14 Tháng Mười Một 2022
Niêm phong khớp nối mặt bích - Tại sao vật liệu 304 không được khuyến khích cho bu lông?
Khi mặt bích thép cacbon hoặc thép không gỉ được sử dụng với bu lông vật liệu 304 trong niêm phong khớp nối mặt bích, các vấn đề rò rỉ thường xảy ra trong quá trình vận hành. Bài giảng này sẽ đưa ra một phân tích định tính về điều này.
(1) Sự khác biệt cơ bản giữa vật liệu 304, 304L, 316 và 316L là gì?
304, 304L, 316 và 316L là các loại thép không gỉ thường được sử dụng trong các mối nối mặt bích bao gồm mặt bích, các bộ phận làm kín và ốc vít.
304, 304L, 316 và 316L là các ký hiệu cấp thép không gỉ của Tiêu chuẩn Vật liệu Hoa Kỳ (ANSI hoặc ASTM), thuộc dòng thép không gỉ Austenit 300. Các loại tương ứng với tiêu chuẩn vật liệu trong nước (GB / T) là 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Loại thép không gỉ này thường được gọi chung là thép không gỉ 18-8.
Xem Bảng 1, 304, 304L, 316 và 316L có các tính chất vật lý, hóa học và cơ học khác nhau do bổ sung các nguyên tố và số lượng hợp kim. So với thép không gỉ thông thường, chúng có khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt và hiệu suất xử lý tốt. Khả năng chống ăn mòn của 304L tương tự như 304, nhưng do hàm lượng cacbon của 304L thấp hơn 304 nên khả năng chống ăn mòn giữa các hạt của nó mạnh hơn. 316 và 316L là thép không gỉ chứa molypden. Do bổ sung molypden, khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt của chúng tốt hơn so với 304 và 304L. Theo cách tương tự, vì hàm lượng cacbon của 316L thấp hơn 316 nên khả năng chống ăn mòn tinh thể của nó tốt hơn. Thép không gỉ Austenit như 304, 304L, 316 và 316L có độ bền cơ học thấp. Cường độ năng suất nhiệt độ phòng của 304 là 205MPa, 304L là 170MPa; cường độ năng suất ở nhiệt độ phòng là 316 là 210MPa và 316L là 200MPa. Do đó, các bu lông làm bằng chúng thuộc loại bu lông cấp độ bền thấp.
Bảng 1 Hàm lượng carbon, % Độ bền năng suất nhiệt độ phòng, MPa Nhiệt độ phục vụ tối đa khuyến nghị, ° C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0,03 200 538
(2) Tại sao khớp nối mặt bích không nên sử dụng bu lông bằng vật liệu như 304 và 316?
Như đã đề cập trong các bài giảng trước, khớp nối mặt bích trước tiên tách các bề mặt làm kín của hai mặt bích do tác động của áp suất bên trong, dẫn đến giảm ứng suất của miếng đệm tương ứng, và thứ hai là sự nới lỏng lực bu lông do sự thư giãn của miếng đệm hoặc sự rão của chính bu lông ở nhiệt độ cao, cũng làm giảm ứng suất của miếng đệm, do đó mối nối mặt bích bị rò rỉ và hỏng.
Trong hoạt động thực tế, việc nới lỏng lực bu lông là không thể tránh khỏi, và lực bu lông siết ban đầu sẽ luôn giảm theo thời gian. Đặc biệt đối với các mối nối mặt bích trong điều kiện nhiệt độ cao và chu kỳ khắc nghiệt, sau 10.000 giờ hoạt động, tổn thất tải trọng của bu lông thường sẽ vượt quá 50%, và nó sẽ suy giảm khi thời gian tiếp tục và nhiệt độ tăng.
Khi mặt bích và bu lông được làm bằng các vật liệu khác nhau, đặc biệt là khi mặt bích được làm bằng thép cacbon và bu lông được làm bằng thép không gỉ, hệ số giãn nở nhiệt 2 của vật liệu của bu lông và mặt bích là khác nhau, chẳng hạn như hệ số giãn nở nhiệt của thép không gỉ ở 50 ° C (16,51 ×10-5 / ° C) lớn hơn hệ số giãn nở nhiệt của thép cacbon (11,12 ×10-5 / ° C). Sau khi thiết bị được làm nóng, khi độ giãn nở của mặt bích nhỏ hơn độ giãn nở của bu lông, sau khi sự biến dạng được phối hợp, độ giãn dài của bu lông giảm, làm cho lực của bu lông giảm. Nếu có bất kỳ sự lỏng lẻo nào, nó có thể gây rò rỉ trong khớp nối mặt bích. Do đó, khi mặt bích thiết bị nhiệt độ cao và mặt bích ống được kết nối, đặc biệt là hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu mặt bích và bu lông khác nhau, hệ số giãn nở nhiệt của hai vật liệu phải càng gần càng tốt.
Có thể thấy từ (1) độ bền cơ học của thép không gỉ austenit như 304 và 316 thấp, và cường độ năng suất ở nhiệt độ phòng của 304 chỉ là 205MPa và của 316 chỉ là 210MPa. Do đó, để nâng cao khả năng chống thư giãn và chống mỏi của bu lông, các biện pháp tăng lực bu lông của bu lông lắp đặt được thực hiện. Ví dụ, khi lực bu lông lắp đặt tối đa được sử dụng trong diễn đàn tiếp theo, cần phải ứng suất của bu lông lắp đặt đạt 70% cường độ chảy của vật liệu bu lông, do đó phải cải thiện cấp độ bền của vật liệu bu lông, và sử dụng vật liệu bu lông thép hợp kim có độ bền cao hoặc trung bình. Rõ ràng, ngoại trừ gang, mặt bích phi kim loại hoặc miếng đệm cao su, đối với các miếng đệm bán kim loại và kim loại có mặt bích cấp áp suất cao hơn hoặc miếng đệm có ứng suất lớn hơn, bu lông làm bằng vật liệu có độ bền thấp như 304 và 316, do lực bu lông Không đủ để đáp ứng các yêu cầu làm kín.
Điều cần đặc biệt chú ý ở đây là trong tiêu chuẩn vật liệu bu lông thép không gỉ của Mỹ, 304 và 316 có hai loại, đó là B8 Cl.1 và B8 Cl.2 của 304 và B8M Cl.1 và B8M Cl.2 của 316. Cl.1 là dung dịch rắn được xử lý bằng cacbua, trong khi Cl.2 trải qua quá trình xử lý tăng cường biến dạng ngoài việc xử lý dung dịch rắn. Mặc dù không có sự khác biệt cơ bản về khả năng kháng hóa chất giữa B8 Cl.2 và B8 Cl.1, nhưng độ bền cơ học của B8 Cl.2 được cải thiện đáng kể so với B8 Cl.1, chẳng hạn như B8 Cl.2 với đường kính 3/4 "Độ bền chảy của vật liệu bu lông là 550MPa, trong khi cường độ chảy của vật liệu bu lông B8 Cl.1 của tất cả các đường kính chỉ là 205MPa, Sự khác biệt giữa hai là hơn hai lần. Các tiêu chuẩn vật liệu bu lông trong nước 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) và B8 Cl.1 tương đương với B8M Cl.1. [Lưu ý: Vật liệu bu lông S30408 trong GB / T 150.3 "Thiết kế bình áp lực Phần ba" tương đương với B8 Cl.2; S31608 tương đương với B8M Cl.1.
Theo quan điểm của những lý do trên, GB / T 150.3 và GB / T38343 "Quy định kỹ thuật lắp đặt mối nối mặt bích" quy định rằng mặt bích của thiết bị áp lực và khớp nối mặt bích ống không được khuyến khích sử dụng thông thường 304 (B8 Cl.1) và 316 (B8M Cl. . 1) Bu lông vật liệu, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ cao và chu kỳ khắc nghiệt, nên được thay thế bằng B8 Cl.2 (S30408) và B8M Cl.2 để tránh lực bu lông lắp đặt thấp.
Điều đáng chú ý là khi sử dụng vật liệu bu lông cường độ thấp như 304 và 316, ngay cả trong giai đoạn lắp đặt, do mô-men xoắn không được kiểm soát, bu lông có thể đã vượt quá cường độ chảy của vật liệu, hoặc thậm chí bị gãy. Đương nhiên, nếu rò rỉ xảy ra trong quá trình kiểm tra áp suất hoặc bắt đầu hoạt động, ngay cả khi bu lông tiếp tục được siết chặt, lực bu lông sẽ không tăng lên và không thể ngăn chặn rò rỉ. Ngoài ra, các bu lông này không thể tái sử dụng sau khi tháo rời, vì bu lông đã bị biến dạng vĩnh viễn, kích thước mặt cắt ngang của bu lông trở nên nhỏ hơn, dễ bị gãy sau khi lắp lại.
(1) Sự khác biệt cơ bản giữa vật liệu 304, 304L, 316 và 316L là gì?
304, 304L, 316 và 316L là các loại thép không gỉ thường được sử dụng trong các mối nối mặt bích bao gồm mặt bích, các bộ phận làm kín và ốc vít.
304, 304L, 316 và 316L là các ký hiệu cấp thép không gỉ của Tiêu chuẩn Vật liệu Hoa Kỳ (ANSI hoặc ASTM), thuộc dòng thép không gỉ Austenit 300. Các loại tương ứng với tiêu chuẩn vật liệu trong nước (GB / T) là 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Loại thép không gỉ này thường được gọi chung là thép không gỉ 18-8.
Xem Bảng 1, 304, 304L, 316 và 316L có các tính chất vật lý, hóa học và cơ học khác nhau do bổ sung các nguyên tố và số lượng hợp kim. So với thép không gỉ thông thường, chúng có khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt và hiệu suất xử lý tốt. Khả năng chống ăn mòn của 304L tương tự như 304, nhưng do hàm lượng cacbon của 304L thấp hơn 304 nên khả năng chống ăn mòn giữa các hạt của nó mạnh hơn. 316 và 316L là thép không gỉ chứa molypden. Do bổ sung molypden, khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt của chúng tốt hơn so với 304 và 304L. Theo cách tương tự, vì hàm lượng cacbon của 316L thấp hơn 316 nên khả năng chống ăn mòn tinh thể của nó tốt hơn. Thép không gỉ Austenit như 304, 304L, 316 và 316L có độ bền cơ học thấp. Cường độ năng suất nhiệt độ phòng của 304 là 205MPa, 304L là 170MPa; cường độ năng suất ở nhiệt độ phòng là 316 là 210MPa và 316L là 200MPa. Do đó, các bu lông làm bằng chúng thuộc loại bu lông cấp độ bền thấp.
Bảng 1 Hàm lượng carbon, % Độ bền năng suất nhiệt độ phòng, MPa Nhiệt độ phục vụ tối đa khuyến nghị, ° C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0,03 200 538
(2) Tại sao khớp nối mặt bích không nên sử dụng bu lông bằng vật liệu như 304 và 316?
Như đã đề cập trong các bài giảng trước, khớp nối mặt bích trước tiên tách các bề mặt làm kín của hai mặt bích do tác động của áp suất bên trong, dẫn đến giảm ứng suất của miếng đệm tương ứng, và thứ hai là sự nới lỏng lực bu lông do sự thư giãn của miếng đệm hoặc sự rão của chính bu lông ở nhiệt độ cao, cũng làm giảm ứng suất của miếng đệm, do đó mối nối mặt bích bị rò rỉ và hỏng.
Trong hoạt động thực tế, việc nới lỏng lực bu lông là không thể tránh khỏi, và lực bu lông siết ban đầu sẽ luôn giảm theo thời gian. Đặc biệt đối với các mối nối mặt bích trong điều kiện nhiệt độ cao và chu kỳ khắc nghiệt, sau 10.000 giờ hoạt động, tổn thất tải trọng của bu lông thường sẽ vượt quá 50%, và nó sẽ suy giảm khi thời gian tiếp tục và nhiệt độ tăng.
Khi mặt bích và bu lông được làm bằng các vật liệu khác nhau, đặc biệt là khi mặt bích được làm bằng thép cacbon và bu lông được làm bằng thép không gỉ, hệ số giãn nở nhiệt 2 của vật liệu của bu lông và mặt bích là khác nhau, chẳng hạn như hệ số giãn nở nhiệt của thép không gỉ ở 50 ° C (16,51 ×10-5 / ° C) lớn hơn hệ số giãn nở nhiệt của thép cacbon (11,12 ×10-5 / ° C). Sau khi thiết bị được làm nóng, khi độ giãn nở của mặt bích nhỏ hơn độ giãn nở của bu lông, sau khi sự biến dạng được phối hợp, độ giãn dài của bu lông giảm, làm cho lực của bu lông giảm. Nếu có bất kỳ sự lỏng lẻo nào, nó có thể gây rò rỉ trong khớp nối mặt bích. Do đó, khi mặt bích thiết bị nhiệt độ cao và mặt bích ống được kết nối, đặc biệt là hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu mặt bích và bu lông khác nhau, hệ số giãn nở nhiệt của hai vật liệu phải càng gần càng tốt.
Có thể thấy từ (1) độ bền cơ học của thép không gỉ austenit như 304 và 316 thấp, và cường độ năng suất ở nhiệt độ phòng của 304 chỉ là 205MPa và của 316 chỉ là 210MPa. Do đó, để nâng cao khả năng chống thư giãn và chống mỏi của bu lông, các biện pháp tăng lực bu lông của bu lông lắp đặt được thực hiện. Ví dụ, khi lực bu lông lắp đặt tối đa được sử dụng trong diễn đàn tiếp theo, cần phải ứng suất của bu lông lắp đặt đạt 70% cường độ chảy của vật liệu bu lông, do đó phải cải thiện cấp độ bền của vật liệu bu lông, và sử dụng vật liệu bu lông thép hợp kim có độ bền cao hoặc trung bình. Rõ ràng, ngoại trừ gang, mặt bích phi kim loại hoặc miếng đệm cao su, đối với các miếng đệm bán kim loại và kim loại có mặt bích cấp áp suất cao hơn hoặc miếng đệm có ứng suất lớn hơn, bu lông làm bằng vật liệu có độ bền thấp như 304 và 316, do lực bu lông Không đủ để đáp ứng các yêu cầu làm kín.
Điều cần đặc biệt chú ý ở đây là trong tiêu chuẩn vật liệu bu lông thép không gỉ của Mỹ, 304 và 316 có hai loại, đó là B8 Cl.1 và B8 Cl.2 của 304 và B8M Cl.1 và B8M Cl.2 của 316. Cl.1 là dung dịch rắn được xử lý bằng cacbua, trong khi Cl.2 trải qua quá trình xử lý tăng cường biến dạng ngoài việc xử lý dung dịch rắn. Mặc dù không có sự khác biệt cơ bản về khả năng kháng hóa chất giữa B8 Cl.2 và B8 Cl.1, nhưng độ bền cơ học của B8 Cl.2 được cải thiện đáng kể so với B8 Cl.1, chẳng hạn như B8 Cl.2 với đường kính 3/4 "Độ bền chảy của vật liệu bu lông là 550MPa, trong khi cường độ chảy của vật liệu bu lông B8 Cl.1 của tất cả các đường kính chỉ là 205MPa, Sự khác biệt giữa hai là hơn hai lần. Các tiêu chuẩn vật liệu bu lông trong nước 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) và B8 Cl.1 tương đương với B8M Cl.1. [Lưu ý: Vật liệu bu lông S30408 trong GB / T 150.3 "Thiết kế bình áp lực Phần ba" tương đương với B8 Cl.2; S31608 tương đương với B8M Cl.1.
Theo quan điểm của những lý do trên, GB / T 150.3 và GB / T38343 "Quy định kỹ thuật lắp đặt mối nối mặt bích" quy định rằng mặt bích của thiết bị áp lực và khớp nối mặt bích ống không được khuyến khích sử dụng thông thường 304 (B8 Cl.1) và 316 (B8M Cl. . 1) Bu lông vật liệu, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ cao và chu kỳ khắc nghiệt, nên được thay thế bằng B8 Cl.2 (S30408) và B8M Cl.2 để tránh lực bu lông lắp đặt thấp.
Điều đáng chú ý là khi sử dụng vật liệu bu lông cường độ thấp như 304 và 316, ngay cả trong giai đoạn lắp đặt, do mô-men xoắn không được kiểm soát, bu lông có thể đã vượt quá cường độ chảy của vật liệu, hoặc thậm chí bị gãy. Đương nhiên, nếu rò rỉ xảy ra trong quá trình kiểm tra áp suất hoặc bắt đầu hoạt động, ngay cả khi bu lông tiếp tục được siết chặt, lực bu lông sẽ không tăng lên và không thể ngăn chặn rò rỉ. Ngoài ra, các bu lông này không thể tái sử dụng sau khi tháo rời, vì bu lông đã bị biến dạng vĩnh viễn, kích thước mặt cắt ngang của bu lông trở nên nhỏ hơn, dễ bị gãy sau khi lắp lại.