Sigillatura articolare flangia - Perché 304 bulloni non sono raccomandati

Sigillatura articolare flangia - Perché 304 bulloni non sono raccomandati

Nella fabbrica di valvola di controllo della Cina C63200, incontriamo spesso problemi di perdita quando le flange in acciaio al carbonio o in acciaio inossidabile sono abbinate a 304 bulloni durante il funzionamento. Questo articolo fornisce un'analisi qualitativa di questo fenomeno.

1. Differenze di base tra 304, 304l, 316 e 316l Materialei
304, 304L, 316 e 316L sono acciai inossidabili comunemente usati per giunti in flangia, tra cui flange, elementi di tenuta e dispositivi di fissaggio. Questi gradi appartengono agli acciai inossidabili austenitici della serie 300 sotto gli standard di materiali americani (ANSI o ASTM). I loro corrispondenti gradi di materiale cinese (GB/T) sono 06CR19NI10 (304), 022CR19NI10 (304L), 06CR17NI12MO2 (316) e 022CR17NI12MO2 (316L). Collettivamente, sono indicati come acciai inossidabile 18-8.
Come mostrato nella Tabella 1, le differenze nella composizione in lega portano a diverse proprietà fisiche, chimiche e meccaniche. Rispetto agli acciai inossidabili ordinari, offrono una buona resistenza alla corrosione, resistenza al calore e lavorabilità. 304L ha una resistenza alla corrosione simile a 304 ma, a causa del suo minor contenuto di carbonio, fornisce una migliore resistenza alla corrosione intergranulare. 316 e 316L sono acciai inossidabili contenenti molibdeno, che offrono una corrosione e una resistenza al calore superiori rispetto a 304 e 304L. Allo stesso modo, il minor contenuto di carbonio di 316L fornisce una migliore resistenza alla corrosione intergranulare.
La resistenza meccanica di questi acciai inossidabili austenitici è relativamente bassa. I punti di forza di snervamento a temperatura ambiente sono: 304-205 MPa, 304L-170 MPa, 316-210 MPa e 316L-200 MPa. Pertanto, i bulloni realizzati con questi materiali sono considerati bulloni a bassa resistenza.

Tabella 1: contenuto di carbonio, resistenza alla cessione della temperatura ambiente e temperatura operativa consigliata

2. Perché i bulloni 304 e 316 non sono raccomandati per i giunti della flangia
Come discusso in precedenza, i giunti alla flangia possono sperimentare perdite a causa di due fattori principali: in primo luogo, la pressione interna può separare le superfici di tenuta, riducendo lo stress della guarnizione; In secondo luogo, ad alte temperature, il rilassamento del bullone o il creep di guarnizione possono ridurre il precarico del bullone, causando la caduta dello stress da guarnizione e con conseguente perdita.
Il rilassamento del bullone nel tempo è inevitabile. Anche i bulloni inizialmente serrati alla coppia corretta perde gradualmente il precarico, in particolare in condizioni di alta temperatura o cicliche. Dopo 10.000 ore di funzionamento, la perdita di carico dei bulloni può superare il 50%e questo continua con un funzionamento prolungato e temperature più elevate.
Quando la flangia e il bullone sono realizzati con materiali diversi, in particolare quando le flange sono in acciaio al carbonio e i bulloni sono in acciaio inossidabile, la differenza nei coefficienti di espansione termica può esacerbare il rilassamento del bullone. Ad esempio, a 50 ° C, il coefficiente di espansione termica di acciaio inossidabile (16,51 × 10⁻⁶ /° C) è superiore a quello dell'acciaio al carbonio (11,12 × 10⁻⁶ /° C). Man mano che il sistema si riscalda, i bulloni si allungano più della flangia, riducendo il precarico dei bulloni e potenzialmente causando perdite. Pertanto, per le apparecchiature ad alta temperatura, si raccomanda che i materiali di flangia e bullone abbiano simili coefficienti di espansione termica.
Dalla sezione 1, è evidente la bassa resistenza meccanica di 304 e 316 acciai inossidabili (resistenza a snervamento 205–210 MPa). Per migliorare la resistenza ai bulloni al rilassamento e alla fatica, è necessario aumentare il precarico dell'installazione. Ad esempio, il raggiungimento del 70% del materiale del bullone "la resistenza alla snervamento durante l'installazione richiede materiali per bulloni a forza più elevata, come acciaio in lega di media o alta resistenza. Chiaramente, per le flange ad alta pressione o per le guarnizioni semi-metalliche e metalliche, 304 a bassa forza 304 e 316 bulloni non possono soddisfare i requisiti di tenuta a causa di una forza insufficiente.
È importante notare che negli standard statunitensi in acciaio inossidabile, 304 e 316 hanno due classi ciascuna: 304 (B8 Cl.1 e B8 Cl.2) e 316 (B8M Cl.1 e B8M CL.2). I bulloni Cl.1 sono anneali di soluzione, mentre i bulloni Cl.2 sono inoltre lavorati a freddo. Sebbene B8 Cl.2 e B8 Cl.1 abbiano una simile resistenza alla corrosione, B8 Cl.2 presenta una resistenza meccanica significativamente più alta. Ad esempio, un bullone da 3/4 "B8 Cl.2 ha una resistenza alla snervamento di 550 MPa, più del doppio di quella di B8 Cl.1 (205 MPa). Standard cinesi 06CR19NI10 (304) e 06CR17NI12MO2 (316) corrispondono a B8 Cl.1 e B8M Cl.1.
Per questi motivi, gli standard GB/T 150.3 e GB/T 38343 raccomandano di evitare bulloni standard 304 (B8 Cl.1) e 316 (B8M CL.1) per flange di attrezzatura a pressione, in particolare a condizioni ad alta temperatura o cicliche. Invece, B8 CL.2 (S30408) e bulloni B8M CL.2 devono essere utilizzati per prevenire il precarico di bulloni insufficienti.
Vale anche la pena notare che i bulloni a bassa resistenza come 304 e 316 possono produrre o addirittura frattura durante l'installazione se la coppia non è correttamente controllata. Una volta che questi bulloni sono deformati, non possono essere riutilizzati, poiché la loro sezione trasversale si è ridotta permanentemente, aumentando il rischio di fallimento durante la reinstallazione.