法蘭接頭密封，為什麽螺栓不建議用 304 材料?

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在法蘭接頭密封中當碳鋼或不鏽鋼法蘭配用 304 材（cái）料螺栓時，在（zài）運行狀態時常會發生泄（xiè）漏問題。本文將對此作（zuò）一定性的剖析。
(1) 304、304L、316 和（hé） 316L 材料有什麽基本區別？

304、304L、316 和 316L 是法蘭（lán）接頭（包括（kuò）法蘭、密封元件和緊固件）中通常（cháng）選用的不鏽鋼種材料。

304、304L、316 和 316L 是材料標準(ANSI 或（huò） ASTM)的不鏽鋼種代號，隸屬於奧氏體不（bú）鏽鋼的 300 係列一類鋼。與國內材料標準(GB/T)對應的牌號是 06Cr19Ni10（304）、022Cr19Ni10（304L）、06Cr17Ni12Mo2 （316）、022Cr17Ni12Mo2（316L）。通（tōng）常把這類不鏽鋼統稱為 18—8不鏽鋼。
參見表 1，304、304L、316 和 316L 由於加入（rù）合金元素和加入量的不同，其理化和機械性能也是不同的，與普通不鏽鋼相比，它（tā）們具（jù）有良好的耐蝕性、耐熱性（xìng）和加工性能。304L 的耐蝕性與 304 相似，但因 304L 的含碳量比304低（dī），故其抗（kàng）晶間腐蝕能力更強。316、316L 是含（hán）鉬不鏽（xiù）鋼，因添加鉬元素，故其耐蝕性和耐熱性（xìng）比304、304L 更優（yōu）異。同理，因316L 的含碳量比316 低，故其抗晶腐（fǔ）蝕能（néng）力（lì）更優良。304、304L、316 和 316L 一類奧氏體不（bú）鏽鋼的力學強（qiáng）度低（dī），304的室溫屈服強度為205MPa，304L 為（wéi） 170MPa；316 的室溫屈服強度為210MPa，316L 為 200MPa。因此，用它們製（zhì）作的螺栓屬於低強度級別的螺（luó）栓。

表 1 含碳（tàn）量（liàng），% 室溫屈服強度，MPa 推薦最高使用溫度，℃

304 ≤0.08 205 816

304L ≤0.03 170 538

316 ≤0.08 210 816

316L ≤0.03 200 538

(2) 為什麽法（fǎ）蘭接頭不應采用 304 和 316 等一類材（cái）料的螺（luó）栓?

如前麵幾講所述，法蘭接頭一是因內壓力作用使兩法蘭密封麵分離，引（yǐn）起墊片（piàn）應力相應減少，二是因高溫下墊片蠕變鬆弛或螺栓本身蠕變引起螺栓力鬆弛，同樣使（shǐ）墊片（piàn）應力下降，以至法蘭接頭發生泄（xiè）漏失效。

實際運行中，螺栓力鬆弛是不可（kě）避免的（de），初始擰緊的螺栓力總會隨時間而有所跌落。特別是處於高溫和劇烈（liè）循環工況的法（fǎ）蘭接頭，經過10000 小時運行（háng）後，螺栓載荷損失常會超過50%，並隨時間的（de）延續和溫度的提高而衰減下去。

當法蘭和螺栓為不同一材料，尤其當法（fǎ）蘭為碳鋼，螺栓為不鏽鋼時，因螺栓和法蘭（lán）材料的熱膨脹係數2 不同（tóng），如 50℃下不鏽鋼（gāng）的熱膨脹係數（16.51×10-5／℃)比（bǐ）碳鋼熱膨脹係數（11.12×10-5／℃)大，裝（zhuāng）置升溫後，當法蘭的膨脹量小於螺栓的膨脹量時，在變形協調後，螺栓伸（shēn）長量減小引起螺栓力的鬆弛，就可（kě）能導致法蘭接頭發生泄漏。因此，高溫的設備法蘭和（hé）管法蘭接頭時，特別是法蘭和螺栓材（cái）料（liào）的熱膨脹係數不同，盡可能使兩者（zhě）材料的（de）熱膨脹係數相近。
由（yóu）(1)可見，304 和 316 一類奧氏體（tǐ）不鏽鋼（gāng）的力學（xué）強度（dù）低，304 的室溫屈服強度僅（jǐn）為205MPa，316 也隻有210MPa。因此，為了提高螺栓抗鬆弛和抗疲勞的能力，采取（qǔ）提高安裝螺栓力的措施，如在後續（xù）的講壇中（zhōng）將（jiāng）會講到采用最大安裝螺栓力時，要求安裝螺栓應力達到 70%的螺栓材料屈服（fú）強度，這樣就必（bì）須提高螺栓材料的強度等級（jí），采用高強度或中強度合金鋼螺栓材料。顯易而（ér）見，除鑄鐵、非金屬法（fǎ）蘭或橡（xiàng）膠墊片外，對於壓力等級（jí）較高法蘭（lán）或墊片應力較大的半金屬和金屬墊片，304、316 這類低強度材料（liào）螺（luó）栓，因螺栓力不夠而達不到密封要（yào）求。

這裏需要特別關注的是在不鏽（xiù）鋼螺栓材料（liào）標準中304和316分別有兩個類別，即304的B8 Cl.1和B8 Cl.2 以及 316 的 B8M Cl.1 和 B8M Cl.2。Cl.1 是經（jīng）過碳化物（wù）固溶處理，而 Cl.2 除固溶處理外，還經過應變強化處理。雖然 B8 Cl.2 和 B8 Cl.1 在耐化學腐蝕性上沒有根本（běn）區別，但相（xiàng）對 B8 Cl.1，B8 Cl.2 的力（lì）學強度獲得相當提高，如直徑為3/4”的B8 Cl.2 螺栓材料的屈服（fú）強度為550MPa，而（ér）所有直徑的 B8 Cl.1 螺栓材料的屈服強度僅為205MPa，兩者相（xiàng）差兩倍以上。國（guó）內螺栓材料標準中的 06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)，與B8 Cl.1 和 B8M Cl.1 相（xiàng）當。[注：GB/T 150.3《壓力容器第（dì）三（sān）部分設計》中的螺栓材（cái）料 S30408 與（yǔ） B8 Cl.2 相當；S31608 與 B8M Cl.1 相（xiàng）當。

鑒於以上原因，GB/T 150.3 和 GB／T38343《法蘭接頭安裝技（jì）術規（guī）定》中，規定承壓（yā）設備法蘭和管法蘭接頭不推薦使用通常的 304（B8 Cl.1）和 316（B8M Cl.1）材料的螺栓，尤（yóu）其在高（gāo）溫和劇烈循環工況，應更（gèng）替為 B8 Cl.2(S30408) 和 B8M Cl.2，以避免低下的安裝螺栓力。
值得注意的是當采用 304、316 這類（lèi）低強度螺（luó）栓（shuān）材料，甚至在安裝階段，由於沒有對扭矩進行控製，螺栓可（kě）能已超過材（cái）料屈服強度，甚至發生斷裂。自然（rán），若耐壓試驗或開始運行就出現了泄漏，即使繼續擰緊螺栓，螺栓（shuān）力也（yě）上不去，不能阻止泄漏。此外，這些螺栓拆（chāi）卸後不能重複使用，因螺栓已經（jīng）產生了永久變形，螺栓截麵尺寸變小，再安裝就容易發生擰斷。