14 نوامبر 2022
آب بندی مفصل فلنج - چرا مواد 304 برای پیچ و مهره توصیه نمی شود؟
هنگامی که از فلنج های فولاد کربنی یا فولاد ضد زنگ با پیچ و مهره های مواد 304 در آب بندی اتصال فلنج استفاده می شود، مشکلات نشتی اغلب در حین کار رخ می دهد. این درس یک تحلیل کیفی از این موضوع انجام می دهد.
(1) تفاوت های اساسی بین مواد 304 ، 304L ، 316 و 316L چیست؟
304 ، 304L ، 316 و 316L گریدهای فولاد ضد زنگ هستند که معمولا در اتصالات فلنج از جمله فلنج ، عناصر آب بندی و اتصال دهنده ها استفاده می شوند.
304 ، 304L ، 316 و 316L نامگذاری های درجه فولاد ضد زنگ استاندارد آمریکایی مواد (ANSI یا ASTM) هستند که متعلق به سری 300 فولادهای زنگ نزن آستنیتی هستند. نمرات مربوط به استانداردهای مواد داخلی (GB / T) 06Cr19Ni10 (304) ، 022Cr19Ni10 (304L) ، 06Cr17Ni12Mo2 (316) ، 022Cr17Ni12Mo2 (316L) است. این نوع فولاد ضد زنگ معمولا در مجموع به عنوان فولاد ضد زنگ 18-8 شناخته می شود.
جدول 1، 304، 304L، 316 و 316L را ببینید که به دلیل افزودن عناصر و مقادیر آلیاژی دارای خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی متفاوتی هستند. در مقایسه با فولاد ضد زنگ معمولی، آنها مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر حرارت و عملکرد پردازش خوبی دارند. مقاومت در برابر خوردگی 304L مشابه 304 است، اما از آنجایی که محتوای کربن 304L کمتر از 304 است، مقاومت آن در برابر خوردگی بین دانه ای قوی تر است. 316 و 316L فولادهای ضد زنگ حاوی مولیبدن هستند. به دلیل افزودن مولیبدن، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت حرارتی آنها بهتر از 304 و 304L است. به همین ترتیب ، از آنجا که محتوای کربن 316L کمتر از 316 است ، توانایی آن در مقاومت در برابر خوردگی کریستال بهتر است. فولادهای زنگ نزن آستنیتی مانند 304، 304L، 316 و 316L دارای مقاومت مکانیکی پایینی هستند. قدرت عملکرد دمای اتاق 304 205MPa، 304L 170MPa است. قدرت عملکرد دمای اتاق 316 210 مگاپاسکال و 316 لیتر 200 مگاپاسکال است. بنابراین پیچ و مهره های ساخته شده از آنها متعلق به پیچ و مهره های درجه کم است.
جدول 1 محتوای کربن ، ٪ قدرت عملکرد دمای اتاق ، MPa حداکثر دمای سرویس توصیه شده ، درجه سانتیگراد
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) چرا اتصالات فلنج نباید از پیچ و مهره موادی مانند 304 و 316 استفاده کنند؟
همانطور که در سخنرانی های قبلی ذکر شد، اتصال فلنج ابتدا سطوح آب بندی دو فلنج را به دلیل عمل فشار داخلی جدا می کند و در نتیجه تنش واشر کاهش می یابد و ثانیا شل شدن نیروی پیچ به دلیل شل شدن خزش واشر یا خزش خود پیچ در دمای بالا. همچنین تنش واشر را کاهش می دهد ، به طوری که اتصال فلنج نشت می کند و از کار می افتد.
در عملیات واقعی، شل شدن نیروی پیچ اجتناب ناپذیر است و نیروی پیچ سفت کننده اولیه همیشه با گذشت زمان کاهش می یابد. به خصوص برای اتصالات فلنج در دمای بالا و شرایط چرخه شدید، پس از 10000 ساعت کار، افت بار پیچ اغلب از 50٪ فراتر می رود و با ادامه زمان و افزایش دما کاهش می یابد.
هنگامی که فلنج و پیچ از مواد مختلفی ساخته شده اند، به خصوص زمانی که فلنج از فولاد کربنی ساخته شده و پیچ از فولاد ضد زنگ ساخته شده باشد، ضریب انبساط حرارتی 2 مواد پیچ و فلنج متفاوت است، مانند ضریب انبساط حرارتی فولاد ضد زنگ در دمای 50 درجه سانتیگراد (16.51×10-5 / °C) بزرگتر از ضریب انبساط حرارتی فولاد کربن (11.12×10-5/°C) است. پس از گرم شدن دستگاه، زمانی که انبساط فلنج کوچکتر از انبساط پیچ است، پس از هماهنگی تغییر شکل، ازدیاد طول پیچ کاهش می یابد و باعث کاهش نیروی پیچ می شود. در صورت وجود هرگونه شل شدن، ممکن است باعث نشتی در مفصل فلنج شود. بنابراین زمانی که فلنج تجهیزات با دمای بالا و فلنج لوله به هم متصل می شوند، به خصوص ضرایب انبساط حرارتی فلنج و مواد پیچ متفاوت است، ضرایب انبساط حرارتی دو ماده باید تا حد امکان نزدیک باشد.
از (1) می توان دریافت که مقاومت مکانیکی فولاد ضد زنگ آستنیتی مانند 304 و 316 کم است و استحکام عملکرد دمای اتاق 304 تنها 205 مگاپاسکال و 316 تنها 210 مگاپاسکال است. بنابراین به منظور بهبود قابلیت ضد آرامش و ضد خستگی پیچ و مهره ها، اقداماتی برای افزایش نیروی پیچ پیچ و مهره های نصب انجام می شود. به عنوان مثال ، هنگامی که حداکثر نیروی پیچ و مهره نصب در انجمن پیگیری استفاده می شود ، لازم است که تنش پیچ و مهره های نصب به 70٪ استحکام تسلیم مواد پیچ برسد ، به طوری که درجه مقاومت مواد پیچ و مهره باید بهبود یابد و از مواد پیچ و مهره فولادی آلیاژی با مقاومت بالا یا متوسط استفاده شود. بدیهی است که به جز چدن، فلنج های غیر فلزی یا واشرهای لاستیکی، برای واشرهای نیمه فلزی و فلزی با فلنج های درجه فشار بالاتر یا واشرهایی با تنش بیشتر، پیچ و مهره های ساخته شده از مواد کم مقاومت مانند 304 و 316، به دلیل نیروی پیچ و مهره برای برآورده کردن الزامات آب بندی کافی نیست.
آنچه در اینجا نیاز به توجه ویژه دارد این است که در استاندارد مواد پیچ و مهره فولاد ضد زنگ آمریکا، 304 و 316 دارای دو دسته یعنی B8 Cl.1 و B8 Cl.2 از 304 و B8M Cl.1 و B8M Cl.2 از 316 هستند. Cl.1 محلول جامد درمان شده با کاربیدها است، در حالی که Cl.2 علاوه بر درمان محلول جامد، تحت درمان تقویت کرنش قرار می گیرد. اگرچه هیچ تفاوت اساسی در مقاومت شیمیایی بین B8 Cl.2 و B8 Cl.1 وجود ندارد ، اما مقاومت مکانیکی B8 Cl.2 نسبت به B8 Cl.1 به طور قابل توجهی بهبود یافته است ، مانند B8 Cl.2 با قطر 3/4 اینچ مقاومت تسلیم مواد پیچ 550 مگاپاسکال است ، در حالی که مقاومت تسلیم مواد پیچ B8 Cl.1 در تمام قطرها فقط 205 مگاپاسکال است ، تفاوت بین این دو بیش از دو برابر است. استانداردهای مواد پیچ و مهره داخلی 06Cr19Ni10 (304) ، 06Cr17Ni12Mo2 (316) و B8 Cl.1 معادل B8M Cl.1 است. [توجه: مواد پیچ S30408 در GB / T 150.3 "طراحی مخزن تحت فشار قسمت سه" معادل B8 Cl.2 است. S31608 معادل B8M Cl.1 است.
با توجه به دلایل فوق، GB/T 150.3 و GB/T38343 "مقررات فنی برای نصب اتصال فلنج" تصریح می کند که فلنج های تجهیزات فشار و اتصالات فلنج لوله برای استفاده از 304 (B8 Cl.1) و 316 (B8M Cl. ) معمول توصیه نمی شود. 1) پیچ و مهره های مواد، به ویژه در دمای بالا و شرایط چرخه شدید، باید با B8 Cl.2 (S30408) و B8M Cl.2 جایگزین شوند تا از نیروی پیچ و مهره نصب کم جلوگیری شود.
شایان ذکر است که هنگامی که از مواد پیچ و مهره کم مقاومت مانند 304 و 316 استفاده می شود، حتی در مرحله نصب، به دلیل عدم کنترل گشتاور، ممکن است پیچ از استحکام تسلیم مواد فراتر رفته باشد یا حتی شکسته شده باشد. به طور طبیعی، اگر نشتی در حین آزمایش فشار یا شروع کار رخ دهد، حتی اگر پیچ ها همچنان سفت شوند، نیروی پیچ افزایش نمی یابد و نشتی را نمی توان متوقف کرد. علاوه بر این، این پیچ ها پس از جداسازی قابل استفاده مجدد نیستند، زیرا پیچ ها دچار تغییر شکل دائمی شده اند و اندازه سطح مقطع پیچ ها کوچکتر شده است و پس از نصب مجدد مستعد شکستگی هستند.
(1) تفاوت های اساسی بین مواد 304 ، 304L ، 316 و 316L چیست؟
304 ، 304L ، 316 و 316L گریدهای فولاد ضد زنگ هستند که معمولا در اتصالات فلنج از جمله فلنج ، عناصر آب بندی و اتصال دهنده ها استفاده می شوند.
304 ، 304L ، 316 و 316L نامگذاری های درجه فولاد ضد زنگ استاندارد آمریکایی مواد (ANSI یا ASTM) هستند که متعلق به سری 300 فولادهای زنگ نزن آستنیتی هستند. نمرات مربوط به استانداردهای مواد داخلی (GB / T) 06Cr19Ni10 (304) ، 022Cr19Ni10 (304L) ، 06Cr17Ni12Mo2 (316) ، 022Cr17Ni12Mo2 (316L) است. این نوع فولاد ضد زنگ معمولا در مجموع به عنوان فولاد ضد زنگ 18-8 شناخته می شود.
جدول 1، 304، 304L، 316 و 316L را ببینید که به دلیل افزودن عناصر و مقادیر آلیاژی دارای خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی متفاوتی هستند. در مقایسه با فولاد ضد زنگ معمولی، آنها مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر حرارت و عملکرد پردازش خوبی دارند. مقاومت در برابر خوردگی 304L مشابه 304 است، اما از آنجایی که محتوای کربن 304L کمتر از 304 است، مقاومت آن در برابر خوردگی بین دانه ای قوی تر است. 316 و 316L فولادهای ضد زنگ حاوی مولیبدن هستند. به دلیل افزودن مولیبدن، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت حرارتی آنها بهتر از 304 و 304L است. به همین ترتیب ، از آنجا که محتوای کربن 316L کمتر از 316 است ، توانایی آن در مقاومت در برابر خوردگی کریستال بهتر است. فولادهای زنگ نزن آستنیتی مانند 304، 304L، 316 و 316L دارای مقاومت مکانیکی پایینی هستند. قدرت عملکرد دمای اتاق 304 205MPa، 304L 170MPa است. قدرت عملکرد دمای اتاق 316 210 مگاپاسکال و 316 لیتر 200 مگاپاسکال است. بنابراین پیچ و مهره های ساخته شده از آنها متعلق به پیچ و مهره های درجه کم است.
جدول 1 محتوای کربن ، ٪ قدرت عملکرد دمای اتاق ، MPa حداکثر دمای سرویس توصیه شده ، درجه سانتیگراد
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) چرا اتصالات فلنج نباید از پیچ و مهره موادی مانند 304 و 316 استفاده کنند؟
همانطور که در سخنرانی های قبلی ذکر شد، اتصال فلنج ابتدا سطوح آب بندی دو فلنج را به دلیل عمل فشار داخلی جدا می کند و در نتیجه تنش واشر کاهش می یابد و ثانیا شل شدن نیروی پیچ به دلیل شل شدن خزش واشر یا خزش خود پیچ در دمای بالا. همچنین تنش واشر را کاهش می دهد ، به طوری که اتصال فلنج نشت می کند و از کار می افتد.
در عملیات واقعی، شل شدن نیروی پیچ اجتناب ناپذیر است و نیروی پیچ سفت کننده اولیه همیشه با گذشت زمان کاهش می یابد. به خصوص برای اتصالات فلنج در دمای بالا و شرایط چرخه شدید، پس از 10000 ساعت کار، افت بار پیچ اغلب از 50٪ فراتر می رود و با ادامه زمان و افزایش دما کاهش می یابد.
هنگامی که فلنج و پیچ از مواد مختلفی ساخته شده اند، به خصوص زمانی که فلنج از فولاد کربنی ساخته شده و پیچ از فولاد ضد زنگ ساخته شده باشد، ضریب انبساط حرارتی 2 مواد پیچ و فلنج متفاوت است، مانند ضریب انبساط حرارتی فولاد ضد زنگ در دمای 50 درجه سانتیگراد (16.51×10-5 / °C) بزرگتر از ضریب انبساط حرارتی فولاد کربن (11.12×10-5/°C) است. پس از گرم شدن دستگاه، زمانی که انبساط فلنج کوچکتر از انبساط پیچ است، پس از هماهنگی تغییر شکل، ازدیاد طول پیچ کاهش می یابد و باعث کاهش نیروی پیچ می شود. در صورت وجود هرگونه شل شدن، ممکن است باعث نشتی در مفصل فلنج شود. بنابراین زمانی که فلنج تجهیزات با دمای بالا و فلنج لوله به هم متصل می شوند، به خصوص ضرایب انبساط حرارتی فلنج و مواد پیچ متفاوت است، ضرایب انبساط حرارتی دو ماده باید تا حد امکان نزدیک باشد.
از (1) می توان دریافت که مقاومت مکانیکی فولاد ضد زنگ آستنیتی مانند 304 و 316 کم است و استحکام عملکرد دمای اتاق 304 تنها 205 مگاپاسکال و 316 تنها 210 مگاپاسکال است. بنابراین به منظور بهبود قابلیت ضد آرامش و ضد خستگی پیچ و مهره ها، اقداماتی برای افزایش نیروی پیچ پیچ و مهره های نصب انجام می شود. به عنوان مثال ، هنگامی که حداکثر نیروی پیچ و مهره نصب در انجمن پیگیری استفاده می شود ، لازم است که تنش پیچ و مهره های نصب به 70٪ استحکام تسلیم مواد پیچ برسد ، به طوری که درجه مقاومت مواد پیچ و مهره باید بهبود یابد و از مواد پیچ و مهره فولادی آلیاژی با مقاومت بالا یا متوسط استفاده شود. بدیهی است که به جز چدن، فلنج های غیر فلزی یا واشرهای لاستیکی، برای واشرهای نیمه فلزی و فلزی با فلنج های درجه فشار بالاتر یا واشرهایی با تنش بیشتر، پیچ و مهره های ساخته شده از مواد کم مقاومت مانند 304 و 316، به دلیل نیروی پیچ و مهره برای برآورده کردن الزامات آب بندی کافی نیست.
آنچه در اینجا نیاز به توجه ویژه دارد این است که در استاندارد مواد پیچ و مهره فولاد ضد زنگ آمریکا، 304 و 316 دارای دو دسته یعنی B8 Cl.1 و B8 Cl.2 از 304 و B8M Cl.1 و B8M Cl.2 از 316 هستند. Cl.1 محلول جامد درمان شده با کاربیدها است، در حالی که Cl.2 علاوه بر درمان محلول جامد، تحت درمان تقویت کرنش قرار می گیرد. اگرچه هیچ تفاوت اساسی در مقاومت شیمیایی بین B8 Cl.2 و B8 Cl.1 وجود ندارد ، اما مقاومت مکانیکی B8 Cl.2 نسبت به B8 Cl.1 به طور قابل توجهی بهبود یافته است ، مانند B8 Cl.2 با قطر 3/4 اینچ مقاومت تسلیم مواد پیچ 550 مگاپاسکال است ، در حالی که مقاومت تسلیم مواد پیچ B8 Cl.1 در تمام قطرها فقط 205 مگاپاسکال است ، تفاوت بین این دو بیش از دو برابر است. استانداردهای مواد پیچ و مهره داخلی 06Cr19Ni10 (304) ، 06Cr17Ni12Mo2 (316) و B8 Cl.1 معادل B8M Cl.1 است. [توجه: مواد پیچ S30408 در GB / T 150.3 "طراحی مخزن تحت فشار قسمت سه" معادل B8 Cl.2 است. S31608 معادل B8M Cl.1 است.
با توجه به دلایل فوق، GB/T 150.3 و GB/T38343 "مقررات فنی برای نصب اتصال فلنج" تصریح می کند که فلنج های تجهیزات فشار و اتصالات فلنج لوله برای استفاده از 304 (B8 Cl.1) و 316 (B8M Cl. ) معمول توصیه نمی شود. 1) پیچ و مهره های مواد، به ویژه در دمای بالا و شرایط چرخه شدید، باید با B8 Cl.2 (S30408) و B8M Cl.2 جایگزین شوند تا از نیروی پیچ و مهره نصب کم جلوگیری شود.
شایان ذکر است که هنگامی که از مواد پیچ و مهره کم مقاومت مانند 304 و 316 استفاده می شود، حتی در مرحله نصب، به دلیل عدم کنترل گشتاور، ممکن است پیچ از استحکام تسلیم مواد فراتر رفته باشد یا حتی شکسته شده باشد. به طور طبیعی، اگر نشتی در حین آزمایش فشار یا شروع کار رخ دهد، حتی اگر پیچ ها همچنان سفت شوند، نیروی پیچ افزایش نمی یابد و نشتی را نمی توان متوقف کرد. علاوه بر این، این پیچ ها پس از جداسازی قابل استفاده مجدد نیستند، زیرا پیچ ها دچار تغییر شکل دائمی شده اند و اندازه سطح مقطع پیچ ها کوچکتر شده است و پس از نصب مجدد مستعد شکستگی هستند.