1, is de mechanische sterkte van B8 Cl.2 aanzienlijk verbeterd ten opzichte van B8 Cl.1, zoals B8 Cl.2 met een diameter van 3/4" De vloeigrens van het boutmateriaal is 550 MPa, terwijl de vloeigrens van het B8 Cl.1 boutmateriaal van alle diameters slechts 205 MPa is, Het verschil tussen de twee is meer dan twee keer. De normen voor huishoudelijk boutmateriaal 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) en B8 Cl.1 komen overeen met B8M Cl.1. [Opmerking: het boutmateriaal S30408 in GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" komt overeen met B8 Cl.2; S31608 komt overeen met B8M Cl.1.
Gezien de bovenstaande redenen bepalen GB/T 150.3 en GB/T38343 "Technische voorschriften voor installatie van flensverbindingen" dat de flenzen van drukapparatuur en pijpflensverbindingen niet worden aanbevolen om de gebruikelijke 304 (B8 Cl.1) en 316 (B8M Cl. . 1) Bouten van materialen, vooral bij hoge temperaturen en zware cyclusomstandigheden, moeten worden vervangen door B8 Cl.2 (S30408) en B8M Cl.2 om een lage installatieboutkracht te voorkomen.
Het is vermeldenswaard dat wanneer boutmaterialen met een lage sterkte zoals 304 en 316 worden gebruikt, zelfs tijdens de installatiefase, omdat het koppel niet wordt gecontroleerd, de bout de vloeigrens van het materiaal kan hebben overschreden of zelfs is gebroken. Als er lekkage optreedt tijdens de druktest of het begin van de werking, zelfs als de bouten blijven worden aangedraaid, zal de boutkracht natuurlijk niet toenemen en kan de lekkage niet worden gestopt. Bovendien kunnen deze bouten niet opnieuw worden gebruikt nadat ze zijn gedemonteerd, omdat de bouten permanente vervorming hebben ondergaan en de doorsnede van de bouten kleiner is geworden en ze na herinstallatie vatbaar zijn voor breuk.