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（dāng）碳鋼或不鏽鋼法蘭配用 304 材料螺栓時（shí），在運行狀態（tài）時（shí）常會發生泄漏問題。本文將對此作一定性的（de）剖析。
(1) 304、304L、316 和 316L 材料有什（shí）麽（me）基本區別？

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（yòng）的不鏽鋼種材料。

304、304L、316 和 316L 是材料標準(ANSI 或 ASTM)的不鏽鋼種代（dài）號，隸屬於奧氏體不鏽（xiù）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）。通常（cháng）把這類不鏽鋼統稱為 18—8不鏽鋼。
參（cān）見表 1，304、304L、316 和 316L 由（yóu）於加（jiā）入合金元素和加入量的不同，其理化和機械性能也（yě）是不同的，與普通不鏽鋼相比，它們具有良好的耐蝕性、耐熱性和加（jiā）工性能。304L 的耐蝕（shí）性與（yǔ） 304 相似，但因 304L 的含碳量比304低，故其抗晶間腐蝕能力更強。316、316L 是含鉬不鏽鋼（gāng），因添加鉬（mù）元素，故其耐蝕性和耐熱性比304、304L 更優異。同理，因316L 的含碳量比316 低，故（gù）其抗晶腐蝕能力更優良（liáng）。304、304L、316 和 316L 一類奧氏體不鏽鋼的力學強度低，304的室溫屈服（fú）強度為205MPa，304L 為 170MPa；316 的（de）室（shì）溫屈服強度為210MPa，316L 為 200MPa。因此，用它們製作的螺栓屬於低強（qiáng）度（dù）級別的螺栓。

表 1 含碳量，% 室（shì）溫屈服強度，MPa 推薦最高使用溫（wēn）度，℃

304 ≤0.08 205 816

304L ≤0.03 170 538

316 ≤0.08 210 816

316L ≤0.03 200 538

(2) 為什麽法蘭接頭不應采用 304 和 316 等一類材料的螺栓?

如前麵幾（jǐ）講所（suǒ）述，法蘭（lán）接頭一（yī）是因內（nèi）壓力（lì）作用使兩法蘭密封麵分離，引起（qǐ）墊片應（yīng）力相應減少，二是因高溫下墊片蠕變（biàn）鬆弛或螺栓本身蠕變引起螺栓（shuān）力（lì）鬆（sōng）弛（chí），同樣使墊片應力下降，以至法蘭接頭發生（shēng）泄漏失效。

實際（jì）運行中，螺栓力（lì）鬆弛是不可避免的，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循（xún）環工況的法蘭（lán）接頭，經過10000 小時運行後，螺栓載荷損（sǔn）失常會（huì）超過50%，並隨時（shí）間的延續（xù）和溫度（dù）的提高而衰減下去。

當法蘭和螺栓為不同一材料，尤其（qí）當法蘭為碳鋼，螺栓為不（bú）鏽鋼時，因螺栓（shuān）和法蘭材料的（de）熱膨脹係數2 不同，如 50℃下不鏽鋼的熱膨脹係數（16.51×10-5／℃)比碳鋼熱膨脹係數（11.12×10-5／℃)大，裝置升溫後，當法蘭的膨脹量小於螺栓的（de）膨脹量（liàng）時，在（zài）變形協調後，螺栓伸長量減小引起（qǐ）螺栓力的鬆弛，就可能導致法蘭接頭發生（shēng）泄漏。因此，高溫的設備法蘭和管法蘭接頭時，特別是法蘭和螺（luó）栓材料的熱膨脹（zhàng）係數不同，盡可能使兩（liǎng）者材（cái）料的熱膨脹（zhàng）係數（shù）相近。
由(1)可見，304 和 316 一類奧氏體不鏽鋼的力學強度低，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（lì），采取提（tí）高安裝螺栓力的措施，如在後（hòu）續的講壇中將會講到采用（yòng）最大安裝螺栓力（lì）時，要求安裝螺栓應力達到 70%的螺栓材料屈服強度，這（zhè）樣就必須提高螺栓（shuān）材料的強度等級（jí），采用高強度或中強度合金鋼螺栓（shuān）材料。顯易而見，除鑄鐵、非金屬法蘭或橡（xiàng）膠墊片外，對於（yú）壓力等級較高法蘭或墊片應力較大的半金屬和金屬墊片，304、316 這類低強度材料螺栓，因（yīn）螺栓力不夠而達（dá）不到密封要求。

這裏需要特別關注的是在不（bú）鏽（xiù）鋼螺栓材料（liào）標準中304和316分別有（yǒu）兩個類別，即304的B8 Cl.1和B8 Cl.2 以及（jí） 316 的 B8M Cl.1 和 B8M Cl.2。Cl.1 是經過碳化物（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區別，但相對（duì） B8 Cl.1，B8 Cl.2 的力學強度（dù）獲得（dé）相當提高，如（rú）直徑為3/4”的B8 Cl.2 螺栓材料的屈（qū）服強度為550MPa，而所有（yǒu）直徑的 B8 Cl.1 螺栓（shuān）材料的屈（qū）服強（qiáng）度僅為205MPa，兩者相差兩倍以上。國內螺栓（shuān）材料標準（zhǔn）中的 06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)，與B8 Cl.1 和 B8M Cl.1 相當。[注：GB/T 150.3《壓力容器第三（sān）部分設計》中的螺栓（shuān）材料 S30408 與 B8 Cl.2 相當；S31608 與 B8M Cl.1 相當。

鑒於以上原因，GB/T 150.3 和 GB／T38343《法蘭接頭安裝技術規定》中（zhōng），規定承壓設（shè）備法蘭和管法（fǎ）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工況，應更替為 B8 Cl.2(S30408) 和 B8M Cl.2，以避免（miǎn）低下的安裝螺栓力。
值得注意的（de）是當采用 304、316 這類低強度（dù）螺（luó）栓材（cái）料，甚至在安裝階段，由於沒有對扭矩進行控製，螺栓可能已超過材料屈服強度，甚至發生斷裂。自（zì）然，若耐壓試驗或開始運行（háng）就出現了泄漏，即使繼續擰緊螺栓，螺（luó）栓力也上不去，不能阻（zǔ）止泄漏。此（cǐ）外，這些螺栓拆卸後不能重複使用，因螺栓已經產生了永久變形，螺栓截麵尺寸變（biàn）小，再安裝就容易（yì）發（fā）生擰斷。

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