你知道嗎， 法蘭接頭不宜用 304 材料的螺栓

在法蘭接頭密封中，當碳鋼或不銹鋼法蘭配用 304 材料螺栓時，在運行狀態(tài)時常會發(fā)生泄漏問題。今天， 法士威就給大家講解一下法蘭墊片組合密封，為什么螺栓不建議用304材料。

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。

簡言之，能抵抗大氣腐蝕的鋼叫不銹鋼，而能抵抗化學介質腐蝕的鋼叫耐酸鋼。通常使用的不銹鋼類型為304、304L、316、316L，是美國材料標準(ANSI 或 ASTM)的不銹鋼種代號，隸屬于奧氏體不銹鋼的 300 系列一類鋼。與國內材料標準(GB/T)對應的牌號是 06Cr19Ni10（304）、022Cr19Ni10（304L）、06Cr17Ni12Mo2 （316）、022Cr17Ni12Mo2（316L）。通常把這類不銹鋼統(tǒng)稱為 18—8不銹鋼。

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。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強度低，304的室溫屈服強度為205MPa，304L 為 170MPa；316 的室溫 屈服強度為210MPa，316L 為 200MPa。因此，用它們制作的螺栓屬于低強度級別的螺栓。

304不銹鋼

304不銹鋼是普遍且應用廣泛的鋼種，具有良好的耐腐蝕性、耐熱性，低溫強度和機械特性；加工性能好，韌性高。廣泛地用于制作要求良好綜合性能（耐腐蝕和成型性）的設備和機件。在大氣中耐腐蝕，如果是工業(yè)性氣氛或重污染地區(qū)，則需要及時清潔以避免腐蝕。304不銹鋼為國家認可的食品級不銹鋼。

316不銹鋼

316與304在化學成分上的最主要區(qū)別就是316含Mo，而且一般公認，316的耐腐蝕性更好些，比304在高溫環(huán)境下更耐腐蝕?？稍诳量岬母邷貤l件下使用；加工硬化性好（加工后弱或無磁性）；固溶狀態(tài)無磁性；良好的焊接性能。使用范圍廣，比如化學、染料、造紙、草酸、肥料等生產設備，食品工業(yè)、沿海地區(qū)設施等。

牌號中的“L"

我們都知道不銹鋼包含了多種元素，而碳化物含量比一般含量減少的金屬，會在牌號后面加上一個“L”來表示——比如316L、304L。

為什么要減少碳化物呢？主要是為了防止“晶間腐蝕”。晶間腐蝕指的是金屬在高溫焊接的過程中，析出碳化物。晶間腐蝕破壞晶粒間的結合，大大降低金屬的機械強度。而且金屬表面往往仍是完好的，但不能經受敲擊，所以是一種很危險的腐蝕。

304L不銹鋼

作為低碳的304鋼，在一般狀態(tài)下，其耐腐蝕性與304鋼相似，但在焊接后或者消除應力后，其抗晶間腐蝕能力優(yōu)秀；在未進行熱處理的情況下，也能保持良好的耐蝕性，可在-196℃～800℃下使用。

316L不銹鋼

作為316鋼種的低碳系列，除與316鋼有相同的特性外，它的抗晶間腐蝕性好。它可應用于抗晶間腐蝕性要求高的產品以及化學、煤炭、石油產業(yè)的野外露天機器，化工廠等領域。較高的晶間腐蝕敏感性并不意味著非低碳材料就更容易腐蝕。在高氯環(huán)境中，這種敏感性也越高。316L的Mo含量使得該鋼種擁有很好的抗點蝕能力，可以安全的應用于含Cl－等鹵素離子環(huán)境。

為什么法蘭接頭不應采用 304 和 316 等一類材料的螺栓?

如前所述，法蘭接頭一是因內壓力作用使兩法蘭密封面分離，引起墊片應力相應減少，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，同樣使墊片應力下降，以至法蘭接頭發(fā)生泄漏失效。

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

當法蘭和螺栓為不同一材料，尤其當法蘭為碳鋼，螺栓為不銹鋼時，因螺栓和法蘭材料的熱膨脹系數2 不同，如 50℃下不銹鋼的熱膨脹系數（16.51×10-5／℃)比碳鋼熱膨脹系數（11.12×10-5／℃)大，裝置升溫后，當法蘭的膨脹量小于螺栓的膨脹量時，在變形協(xié)調后，螺栓伸長量減小引起螺栓力的松弛，就可能 導致法蘭接頭發(fā)生泄漏。因此，高溫的設備法蘭和管法蘭接頭時，特別是法蘭和螺栓材料的熱膨脹系數不同，盡可能使兩者材料的熱膨脹系數相近。

304 和 316 一類奧氏體不銹鋼的力學強度低，304 的室溫屈服強度僅為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 將會講到采用最大安裝螺栓力時，要求安裝螺栓應力達到 70%的螺栓材料屈服強度，這樣就必須提高螺栓 材料的強度等級，采用高強度或中強度合金鋼螺栓材料。顯易而見，除鑄鐵、非金屬法蘭或橡膠墊片外，對于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，因螺栓力不夠而達不到密封要求。

這里需要特別關注的是，在美國不銹鋼螺栓材料標準中304和316分別有兩個類別，即304的B8 Cl.1和B8 Cl.2 以及 316 的 B8M Cl.1 和 B8M Cl.2。Cl.1 是經過碳化物固溶處理，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(qū)別，但相對 B8 Cl.1，B8 Cl.2 的 力學強度獲得相當提高，如直徑為3/4”的B8 Cl.2 螺栓材料的屈服強度為550MPa，而所有直徑的 B8 Cl.1 螺栓材料的屈服強度僅為205MPa，兩者相差兩倍以上。國內螺栓材料標準中的 06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)，與B8 Cl.1 和 B8M Cl.1 相當。[注：GB/T 150.3《壓力容器 第三部分 設計》中的螺栓材料 S30408 與 B8 Cl.2 相當；S31608 與 B8M Cl.1 相當。

鑒于以上原因，GB/T 150.3 和 GB／T38343《法蘭接頭安裝技術規(guī)定》中，規(guī)定承壓設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。

值得注意的是當采用 304、316 這類低強度螺栓材料，甚至在安裝階段，由于沒有對扭矩進行控制，螺栓可能已超過材料屈服強度，甚至發(fā)生斷裂。自然，若耐壓試驗或開始運行就出現了泄漏，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使用，因螺栓已經產生了永久變形，螺栓截面尺寸變小，再安裝就容易發(fā)生擰斷。