Vedação de juntas de flange - Por que o material 304 não é recomendado para parafusos?
Quando flanges de aço carbono ou aço inoxidável são usados com parafusos de material 304 na vedação da junta de flange, problemas de vazamento geralmente ocorrem durante a operação. Esta palestra fará uma análise qualitativa disso. (1) Quais são as diferenças básicas entre os materiais 304, 304L, 316 e 316L?
304, 304L, 316 e 316L são os tipos de aço inoxidável comumente usados em juntas flangeadas, incluindo flanges, elementos de vedação e fixadores.
304, 304L, 316 e 316L são as designações de grau de aço inoxidável da Norma Americana para Materiais (ANSI ou ASTM), que pertencem à série 300 de aços inoxidáveis austeníticos. Os graus correspondentes aos padrões de material doméstico (GB/T) são 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Este tipo de aço inoxidável é geralmente referido coletivamente como aço inoxidável 18-8.
Veja as Tabelas 1, 304, 304L, 316 e 316L possuem propriedades físicas, químicas e mecânicas diferentes devido à adição de elementos de liga e quantidades. Em comparação com o aço inoxidável comum, eles têm boa resistência à corrosão, resistência ao calor e desempenho de processamento. A resistência à corrosão de 304L é semelhante à de 304, mas como o teor de carbono de 304L é menor do que o de 304, sua resistência à corrosão intergranular é mais forte. 316 e 316L são aços inoxidáveis contendo molibdênio. Devido à adição de molibdênio, sua resistência à corrosão e resistência ao calor são melhores do que as de 304 e 304L. Da mesma forma, como o teor de carbono de 316L é menor do que o de 316, sua capacidade de resistir à corrosão de cristais é melhor. Aços inoxidáveis austeníticos como 304, 304L, 316 e 316L possuem baixa resistência mecânica. A resistência de rendimento à temperatura ambiente de 304 é 205MPa, 304L é 170MPa; a resistência de rendimento à temperatura ambiente de 316 é 210MPa, e 316L é 200MPa. Portanto, os parafusos feitos deles pertencem aos parafusos de baixa resistência.
Tabela 1 Teor de carbono, % Resistência ao escoamento à temperatura ambiente, MPa Temperatura máxima de serviço recomendada, °C
304 ≤0,08 205 816
304L ≤0,03 170 538
316 ≤0,08 210 816
316L ≤0.03 200 538(2) Por que as juntas de flange não devem usar parafusos de materiais como 304 e 316?
Como mencionado nas palestras anteriores, a junta do flange primeiro separa as superfícies de vedação dos dois flanges devido à ação da pressão interna, resultando em uma diminuição correspondente na tensão da junta e, em segundo lugar, o relaxamento da força do parafuso devido ao relaxamento da fluência da junta ou à fluência do próprio parafuso em alta temperatura, também reduz a tensão da junta, de modo que a junta da flange vaza e falha.
Na operação real, o relaxamento da força do parafuso é inevitável, e a força inicial do parafuso de aperto sempre cairá com o tempo. Especialmente para juntas de flange sob condições de alta temperatura e ciclo severo, após 10.000 horas de operação, a perda de carga do parafuso geralmente excederá 50%, e atenuará com a continuação do tempo e o aumento da temperatura.
Quando a flange e o parafuso são feitos de materiais diferentes, especialmente quando o flange é feito de aço carbono e o parafuso é feito de aço inoxidável, o coeficiente de expansão térmica 2 do material do parafuso e do flange é diferente, como o coeficiente de expansão térmica do aço inoxidável a 50°C (16,51×10-5/ °C) é maior do que o coeficiente de expansão térmica do aço carbono (11,12×10-5/°C). Após o aquecimento do dispositivo, quando a expansão do parafuso é menor que a expansão do parafuso, após a coordenação da deformação, o alongamento do parafuso diminui, fazendo com que a força do parafuso diminua. Se houver alguma frouxidão, pode causar vazamento na articulação da flange. Portanto, quando o flange do equipamento de alta temperatura e o flange do tubo estão conectados, especialmente os coeficientes de expansão térmica dos materiais do flange e do parafuso são diferentes, os coeficientes de expansão térmica dos dois materiais devem ser os mais próximos possíveis.
Pode-se ver a partir de (1) que a resistência mecânica dos aços inoxidáveis austeníticos como 304 e 316 é baixa, e a resistência ao escoamento à temperatura ambiente de 304 é de apenas 205MPa, e a de 316 é de apenas 210MPa. Portanto, a fim de melhorar a capacidade anti-relaxamento e anti-fadiga dos parafusos, medidas para aumentar a força do parafuso dos parafusos de instalação são tomadas. Por exemplo, quando a força máxima do parafuso de instalação é usada no fórum de acompanhamento, é necessário que a tensão dos parafusos de instalação atinja 70% da resistência ao escoamento do material do parafuso, de modo que o grau de resistência do material do parafuso deve ser melhorado, e materiais de parafusos de aço de liga de alta ou média resistência são usados. Obviamente, com exceção de ferro fundido, flanges não metálicos ou juntas de borracha, para juntas semimetálicas e metálicas com flanges de maior grau de pressão ou juntas com maior tensão, parafusos feitos de materiais de baixa resistência como 304 e 316, devido à força do parafuso não é suficiente para atender aos requisitos de vedação. O que precisa de atenção especial aqui é que no padrão americano de material de parafuso de aço inoxidável, 304 e 316 têm duas categorias, ou seja, B8 Cl.1 e B8 Cl.2 de 304 e B8M Cl.1 e B8M Cl.2 de 316. Cl.1 é uma solução sólida tratada com carbonetos, enquanto Cl.2 passa por tratamento de reforço de deformação, além de tratamento com solução sólida. Embora não haja diferença fundamental na resistência química entre B8 Cl.2 e B8 Cl.1, a resistência mecânica de B8 Cl.2 é consideravelmente melhorada em relação a B8 Cl.1, como B8 Cl.2 com um diâmetro de 3/4" A resistência ao escoamento do material do parafuso é de 550MPa, enquanto a resistência ao escoamento do material do parafuso B8 Cl.1 de todos os diâmetros é de apenas 205MPa, a diferença entre os dois é mais do que o dobro. Os padrões de material de parafuso doméstico 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) e B8 Cl.1 são equivalentes a B8M Cl.1. [Nota: O material do parafuso S30408 em GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" é equivalente a B8 Cl.2; S31608 é equivalente a B8M Cl.1.
Tendo em conta as razões acima expostas, os GB/T 150.3 e GB/T38343 "Technical Regulations for Flange Joint Installation" estipulam que os flanges dos equipamentos sob pressão e das juntas de flange dos tubos não são recomendados para utilizar os habituais 304 (B8 Cl.1) e 316 (B8M Cl. . 1) Parafusos de materiais, especialmente em condições de alta temperatura e ciclo severo, devem ser substituídos por B8 Cl.2 (S30408) e B8M Cl.2 para evitar baixa força de parafuso de instalação.
Vale ressaltar que quando são utilizados materiais de parafusos de baixa resistência, como 304 e 316, mesmo durante a fase de instalação, pois o torque não é controlado, o parafuso pode ter excedido a resistência ao escoamento do material, ou até mesmo fraturado. Naturalmente, se ocorrer vazamento durante o teste de pressão ou início da operação, mesmo que os parafusos continuem a ser apertados, a força do parafuso não aumentará e o vazamento não poderá ser interrompido. Além disso, esses parafusos não podem ser reutilizados após serem desmontados, porque os parafusos sofreram deformação permanente, e o tamanho da seção transversal dos parafusos tornou-se menor, e eles são propensos a quebra após a reinstalação.
