14 studenog 2022
Brtvljenje prirubničkog spoja - Zašto se materijal 304 ne preporučuje za vijke?
Kada se prirubnice od ugljičnog čelika ili nehrđajućeg čelika koriste s vijcima od 304 materijala u brtvljenju prirubničkih spojeva, često se javljaju problemi s curenjem tijekom rada. Ovo predavanje će napraviti kvalitativnu analizu toga.
(1) Koje su osnovne razlike između materijala 304, 304L, 316 i 316L?
304, 304L, 316 i 316L su vrste nehrđajućeg čelika koje se obično koriste u prirubničkim spojevima, uključujući prirubnice, brtvene elemente i pričvršćivače.
304, 304L, 316 i 316L su oznake nehrđajućeg čelika američkog standarda za materijale (ANSI ili ASTM), koje pripadaju seriji 300 austenitnih nehrđajućih čelika. Ocjene koje odgovaraju domaćim standardima materijala (GB/T) su 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Ova vrsta nehrđajućeg čelika obično se zajednički naziva nehrđajući čelik 18-8.
Vidi tablicu 1, 304, 304L, 316 i 316L imaju različita fizikalna, kemijska i mehanička svojstva zbog dodavanja legirajućih elemenata i količina. U usporedbi s običnim nehrđajućim čelikom, imaju dobru otpornost na koroziju, otpornost na toplinu i performanse obrade. Otpornost na koroziju 304L slična je onoj 304, ali budući da je sadržaj ugljika 304L niži od 304, njegova otpornost na intergranularnu koroziju je jača. 316 i 316L su nehrđajući čelici koji sadrže molibden. Zbog dodatka molibdena, njihova otpornost na koroziju i otpornost na toplinu bolji su od onih kod 304 i 304L. Na isti način, budući da je sadržaj ugljika 316L niži od sadržaja 316, njegova sposobnost da se odupre koroziji kristala je bolja. Austenitni nehrđajući čelici kao što su 304, 304L, 316 i 316L imaju nisku mehaničku čvrstoću. Granica tečenja na sobnoj temperaturi od 304 je 205 MPa, 304 L je 170 MPa; granica tečenja na sobnoj temperaturi od 316 je 210MPa, a 316L je 200MPa. Stoga vijci izrađeni od njih pripadaju vijcima niske čvrstoće.
Tablica 1 Sadržaj ugljika, % granice tečenja na sobnoj temperaturi, MPa Preporučena maksimalna radna temperatura, °C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Zašto prirubnički spojevi ne bi trebali koristiti vijke od materijala kao što su 304 i 316?
Kao što je spomenuto u prethodnim predavanjima, prirubnički spoj prvo odvaja brtvene površine dviju prirubnica uslijed djelovanja unutarnjeg tlaka, što rezultira odgovarajućim smanjenjem naprezanja brtve, a drugo, popuštanjem sile vijka zbog puzanja brtve ili puzanja samog vijka pri visokoj temperaturi, također smanjuje naprezanje brtve, tako da spoj prirubnice curi i ne uspijeva.
U stvarnom radu, opuštanje sile vijka je neizbježno, a početna sila zatezanja vijaka uvijek će s vremenom opadati. Posebno za prirubničke spojeve pod visokom temperaturom i teškim uvjetima ciklusa, nakon 10.000 sati rada, gubitak opterećenja vijaka često će premašiti 50%, a smanjit će se s nastavkom vremena i porastom temperature.
Kada su prirubnica i vijak izrađeni od različitih materijala, posebno kada je prirubnica izrađena od ugljičnog čelika, a vijak od nehrđajućeg čelika, koeficijent toplinskog širenja 2 materijala vijka i prirubnice je različit, kao što je koeficijent toplinskog širenja nehrđajućeg čelika na 50 °C (16.51×10-5 / °C) veći je od koeficijenta toplinskog širenja ugljičnog čelika (11.12×10-5/°C). Nakon zagrijavanja uređaja, kada je širenje prirubnice manje od širenja vijka, nakon što je deformacija koordinirana, produljenje vijka se smanjuje, uzrokujući smanjenje sile vijka. Ako postoji bilo kakva labavost, to može uzrokovati curenje u prirubničkom spoju. Stoga, kada su prirubnica visokotemperaturne opreme i prirubnica cijevi spojene, posebno su koeficijenti toplinskog širenja materijala prirubnice i vijaka različiti, koeficijenti toplinskog širenja dvaju materijala trebaju biti što bliži.
Iz (1) se može vidjeti da je mehanička čvrstoća austenitnog nehrđajućeg čelika kao što su 304 i 316 niska, a granica tečenja na sobnoj temperaturi od 304 je samo 205 MPa, a 316 samo 210 MPa. Stoga, kako bi se poboljšala sposobnost vijaka protiv opuštanja i zamora, poduzimaju se mjere za povećanje sile vijaka instalacijskih vijaka. Na primjer, kada se maksimalna sila instalacijskog vijka koristi na forumu za praćenje, potrebno je da naprezanje instalacijskih vijaka dosegne 70% granice tečenja materijala vijka, tako da se stupanj čvrstoće materijala vijka mora poboljšati, te se koriste materijali vijaka od legiranog čelika visoke čvrstoće ili srednje čvrstoće. Očito, osim lijevanog željeza, nemetalnih prirubnica ili gumenih brtvi, za polumetalne i metalne brtve s prirubnicama višeg stupnja tlaka ili brtve s većim naprezanjem, vijci izrađeni od materijala niske čvrstoće kao što su 304 i 316, zbog sile vijaka Nedovoljno da ispuni zahtjeve za brtvljenje.
Ono na što ovdje treba obratiti posebnu pozornost je da u američkom standardu materijala vijaka od nehrđajućeg čelika, 304 i 316 imaju dvije kategorije, naime B8 Cl.1 i B8 Cl.2 od 304 i B8M Cl.1 i B8M Cl.2 od 316. Cl.1 je čvrsta otopina tretirana karbidima, dok Cl.2 prolazi tretman jačanja naprezanja uz obradu čvrstom otopinom. Iako ne postoji temeljna razlika u kemijskoj otpornosti između B8 Cl.2 i B8 Cl.1, mehanička čvrstoća B8 Cl.2 znatno je poboljšana u odnosu na B8 Cl.1, kao što je B8 Cl.2 promjera 3/4" Granica tečenja materijala vijka je 550MPa, dok je granica tečenja materijala vijaka B8 Cl.1 svih promjera samo 205MPa, Razlika između njih je više nego dvostruka. Domaći standardi materijala vijaka 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) i B8 Cl.1 ekvivalentni su B8M Cl.1. [Napomena: Materijal vijka S30408 u GB/T 150.3 "Treći dio dizajna posude pod tlakom" ekvivalentan je B8 Cl.2; S31608 je ekvivalentan B8M Cl.1.
S obzirom na gore navedene razloge, GB/T 150.3 i GB/T38343 "Tehnički propisi za ugradnju prirubničkih spojeva" propisuju da se prirubnice tlačne opreme i prirubnički spojevi cijevi ne preporučuju za upotrebu uobičajenih 304 (B8 Cl.1) i 316 (B8M Cl. . 1) Vijke materijala, posebno u uvjetima visokih temperatura i teških ciklusa, treba zamijeniti s B8 Cl.2 (S30408) i B8M Cl.2 kako bi se izbjegla mala sila ugradnje vijaka.
Vrijedno je napomenuti da kada se koriste materijali vijaka niske čvrstoće kao što su 304 i 316, čak i tijekom faze ugradnje, jer se okretni moment ne kontrolira, vijak je možda premašio granicu tečenja materijala ili se čak slomio. Naravno, ako dođe do curenja tijekom ispitivanja tlaka ili početka rada, čak i ako se vijci i dalje zatežu, sila vijka neće porasti i curenje se ne može zaustaviti. Osim toga, ovi se vijci ne mogu ponovno upotrijebiti nakon rastavljanja, jer su vijci pretrpjeli trajnu deformaciju, a veličina poprečnog presjeka vijaka postala je manja i skloni su lomu nakon ponovne ugradnje.
(1) Koje su osnovne razlike između materijala 304, 304L, 316 i 316L?
304, 304L, 316 i 316L su vrste nehrđajućeg čelika koje se obično koriste u prirubničkim spojevima, uključujući prirubnice, brtvene elemente i pričvršćivače.
304, 304L, 316 i 316L su oznake nehrđajućeg čelika američkog standarda za materijale (ANSI ili ASTM), koje pripadaju seriji 300 austenitnih nehrđajućih čelika. Ocjene koje odgovaraju domaćim standardima materijala (GB/T) su 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Ova vrsta nehrđajućeg čelika obično se zajednički naziva nehrđajući čelik 18-8.
Vidi tablicu 1, 304, 304L, 316 i 316L imaju različita fizikalna, kemijska i mehanička svojstva zbog dodavanja legirajućih elemenata i količina. U usporedbi s običnim nehrđajućim čelikom, imaju dobru otpornost na koroziju, otpornost na toplinu i performanse obrade. Otpornost na koroziju 304L slična je onoj 304, ali budući da je sadržaj ugljika 304L niži od 304, njegova otpornost na intergranularnu koroziju je jača. 316 i 316L su nehrđajući čelici koji sadrže molibden. Zbog dodatka molibdena, njihova otpornost na koroziju i otpornost na toplinu bolji su od onih kod 304 i 304L. Na isti način, budući da je sadržaj ugljika 316L niži od sadržaja 316, njegova sposobnost da se odupre koroziji kristala je bolja. Austenitni nehrđajući čelici kao što su 304, 304L, 316 i 316L imaju nisku mehaničku čvrstoću. Granica tečenja na sobnoj temperaturi od 304 je 205 MPa, 304 L je 170 MPa; granica tečenja na sobnoj temperaturi od 316 je 210MPa, a 316L je 200MPa. Stoga vijci izrađeni od njih pripadaju vijcima niske čvrstoće.
Tablica 1 Sadržaj ugljika, % granice tečenja na sobnoj temperaturi, MPa Preporučena maksimalna radna temperatura, °C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Zašto prirubnički spojevi ne bi trebali koristiti vijke od materijala kao što su 304 i 316?
Kao što je spomenuto u prethodnim predavanjima, prirubnički spoj prvo odvaja brtvene površine dviju prirubnica uslijed djelovanja unutarnjeg tlaka, što rezultira odgovarajućim smanjenjem naprezanja brtve, a drugo, popuštanjem sile vijka zbog puzanja brtve ili puzanja samog vijka pri visokoj temperaturi, također smanjuje naprezanje brtve, tako da spoj prirubnice curi i ne uspijeva.
U stvarnom radu, opuštanje sile vijka je neizbježno, a početna sila zatezanja vijaka uvijek će s vremenom opadati. Posebno za prirubničke spojeve pod visokom temperaturom i teškim uvjetima ciklusa, nakon 10.000 sati rada, gubitak opterećenja vijaka često će premašiti 50%, a smanjit će se s nastavkom vremena i porastom temperature.
Kada su prirubnica i vijak izrađeni od različitih materijala, posebno kada je prirubnica izrađena od ugljičnog čelika, a vijak od nehrđajućeg čelika, koeficijent toplinskog širenja 2 materijala vijka i prirubnice je različit, kao što je koeficijent toplinskog širenja nehrđajućeg čelika na 50 °C (16.51×10-5 / °C) veći je od koeficijenta toplinskog širenja ugljičnog čelika (11.12×10-5/°C). Nakon zagrijavanja uređaja, kada je širenje prirubnice manje od širenja vijka, nakon što je deformacija koordinirana, produljenje vijka se smanjuje, uzrokujući smanjenje sile vijka. Ako postoji bilo kakva labavost, to može uzrokovati curenje u prirubničkom spoju. Stoga, kada su prirubnica visokotemperaturne opreme i prirubnica cijevi spojene, posebno su koeficijenti toplinskog širenja materijala prirubnice i vijaka različiti, koeficijenti toplinskog širenja dvaju materijala trebaju biti što bliži.
Iz (1) se može vidjeti da je mehanička čvrstoća austenitnog nehrđajućeg čelika kao što su 304 i 316 niska, a granica tečenja na sobnoj temperaturi od 304 je samo 205 MPa, a 316 samo 210 MPa. Stoga, kako bi se poboljšala sposobnost vijaka protiv opuštanja i zamora, poduzimaju se mjere za povećanje sile vijaka instalacijskih vijaka. Na primjer, kada se maksimalna sila instalacijskog vijka koristi na forumu za praćenje, potrebno je da naprezanje instalacijskih vijaka dosegne 70% granice tečenja materijala vijka, tako da se stupanj čvrstoće materijala vijka mora poboljšati, te se koriste materijali vijaka od legiranog čelika visoke čvrstoće ili srednje čvrstoće. Očito, osim lijevanog željeza, nemetalnih prirubnica ili gumenih brtvi, za polumetalne i metalne brtve s prirubnicama višeg stupnja tlaka ili brtve s većim naprezanjem, vijci izrađeni od materijala niske čvrstoće kao što su 304 i 316, zbog sile vijaka Nedovoljno da ispuni zahtjeve za brtvljenje.
Ono na što ovdje treba obratiti posebnu pozornost je da u američkom standardu materijala vijaka od nehrđajućeg čelika, 304 i 316 imaju dvije kategorije, naime B8 Cl.1 i B8 Cl.2 od 304 i B8M Cl.1 i B8M Cl.2 od 316. Cl.1 je čvrsta otopina tretirana karbidima, dok Cl.2 prolazi tretman jačanja naprezanja uz obradu čvrstom otopinom. Iako ne postoji temeljna razlika u kemijskoj otpornosti između B8 Cl.2 i B8 Cl.1, mehanička čvrstoća B8 Cl.2 znatno je poboljšana u odnosu na B8 Cl.1, kao što je B8 Cl.2 promjera 3/4" Granica tečenja materijala vijka je 550MPa, dok je granica tečenja materijala vijaka B8 Cl.1 svih promjera samo 205MPa, Razlika između njih je više nego dvostruka. Domaći standardi materijala vijaka 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) i B8 Cl.1 ekvivalentni su B8M Cl.1. [Napomena: Materijal vijka S30408 u GB/T 150.3 "Treći dio dizajna posude pod tlakom" ekvivalentan je B8 Cl.2; S31608 je ekvivalentan B8M Cl.1.
S obzirom na gore navedene razloge, GB/T 150.3 i GB/T38343 "Tehnički propisi za ugradnju prirubničkih spojeva" propisuju da se prirubnice tlačne opreme i prirubnički spojevi cijevi ne preporučuju za upotrebu uobičajenih 304 (B8 Cl.1) i 316 (B8M Cl. . 1) Vijke materijala, posebno u uvjetima visokih temperatura i teških ciklusa, treba zamijeniti s B8 Cl.2 (S30408) i B8M Cl.2 kako bi se izbjegla mala sila ugradnje vijaka.
Vrijedno je napomenuti da kada se koriste materijali vijaka niske čvrstoće kao što su 304 i 316, čak i tijekom faze ugradnje, jer se okretni moment ne kontrolira, vijak je možda premašio granicu tečenja materijala ili se čak slomio. Naravno, ako dođe do curenja tijekom ispitivanja tlaka ili početka rada, čak i ako se vijci i dalje zatežu, sila vijka neće porasti i curenje se ne može zaustaviti. Osim toga, ovi se vijci ne mogu ponovno upotrijebiti nakon rastavljanja, jer su vijci pretrpjeli trajnu deformaciju, a veličina poprečnog presjeka vijaka postala je manja i skloni su lomu nakon ponovne ugradnje.