2022年11月14日
フランジジョイントシーリング - ボルトに304材料が推奨されないのはなぜですか?
炭素鋼またはステンレス鋼のフランジをフランジジョイントシールに304材料ボルトで使用すると、操作中に漏れの問題が発生することがよくあります。本講義では、これを定性的に分析する。
(1)304、304L、316、316Lの基本的な違いは何ですか?
304、304L、316、316Lは、フランジ、シーリングエレメント、ファスナーなどのフランジジョイントで一般的に使用されるステンレス鋼グレードです。
304、304L、316、および316Lは、オーステナイト系ステンレス鋼の300シリーズに属する材料(ANSIまたはASTM)のステンレス鋼グレードの指定です。国内材料規格(GB/T)に対応するグレードは、06Cr19Ni10(304)、022Cr19Ni10(304L)、06Cr17Ni12Mo2(316)、022Cr17Ni12Mo2(316L)です。このタイプのステンレス鋼は、通常、総称して18-8ステンレス鋼と呼ばれます。
表1、304、304L、316、および316Lは、合金元素と量の添加により、物理的、化学的、機械的特性が異なります。通常のステンレス鋼と比較して、優れた耐食性、耐熱性、加工性能を備えています。304Lの耐食性は304と似ていますが、304Lの炭素含有量が304よりも低いため、粒界腐食に対する耐性が強くなります。316、316Lはモリブデン含有ステンレス鋼です。モリブデンの添加により、304や304Lよりも耐食性と耐熱性が向上しています。同様に、316Lの炭素含有量は316の炭素含有量よりも低いため、結晶腐食に抵抗する能力が優れています。304、304L、316、316Lなどのオーステナイト系ステンレス鋼は、機械的強度が低いです。304の室温降伏強度は205MPa、304Lは170MPaです。室温降伏強度は316が210MPa、316Lが200MPaです。したがって、それらで作られたボルトは、低強度グレードのボルトに属します。
表1 炭素含有量、室温降伏強度、MPa推奨最大使用温度、°C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2)フランジジョイントに304や316などの材料のボルトを使用してはいけないのはなぜですか?
前の講義で述べたように、フランジジョイントは、まず内圧の作用により2つのフランジのシール面を分離し、ガスケットの応力がそれに応じて減少し、次に、ガスケットのクリープ緩和または高温でのボルト自体のクリープによるボルト力の緩和、 また、ガスケットの応力を軽減し、フランジジョイントが漏れて故障します。
実際の運用では、ボルト力の緩和は避けられず、最初の締め付けボルト力は時間の経過とともに常に低下します。特に高温で過酷なサイクル条件下でのフランジジョイントの場合、10,000時間の運転後、ボルトの荷重損失は50%を超えることが多く、時間の経過と温度の上昇に伴って減衰します。
フランジとボルトが異なる材料で作られている場合、特にフランジが炭素鋼で作られ、ボルトがステンレス鋼で作られている場合、ボルトとフランジの材料の熱膨張係数2は、50°C(16.51×10-5 /°C)でのステンレス鋼の熱膨張係数が炭素鋼(11.12×10-5 /°C)よりも大きいなど、異なります。装置が加熱された後、フランジの膨張がボルトの膨張よりも小さいとき、変形が調整された後、ボルトの伸びが減少し、ボルトの力が減少します。緩みがあると、フランジジョイントに漏れの原因になります。したがって、高温機器のフランジとパイプのフランジを接続する場合、特にフランジとボルトの材料の熱膨張係数が異なる場合、2つの材料の熱膨張係数はできるだけ近づける必要があります。
(1)から、304や316などのオーステナイト系ステンレス鋼の機械的強度は低く、304の室温降伏強度は205MPa、316のそれでは210MPaしかありません。したがって、ボルトの抗弛緩および抗疲労能力を向上させるために、設置ボルトのボルト力を増加させるための対策が取られています。例えば、フォローアップフォーラムで最大の設置ボルト力を使用する場合、ボルト材料の強度グレードを改善する必要があり、高強度または中強度の合金鋼ボルト材料が使用されるように、設置ボルトの応力がボルト材料の降伏強度の70%に達する必要があります。明らかに、鋳鉄、非金属フランジまたはゴム製ガスケットを除いて、高圧グレードのフランジまたはより大きな応力のガスケットを備えた半金属および金属ガスケットの場合、ボルト力により、304や316などの低強度材料で作られたボルトは、シーリング要件を満たすのに十分ではありません。
ここで特別な注意が必要なのは、アメリカのステンレス鋼ボルト材料規格では、304と316には2つのカテゴリ、すなわち304のB8 Cl.1とB8 Cl.2、および316のB8M Cl.1とB8M Cl.2があることです。Cl.1は炭化物で処理された固溶体ですが、Cl.2は固溶体処理に加えてひずみ強化処理が施されています。B8 Cl.2とB8 Cl.1の間に耐薬品性に根本的な違いはありませんが、B8 Cl.2の機械的強度は、直径が3/4インチのB8 Cl.2など、B8 Cl.1に比べて大幅に向上しています。 両者の差は2倍以上です。国内のボルト材料規格06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)、およびB8 Cl.1はB8M Cl.1と同等です[注:GB / T 150.3「圧力容器パート3設計」のボルト材料S30408はB8 Cl.2に相当します。S31608はB8M Cl.1に相当します。
上記の理由から、GB / T 150.3およびGB / T38343「フランジジョイントの取り付けに関する技術規則」では、圧力機器およびパイプフランジジョイントのフランジが通常の304(B8 Cl.1)および316(B8M Cl.)を使用することは推奨されないと規定されています。1)材料のボルトは、特に高温および厳しいサイクル条件で、低い取り付けボルト力を避けるために、B8 Cl.2(S30408)およびB8M Cl.2と交換する必要があります。
なお、304や316などの低強度ボルト材料を使用した場合、設置段階でもトルクが制御されていないため、ボルトが材料の降伏強度を超えたり、破断したりすることがあります。当然のことながら、圧力試験中や運転開始時に漏れが発生すると、ボルトを締め続けてもボルトの力が上がらず、漏れを止めることができません。また、これらのボルトは分解後は、ボルトが永久変形し、ボルトの断面積が小さくなっているため、再取り付け後に破損しやすくなります。
(1)304、304L、316、316Lの基本的な違いは何ですか?
304、304L、316、316Lは、フランジ、シーリングエレメント、ファスナーなどのフランジジョイントで一般的に使用されるステンレス鋼グレードです。
304、304L、316、および316Lは、オーステナイト系ステンレス鋼の300シリーズに属する材料(ANSIまたはASTM)のステンレス鋼グレードの指定です。国内材料規格(GB/T)に対応するグレードは、06Cr19Ni10(304)、022Cr19Ni10(304L)、06Cr17Ni12Mo2(316)、022Cr17Ni12Mo2(316L)です。このタイプのステンレス鋼は、通常、総称して18-8ステンレス鋼と呼ばれます。
表1、304、304L、316、および316Lは、合金元素と量の添加により、物理的、化学的、機械的特性が異なります。通常のステンレス鋼と比較して、優れた耐食性、耐熱性、加工性能を備えています。304Lの耐食性は304と似ていますが、304Lの炭素含有量が304よりも低いため、粒界腐食に対する耐性が強くなります。316、316Lはモリブデン含有ステンレス鋼です。モリブデンの添加により、304や304Lよりも耐食性と耐熱性が向上しています。同様に、316Lの炭素含有量は316の炭素含有量よりも低いため、結晶腐食に抵抗する能力が優れています。304、304L、316、316Lなどのオーステナイト系ステンレス鋼は、機械的強度が低いです。304の室温降伏強度は205MPa、304Lは170MPaです。室温降伏強度は316が210MPa、316Lが200MPaです。したがって、それらで作られたボルトは、低強度グレードのボルトに属します。
表1 炭素含有量、室温降伏強度、MPa推奨最大使用温度、°C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2)フランジジョイントに304や316などの材料のボルトを使用してはいけないのはなぜですか?
前の講義で述べたように、フランジジョイントは、まず内圧の作用により2つのフランジのシール面を分離し、ガスケットの応力がそれに応じて減少し、次に、ガスケットのクリープ緩和または高温でのボルト自体のクリープによるボルト力の緩和、 また、ガスケットの応力を軽減し、フランジジョイントが漏れて故障します。
実際の運用では、ボルト力の緩和は避けられず、最初の締め付けボルト力は時間の経過とともに常に低下します。特に高温で過酷なサイクル条件下でのフランジジョイントの場合、10,000時間の運転後、ボルトの荷重損失は50%を超えることが多く、時間の経過と温度の上昇に伴って減衰します。
フランジとボルトが異なる材料で作られている場合、特にフランジが炭素鋼で作られ、ボルトがステンレス鋼で作られている場合、ボルトとフランジの材料の熱膨張係数2は、50°C(16.51×10-5 /°C)でのステンレス鋼の熱膨張係数が炭素鋼(11.12×10-5 /°C)よりも大きいなど、異なります。装置が加熱された後、フランジの膨張がボルトの膨張よりも小さいとき、変形が調整された後、ボルトの伸びが減少し、ボルトの力が減少します。緩みがあると、フランジジョイントに漏れの原因になります。したがって、高温機器のフランジとパイプのフランジを接続する場合、特にフランジとボルトの材料の熱膨張係数が異なる場合、2つの材料の熱膨張係数はできるだけ近づける必要があります。
(1)から、304や316などのオーステナイト系ステンレス鋼の機械的強度は低く、304の室温降伏強度は205MPa、316のそれでは210MPaしかありません。したがって、ボルトの抗弛緩および抗疲労能力を向上させるために、設置ボルトのボルト力を増加させるための対策が取られています。例えば、フォローアップフォーラムで最大の設置ボルト力を使用する場合、ボルト材料の強度グレードを改善する必要があり、高強度または中強度の合金鋼ボルト材料が使用されるように、設置ボルトの応力がボルト材料の降伏強度の70%に達する必要があります。明らかに、鋳鉄、非金属フランジまたはゴム製ガスケットを除いて、高圧グレードのフランジまたはより大きな応力のガスケットを備えた半金属および金属ガスケットの場合、ボルト力により、304や316などの低強度材料で作られたボルトは、シーリング要件を満たすのに十分ではありません。
ここで特別な注意が必要なのは、アメリカのステンレス鋼ボルト材料規格では、304と316には2つのカテゴリ、すなわち304のB8 Cl.1とB8 Cl.2、および316のB8M Cl.1とB8M Cl.2があることです。Cl.1は炭化物で処理された固溶体ですが、Cl.2は固溶体処理に加えてひずみ強化処理が施されています。B8 Cl.2とB8 Cl.1の間に耐薬品性に根本的な違いはありませんが、B8 Cl.2の機械的強度は、直径が3/4インチのB8 Cl.2など、B8 Cl.1に比べて大幅に向上しています。 両者の差は2倍以上です。国内のボルト材料規格06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)、およびB8 Cl.1はB8M Cl.1と同等です[注:GB / T 150.3「圧力容器パート3設計」のボルト材料S30408はB8 Cl.2に相当します。S31608はB8M Cl.1に相当します。
上記の理由から、GB / T 150.3およびGB / T38343「フランジジョイントの取り付けに関する技術規則」では、圧力機器およびパイプフランジジョイントのフランジが通常の304(B8 Cl.1)および316(B8M Cl.)を使用することは推奨されないと規定されています。1)材料のボルトは、特に高温および厳しいサイクル条件で、低い取り付けボルト力を避けるために、B8 Cl.2(S30408)およびB8M Cl.2と交換する必要があります。
なお、304や316などの低強度ボルト材料を使用した場合、設置段階でもトルクが制御されていないため、ボルトが材料の降伏強度を超えたり、破断したりすることがあります。当然のことながら、圧力試験中や運転開始時に漏れが発生すると、ボルトを締め続けてもボルトの力が上がらず、漏れを止めることができません。また、これらのボルトは分解後は、ボルトが永久変形し、ボルトの断面積が小さくなっているため、再取り付け後に破損しやすくなります。