2022年11月14日
フランジジョイントシーリング - 304材料がボルトに推奨されないのはなぜですか?
フランジジョイントシーリングで炭素鋼またはステンレス鋼のフランジを304個の材料ボルトとともに使用する場合、動作中に漏れの問題が頻繁に発生します。本講義では、これを質的に分析する。
(1)304、304L、316、316Lの素材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付き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、300シリーズのオーステナイト系ステンレス鋼に属する米国材料規格(ANSIまたはASTM)のステンレス鋼グレード指定です。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、まとめて18-8ステンレス鋼と呼ばれます。
表1を参照のこと、304、304L、316および316Lは、合金元素および量の添加により、異なる物理的、化学的および機械的特性を有する。通常のステンレス鋼と比較して、耐食性、耐熱性、加工性能に優れています。304Lの耐食性は304と同様ですが、304Lの炭素含有量は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および316Lはモリブデン含有ステンレス鋼である。モリブデンの添加により、耐食性、耐熱性は304や304Lよりも優れています。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、結晶腐食に耐え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。304の室温降伏強度は205MPaであり、304Lは170MPaである。316の室温降伏強度は210MPa、316Lは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 推奨最高使用温度、°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すべきでは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、それに応じてガスケットの応力を減少させ、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。
実際の運転では、ボルト力の緩和は避けられず、初期の締め付けボルト力は常に時間の経過とともに低下します。特に高温で厳しい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、ボルトの負荷損失は50%を超えることが多く、時間の経過と温度の上昇とともに減衰します。
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、50°C(16.51×10-5 /°C)でのステンレス鋼の熱膨張係数は炭素鋼の熱膨張係数(11.12×10-5 /°C)よりも大きいなど、ボルトとフランジの材料の熱膨張係数2が異なります。装置を加熱した後、フランジの膨張がボルトの膨張よりも小さい場合、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が生じる可能性があります。したがって、高温機器のフランジとパイプ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の室温降伏強度はわずか205MPa、316の降伏強度はわずか210MPaであることがわかります。そこで、ボルトの抗弛緩・抗疲労能力を向上させるために、取付ボルトのボルト力を高める対策が講じられている。たとえば、フォローアップフォーラムで最大取り付けボルト力を使用する場合、取り付けボルトの応力がボルト材料の降伏強度の70%に達する必要があるため、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ます。明らかに、鋳鉄、非金属フランジまたはゴム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を有する半金属および金属ガスケットの場合、304および316などの低強度材料で作られたボルトは、ボルト力のためにシーリング要件を満たすのに十分ではありません。
ここで特に注意が必要なのは、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、つまり304のB8 Cl.1とB8 Cl.2、316のB8M Cl.1とB8M Cl.2があることです。Cl.1は炭化物で固溶処理され、Cl.2は固溶体処理に加えてひずみ強化処理が施されます。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3/4インチのB8 Cl.2など、B8 Cl.1と比較して大幅に向上しますボルト材料の降伏強度は550MPaですが、すべての直径のB8 Cl.1ボルト材料の降伏強度はわずか205MPaです。 両者の違いは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に相当します。 [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と同等です。S31608はB8M Cl.1と同等です。
上記の理由を考慮して、GB / T 150.3およびGB / T38343「フランジジョイント設置に関する技術規則」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は、通常の304(B8 Cl.1)および316(B8M Cl.。1)特に高温で厳しいサイクル条件での材料のボルトは、低い設置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。
304や316などの低強度ボルト材料を使用する場合、設置段階でもトルクが制御されないため、ボルトが材料の降伏強度を超えたり、破壊されたりする可能性があることに注意してください。当然、圧力試験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、ボルトが永久変形し、ボルトの断面サイズが小さくなり、再取り付け後に破損しやすいため、分解後に再利用することはできません。
