法蘭連接，為什么不用304螺栓

    在法蘭接頭密封中當(dāng)碳鋼或不銹鋼法蘭配用304材料螺栓時(shí)，在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)常會(huì)發(fā)生泄漏問題。本講將對(duì)此作一定性的剖析。

    (1) 304、304L、316 和 316L 材料有什么基本區(qū)別？

    304、304L、316 和 316L 是法蘭接頭（包括法蘭、密封元件和緊固件）中通常選用的不銹鋼種材料。

   304、304L、316 和 316L 是美國材料標(biāo)準(zhǔn)(ANSI 或 ASTM)的不銹鋼種代號(hào)，隸屬于奧氏體不銹鋼的 300 系列一類鋼。與國內(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)(GB/T)對(duì)應(yīng)的牌號(hào)是 06Cr19Ni10（304）、022Cr19Ni10（304L）、06Cr17Ni12Mo2 （316）、022Cr17Ni12Mo2（316L）。通常把這類不銹鋼統(tǒng)稱為 18—8不銹鋼。

    參見表 1，304、304L、316 和 316L 由于加入合金元素和加入量的不同，其理化和機(jī)械性能也是不同的， 與普通不銹鋼相比，它們具有良好的耐蝕性、耐熱性和加工性能。304L 的耐蝕性與 304 相似，但因 304L 的含碳量比304低，故其抗晶間腐蝕能力更強(qiáng)。316、316L 是含鉬不銹鋼，因添加鉬元素，故其耐蝕性和 耐熱性比304、304L 更優(yōu)異。同理，因316L 的含碳量比316 低，故其抗晶腐蝕能力更優(yōu)良。304、304L、316 和 316L 一類奧氏體不銹鋼的力學(xué)強(qiáng)度低，304的室溫屈服強(qiáng)度為205MPa，304L 為 170MPa；316 的室溫屈服強(qiáng)度為210MPa，316L 為 200MPa。因此，用它們制作的螺栓屬于低強(qiáng)度級(jí)別的螺栓。

表 1 含碳量，% 室溫屈服強(qiáng)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) 為什么法蘭接頭不應(yīng)采用 304 和 316 等一類材料的螺栓? 

    如前面幾講所述，法蘭接頭一是因內(nèi)壓力作用使兩法蘭密封面分離，引起墊片應(yīng)力相應(yīng)減少，二是因 高溫下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(yīng)力下降，以至法蘭接頭發(fā)生泄漏失效。

    實(shí)際運(yùn)行中，螺栓力松弛是不可避免的，初始擰緊的螺栓力總會(huì)隨時(shí)間而有所跌落。特別是處于高溫 和劇烈循環(huán)工況的法蘭接頭，經(jīng)過10000 小時(shí)運(yùn)行后，螺栓載荷損失常會(huì)超過50%，并隨時(shí)間的延續(xù)和溫度 的提高而衰減下去。

    當(dāng)法蘭和螺栓為不同一材料，尤其當(dāng)法蘭為碳鋼，螺栓為不銹鋼時(shí)，因螺栓和法蘭材料的熱膨脹系數(shù)2 不同，如 50℃下不銹鋼的熱膨脹系數(shù)（16.51×10-5／℃)比碳鋼熱膨脹系數(shù)（11.12×10-5／℃)大，裝置升溫后，當(dāng)法蘭的膨脹量小于螺栓的膨脹量時(shí)，在變形協(xié)調(diào)后，螺栓伸長量減小引起螺栓力的松弛，就可能 導(dǎo)致法蘭接頭發(fā)生泄漏。因此，高溫的設(shè)備法蘭和管法蘭接頭時(shí)，特別是法蘭和螺栓材料的熱膨脹系數(shù)不同，盡可能使兩者材料的熱膨脹系數(shù)相近。
    由(1)可見，304 和 316 一類奧氏體不銹鋼的力學(xué)強(qiáng)度低，304 的室溫屈服強(qiáng)度僅為205MPa，316 也只有210MPa。因此，為了提高螺栓抗松弛和抗疲勞的能力，采取提高安裝螺栓力的措施，如在后續(xù)的講壇中 將會(huì)講到采用最大安裝螺栓力時(shí)，要求安裝螺栓應(yīng)力達(dá)到 70%的螺栓材料屈服強(qiáng)度，這樣就必須提高螺栓 材料的強(qiáng)度等級(jí)，采用高強(qiáng)度或中強(qiáng)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(duì)于壓力等級(jí)較高法蘭或墊片應(yīng)力較大的半金屬和金屬墊片，304、316 這類低強(qiáng)度材料螺栓，因螺栓力不夠而達(dá)不到密封要求。

    這里需要特別關(guān)注的是在美國不銹鋼螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)中304和316分別有兩個(gè)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)過碳化物固溶處理，而 Cl.2 除固溶處理外，還經(jīng)過 應(yīng)變強(qiáng)化處理。雖然 B8 Cl.2 和 B8 Cl.1 在耐化學(xué)腐蝕性上沒有根本區(qū)別，但相對(duì) B8 Cl.1，B8 Cl.2 的 力學(xué)強(qiáng)度獲得相當(dāng)提高，如直徑為3/4”的B8 Cl.2 螺栓材料的屈服強(qiáng)度為550MPa，而所有直徑的 B8 Cl.1 螺栓材料的屈服強(qiáng)度僅為205MPa，兩者相差兩倍以上。國內(nèi)螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)中的06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)，與B8 Cl.1 和 B8M Cl.1 相當(dāng)。[注：GB/T 150.3《壓力容器 第三部分 設(shè)計(jì)》中的螺栓材料 S30408 與 B8 Cl.2 相當(dāng)；S31608 與 B8M Cl.1 相當(dāng)。

    鑒于以上原因，GB/T 150.3 和 GB／T38343《法蘭接頭安裝技術(shù)規(guī)定》中，規(guī)定承壓設(shè)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，尤其在高溫和劇烈循環(huán)工況，應(yīng)更替為 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(dāng)采用 304、316 這類低強(qiáng)度螺栓材料，甚至在安裝階段，由于沒有對(duì)扭矩進(jìn)行控制，螺栓可能已超過材料屈服強(qiáng)度，甚至發(fā)生斷裂。自然，若耐壓試驗(yàn)或開始運(yùn)行就出現(xiàn)了泄漏，即使繼續(xù)擰緊螺栓，螺栓力也上不去，不能阻止泄漏。此外，這些螺栓拆卸后不能重復(fù)使用，因螺栓已經(jīng)產(chǎn)生了永久變形，螺栓截面尺寸變小，再安裝就容易發(fā)生擰斷。