14 Nov 2022
Brtvljenje prirubničkih spojeva - Zašto se 304 materijal ne preporučuje za vijke?
Kada se koriste prirubnice od ugljičnog čelika ili nehrđajućeg čelika sa 304 materijalna vijka u brtvljenju prirubničkih spojeva, problemi curenja često se javljaju tokom rada. Ovo predavanje će napraviti kvalitativnu analizu ovoga.
(1) Koje su osnovne razlike između 304, 304L, 316 i 316L materijala?
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 od nehrđajućeg čelika Američkog standarda za materijale (ANSI ili ASTM), koji pripadaju seriji 300 austenitnih nehrđajućih čelika. Razredi koji odgovaraju domaćim materijalnim standardima (GB/T) su 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Ova vrsta nehrđajućeg čelika se obično zajednički naziva 18-8 nehrđajući čelik.
Vidi tabelu 1, 304, 304L, 316 i 316L imaju različite fizičke, hemijske i mehaničke osobine zbog dodavanja legirajućih elemenata i količina. U poređenju sa običnim nehrđajućim čelikom, imaju dobru otpornost na koroziju, otpornost na toplinu i performanse obrade. Otpornost na koroziju 304L je slična onoj kod 304, ali pošto je sadržaj ugljika u 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 su bolji od onih kod 304 i 304L. Na isti način, budući da je sadržaj ugljika u 316L niži od onog u 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 205MPa, 304L je 170MPa; granica tečenja na sobnoj temperaturi od 316 je 210MPa, a 316L je 200MPa. Stoga, vijci napravljeni od njih pripadaju vijcima niske čvrstoće.
Tabela 1 Sadržaj ugljika, % Granica 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 razdvaja zaptivne površine dviju prirubnica zbog djelovanja unutrašnjeg pritiska, što rezultira odgovarajućim smanjenjem naprezanja brtve, a drugo, opuštanje sile vijka zbog puzanja relaksacije brtve ili puzanja samog vijka na visokoj temperaturi, također smanjuje naprezanje brtve, tako da prirubnički spoj curi i ne uspijeva.
U stvarnom radu, opuštanje sile vijka je neizbježno, a početna sila zatezanja vijka će uvijek opadati tokom vremena. Posebno za prirubničke spojeve pod visokom temperaturom i teškim uslovima ciklusa, nakon 10.000 sati rada, gubitak opterećenja vijaka će često premašiti 50%, a to će se smanjiti sa nastavkom vremena i povećanjem temperature.
Kada su prirubnica i vijak napravljeni od različitih materijala, posebno kada je prirubnica napravljena od ugljičnog čelika, a vijak je napravljen od nehrđajućeg čelika, koeficijent toplotnog širenja 2 materijala vijka i prirubnice je različit, kao što je koeficijent toplotnog širenja nehrđajućeg čelika na 50 °C (16,51×10-5 °C) je veći od koeficijenta toplotnog širenja ugljičnog čelika (11,12×10-5/°C). Nakon što se uređaj zagrije, kada je ekspanzija prirubnice manja od ekspanzije vijka, nakon što je deformacija koordinirana, izduženje 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 spojeni, posebno koeficijenti toplotne ekspanzije materijala prirubnice i vijaka su različiti, koeficijenti toplotne ekspanzije dva materijala bi trebali biti što bliži.
Može se vidjeti iz (1) 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 je samo 210 MPa. Stoga, kako bi se poboljšala anti-relaksacijska i anti-zamorna sposobnost vijaka, poduzimaju se mjere za povećanje sile vijaka za ugradnju. Na primjer, kada se maksimalna sila instalacijskog vijka koristi u forumu za praćenje, potrebno je da napon instalacijskih vijaka dostigne 70% granice tečenja materijala vijka, tako da se stepen čvrstoće materijala vijka mora poboljšati, a koriste se materijali od legiranog čelika visoke čvrstoće ili srednje čvrstoće. Očigledno, osim za lijevano željezo, nemetalne prirubnice ili gumene brtve, za polumetalne i metalne brtve sa prirubnicama višeg pritiska ili brtvama sa većim naprezanjem, vijci napravljeni od materijala niske čvrstoće kao što su 304 i 316, zbog sile vijka nisu dovoljni da zadovolje zahtjeve za brtvljenje.
Ono što ovdje zahtijeva posebnu pažnju 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 kroz tretman jačanja naprezanja pored tretmana čvrstim rastvorom. Iako ne postoji fundamentalna razlika u hemijskoj otpornosti između B8 Cl.2 i B8 Cl.1, mehanička čvrstoća B8 Cl.2 je značajno poboljšana u odnosu na B8 Cl.1, kao što je B8 Cl.2 sa promjerom od 3/4" Granica tečenja materijala vijka je 550MPa, dok je granica tečenja materijala vijaka B8 Cl.1 svih prečnika samo 205MPa, Razlika između njih je više nego dvostruka. Domaći standardi materijala vijaka 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) i B8 Cl.1 je ekvivalentan B8M Cl.1. [Napomena: Materijal vijka S30408 u GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" je ekvivalentan 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" predviđaju da se prirubnice opreme pod pritiskom i spojevi prirubnica cijevi ne preporučuju za korištenje uobičajenih 304 (B8 Cl.1) i 316 (B8M Cl. . 1) Vijci materijala, posebno u uvjetima visokih temperatura i teških ciklusa, trebaju biti zamijenjeni sa B8 Cl.2 (S30408) i B8M Cl.2 kako bi se izbjegla mala sila ugradnje vijaka.
Vrijedno je napomenuti da kada se koriste materijali za vijke niske čvrstoće kao što su 304 i 316, čak i tokom faze instalacije, jer obrtni moment nije kontrolisan, vijak je možda premašio granicu tečenja materijala, ili čak slomljen. Naravno, ako dođe do curenja tokom testa pritiska ili početka rada, čak i ako se vijci i dalje zategnu, sila vijka neće ići gore i curenje se ne može zaustaviti. Osim toga, ovi vijci se ne mogu ponovo koristiti nakon rastavljanja, jer su vijci prošli kroz trajnu deformaciju, a veličina poprečnog presjeka vijaka je postala manja, a skloni su lomljenju nakon ponovne instalacije.
(1) Koje su osnovne razlike između 304, 304L, 316 i 316L materijala?
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 od nehrđajućeg čelika Američkog standarda za materijale (ANSI ili ASTM), koji pripadaju seriji 300 austenitnih nehrđajućih čelika. Razredi koji odgovaraju domaćim materijalnim standardima (GB/T) su 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Ova vrsta nehrđajućeg čelika se obično zajednički naziva 18-8 nehrđajući čelik.
Vidi tabelu 1, 304, 304L, 316 i 316L imaju različite fizičke, hemijske i mehaničke osobine zbog dodavanja legirajućih elemenata i količina. U poređenju sa običnim nehrđajućim čelikom, imaju dobru otpornost na koroziju, otpornost na toplinu i performanse obrade. Otpornost na koroziju 304L je slična onoj kod 304, ali pošto je sadržaj ugljika u 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 su bolji od onih kod 304 i 304L. Na isti način, budući da je sadržaj ugljika u 316L niži od onog u 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 205MPa, 304L je 170MPa; granica tečenja na sobnoj temperaturi od 316 je 210MPa, a 316L je 200MPa. Stoga, vijci napravljeni od njih pripadaju vijcima niske čvrstoće.
Tabela 1 Sadržaj ugljika, % Granica 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 razdvaja zaptivne površine dviju prirubnica zbog djelovanja unutrašnjeg pritiska, što rezultira odgovarajućim smanjenjem naprezanja brtve, a drugo, opuštanje sile vijka zbog puzanja relaksacije brtve ili puzanja samog vijka na visokoj temperaturi, također smanjuje naprezanje brtve, tako da prirubnički spoj curi i ne uspijeva.
U stvarnom radu, opuštanje sile vijka je neizbježno, a početna sila zatezanja vijka će uvijek opadati tokom vremena. Posebno za prirubničke spojeve pod visokom temperaturom i teškim uslovima ciklusa, nakon 10.000 sati rada, gubitak opterećenja vijaka će često premašiti 50%, a to će se smanjiti sa nastavkom vremena i povećanjem temperature.
Kada su prirubnica i vijak napravljeni od različitih materijala, posebno kada je prirubnica napravljena od ugljičnog čelika, a vijak je napravljen od nehrđajućeg čelika, koeficijent toplotnog širenja 2 materijala vijka i prirubnice je različit, kao što je koeficijent toplotnog širenja nehrđajućeg čelika na 50 °C (16,51×10-5 °C) je veći od koeficijenta toplotnog širenja ugljičnog čelika (11,12×10-5/°C). Nakon što se uređaj zagrije, kada je ekspanzija prirubnice manja od ekspanzije vijka, nakon što je deformacija koordinirana, izduženje 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 spojeni, posebno koeficijenti toplotne ekspanzije materijala prirubnice i vijaka su različiti, koeficijenti toplotne ekspanzije dva materijala bi trebali biti što bliži.
Može se vidjeti iz (1) 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 je samo 210 MPa. Stoga, kako bi se poboljšala anti-relaksacijska i anti-zamorna sposobnost vijaka, poduzimaju se mjere za povećanje sile vijaka za ugradnju. Na primjer, kada se maksimalna sila instalacijskog vijka koristi u forumu za praćenje, potrebno je da napon instalacijskih vijaka dostigne 70% granice tečenja materijala vijka, tako da se stepen čvrstoće materijala vijka mora poboljšati, a koriste se materijali od legiranog čelika visoke čvrstoće ili srednje čvrstoće. Očigledno, osim za lijevano željezo, nemetalne prirubnice ili gumene brtve, za polumetalne i metalne brtve sa prirubnicama višeg pritiska ili brtvama sa većim naprezanjem, vijci napravljeni od materijala niske čvrstoće kao što su 304 i 316, zbog sile vijka nisu dovoljni da zadovolje zahtjeve za brtvljenje.
Ono što ovdje zahtijeva posebnu pažnju 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 kroz tretman jačanja naprezanja pored tretmana čvrstim rastvorom. Iako ne postoji fundamentalna razlika u hemijskoj otpornosti između B8 Cl.2 i B8 Cl.1, mehanička čvrstoća B8 Cl.2 je značajno poboljšana u odnosu na B8 Cl.1, kao što je B8 Cl.2 sa promjerom od 3/4" Granica tečenja materijala vijka je 550MPa, dok je granica tečenja materijala vijaka B8 Cl.1 svih prečnika samo 205MPa, Razlika između njih je više nego dvostruka. Domaći standardi materijala vijaka 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) i B8 Cl.1 je ekvivalentan B8M Cl.1. [Napomena: Materijal vijka S30408 u GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" je ekvivalentan 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" predviđaju da se prirubnice opreme pod pritiskom i spojevi prirubnica cijevi ne preporučuju za korištenje uobičajenih 304 (B8 Cl.1) i 316 (B8M Cl. . 1) Vijci materijala, posebno u uvjetima visokih temperatura i teških ciklusa, trebaju biti zamijenjeni sa B8 Cl.2 (S30408) i B8M Cl.2 kako bi se izbjegla mala sila ugradnje vijaka.
Vrijedno je napomenuti da kada se koriste materijali za vijke niske čvrstoće kao što su 304 i 316, čak i tokom faze instalacije, jer obrtni moment nije kontrolisan, vijak je možda premašio granicu tečenja materijala, ili čak slomljen. Naravno, ako dođe do curenja tokom testa pritiska ili početka rada, čak i ako se vijci i dalje zategnu, sila vijka neće ići gore i curenje se ne može zaustaviti. Osim toga, ovi vijci se ne mogu ponovo koristiti nakon rastavljanja, jer su vijci prošli kroz trajnu deformaciju, a veličina poprečnog presjeka vijaka je postala manja, a skloni su lomljenju nakon ponovne instalacije.