14 novembre 2022
Étanchéité des joints de bride - Pourquoi le matériau 304 n’est-il pas recommandé pour les boulons ?
Lorsque des brides en acier au carbone ou en acier inoxydable sont utilisées avec des boulons en matériau 304 pour l’étanchéité des joints de bride, des problèmes de fuite surviennent souvent pendant le fonctionnement. Cette conférence en fera une analyse qualitative.
(1) Quelles sont les différences fondamentales entre les matériaux 304, 304L, 316 et 316L ?
Les grades 304, 304L, 316 et 316L sont les nuances d’acier inoxydable couramment utilisées dans les assemblages à brides, y compris les brides, les éléments d’étanchéité et les fixations.
Les aciers 304, 304L, 316 et 316L sont les désignations de grade d’acier inoxydable de l’American Standard for Materials (ANSI ou ASTM), qui appartiennent à la série 300 d’aciers inoxydables austénitiques. Les grades correspondant aux normes nationales sur les matériaux (GB/T) sont 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Ce type d’acier inoxydable est généralement appelé collectivement acier inoxydable 18-8.
Voir le tableau 1, 304, 304L, 316 et 316L ont des propriétés physiques, chimiques et mécaniques différentes en raison de l’ajout d’éléments d’alliage et de quantités. Par rapport à l’acier inoxydable ordinaire, ils ont une bonne résistance à la corrosion, une bonne résistance à la chaleur et des performances de traitement. La résistance à la corrosion du 304L est similaire à celle du 304, mais comme la teneur en carbone du 304L est inférieure à celle du 304, sa résistance à la corrosion intergranulaire est plus forte. Les 316 et 316L sont des aciers inoxydables contenant du molybdène. En raison de l’ajout de molybdène, leur résistance à la corrosion et à la chaleur est meilleure que celles des 304 et 304L. De la même manière, parce que la teneur en carbone du 316L est inférieure à celle du 316, sa capacité à résister à la corrosion des cristaux est meilleure. Les aciers inoxydables austénitiques tels que les aciers 304, 304L, 316 et 316L ont une faible résistance mécanique. La limite d’élasticité à température ambiante de 304 est de 205MPa, 304L est de 170MPa ; la limite d’élasticité à température ambiante de 316 est de 210MPa et celle de 316L est de 200MPa. Par conséquent, les boulons qui en sont faits appartiennent aux boulons à faible résistance.
Tableau 1 Teneur en carbone, % de limite d’élasticité à température ambiante, MPa Température maximale de service recommandée, °C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Pourquoi les joints de bride ne devraient-ils pas utiliser des boulons de matériaux tels que 304 et 316 ?
Comme mentionné dans les cours précédents, le joint de bride sépare d’abord les surfaces d’étanchéité des deux brides en raison de l’action de la pression interne, ce qui entraîne une diminution correspondante de la contrainte du joint, et deuxièmement, la relaxation de la force du boulon en raison de la relaxation du fluage du joint ou du fluage du boulon lui-même à haute température , Réduit également la contrainte du joint, de sorte que le joint de bride fuit et échoue.
En fonctionnement réel, la relaxation de la force du boulon est inévitable et la force initiale du boulon de serrage diminuera toujours avec le temps. En particulier pour les joints de bride à haute température et dans des conditions de cycle sévères, après 10 000 heures de fonctionnement, la perte de charge du boulon dépassera souvent 50 % et s’atténuera avec la poursuite du temps et l’augmentation de la température.
When the flange and the bolt are made of different materials, especially when the flange is made of carbon steel and the bolt is made of stainless steel, the coefficient of thermal expansion 2 of the material of the bolt and the flange is different, such as the thermal expansion coefficient of stainless steel at 50°C (16.51×10-5/ ℃) is larger than the thermal expansion coefficient of carbon steel (11.12×10-5/℃). After the device is heated up, when the expansion of the flange is smaller than the expansion of the bolt, after the deformation is coordinated, the elongation of the bolt decreases, causing the force of the bolt to decrease. If there is any looseness, it may cause leakage in the flange joint. Therefore, when the high-temperature equipment flange and pipe flange are connected, especially the thermal expansion coefficients of the flange and bolt materials are different, the thermal expansion coefficients of the two materials should be as close as possible.
On peut voir à partir de (1) que la résistance mécanique de l’acier inoxydable austénitique tel que 304 et 316 est faible, et la limite d’élasticité à température ambiante de 304 n’est que de 205MPa, et celle de 316 n’est que de 210MPa. Par conséquent, afin d’améliorer la capacité anti-relaxation et anti-fatigue des boulons, des mesures sont prises pour augmenter la force de boulon des boulons d’installation. Par exemple, lorsque la force maximale du boulon d’installation est utilisée dans le forum de suivi, il est nécessaire que la contrainte des boulons d’installation atteigne 70% de la limite d’élasticité du matériau du boulon, de sorte que le degré de résistance du matériau du boulon doit être amélioré, et des matériaux de boulon en acier allié à haute résistance ou à résistance moyenne sont utilisés. Évidemment, à l’exception de la fonte, des brides non métalliques ou des joints en caoutchouc, des joints semi-métalliques et métalliques avec des brides à pression plus élevée ou des joints avec des contraintes plus élevées, des boulons en matériaux à faible résistance tels que 304 et 316, en raison de la force des boulons Pas assez pour répondre aux exigences d’étanchéité.
What needs special attention here is that in the American stainless steel bolt material standard, 304 and 316 have two categories, namely B8 Cl.1 and B8 Cl.2 of 304 and B8M Cl.1 and B8M Cl.2 of 316. Cl.1 is solid solution treated with carbides, while Cl.2 undergoes strain strengthening treatment in addition to solid solution treatment. Although there is no fundamental difference in chemical resistance between B8 Cl.2 and B8 Cl.1, the mechanical strength of B8 Cl.2 is considerably improved relative to B8 Cl.1, such as B8 Cl.2 with a diameter of 3/4" The yield strength of the bolt material is 550MPa, while the yield strength of the B8 Cl.1 bolt material of all diameters is only 205MPa, the difference between the two is more than twice. The domestic bolt material standards 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316), and B8 Cl.1 is equivalent to B8M Cl.1. [Note: The bolt material S30408 in GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" is equivalent to B8 Cl.2; S31608 is equivalent to B8M Cl.1.
In view of the above reasons, GB/T 150.3 and GB/T38343 "Technical Regulations for Flange Joint Installation" stipulate that the flanges of pressure equipment and pipe flange joints are not recommended to use the usual 304 (B8 Cl.1) and 316 (B8M Cl. .1) Bolts of materials, especially in high temperature and severe cycle conditions, should be replaced with B8 Cl.2 (S30408) and B8M Cl.2 to avoid low installation bolt force.
Il convient de noter que lorsque des matériaux de boulon à faible résistance tels que 304 et 316 sont utilisés, même pendant la phase d’installation, parce que le couple n’est pas contrôlé, le boulon peut avoir dépassé la limite d’élasticité du matériau, voire s’être rompu. Naturellement, si une fuite se produit pendant le test de pression ou le début du fonctionnement, même si les boulons continuent d’être serrés, la force du boulon n’augmentera pas et la fuite ne pourra pas être arrêtée. De plus, ces boulons ne peuvent pas être réutilisés après avoir été démontés, car les boulons ont subi une déformation permanente, et la taille de la section transversale des boulons est devenue plus petite, et ils sont sujets à la casse après la réinstallation.
(1) Quelles sont les différences fondamentales entre les matériaux 304, 304L, 316 et 316L ?
Les grades 304, 304L, 316 et 316L sont les nuances d’acier inoxydable couramment utilisées dans les assemblages à brides, y compris les brides, les éléments d’étanchéité et les fixations.
Les aciers 304, 304L, 316 et 316L sont les désignations de grade d’acier inoxydable de l’American Standard for Materials (ANSI ou ASTM), qui appartiennent à la série 300 d’aciers inoxydables austénitiques. Les grades correspondant aux normes nationales sur les matériaux (GB/T) sont 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Ce type d’acier inoxydable est généralement appelé collectivement acier inoxydable 18-8.
Voir le tableau 1, 304, 304L, 316 et 316L ont des propriétés physiques, chimiques et mécaniques différentes en raison de l’ajout d’éléments d’alliage et de quantités. Par rapport à l’acier inoxydable ordinaire, ils ont une bonne résistance à la corrosion, une bonne résistance à la chaleur et des performances de traitement. La résistance à la corrosion du 304L est similaire à celle du 304, mais comme la teneur en carbone du 304L est inférieure à celle du 304, sa résistance à la corrosion intergranulaire est plus forte. Les 316 et 316L sont des aciers inoxydables contenant du molybdène. En raison de l’ajout de molybdène, leur résistance à la corrosion et à la chaleur est meilleure que celles des 304 et 304L. De la même manière, parce que la teneur en carbone du 316L est inférieure à celle du 316, sa capacité à résister à la corrosion des cristaux est meilleure. Les aciers inoxydables austénitiques tels que les aciers 304, 304L, 316 et 316L ont une faible résistance mécanique. La limite d’élasticité à température ambiante de 304 est de 205MPa, 304L est de 170MPa ; la limite d’élasticité à température ambiante de 316 est de 210MPa et celle de 316L est de 200MPa. Par conséquent, les boulons qui en sont faits appartiennent aux boulons à faible résistance.
Tableau 1 Teneur en carbone, % de limite d’élasticité à température ambiante, MPa Température maximale de service recommandée, °C
304 ≤0.08 205 816
304L ≤0.03 170 538
316 ≤0.08 210 816
316L ≤0.03 200 538
(2) Pourquoi les joints de bride ne devraient-ils pas utiliser des boulons de matériaux tels que 304 et 316 ?
Comme mentionné dans les cours précédents, le joint de bride sépare d’abord les surfaces d’étanchéité des deux brides en raison de l’action de la pression interne, ce qui entraîne une diminution correspondante de la contrainte du joint, et deuxièmement, la relaxation de la force du boulon en raison de la relaxation du fluage du joint ou du fluage du boulon lui-même à haute température , Réduit également la contrainte du joint, de sorte que le joint de bride fuit et échoue.
En fonctionnement réel, la relaxation de la force du boulon est inévitable et la force initiale du boulon de serrage diminuera toujours avec le temps. En particulier pour les joints de bride à haute température et dans des conditions de cycle sévères, après 10 000 heures de fonctionnement, la perte de charge du boulon dépassera souvent 50 % et s’atténuera avec la poursuite du temps et l’augmentation de la température.
When the flange and the bolt are made of different materials, especially when the flange is made of carbon steel and the bolt is made of stainless steel, the coefficient of thermal expansion 2 of the material of the bolt and the flange is different, such as the thermal expansion coefficient of stainless steel at 50°C (16.51×10-5/ ℃) is larger than the thermal expansion coefficient of carbon steel (11.12×10-5/℃). After the device is heated up, when the expansion of the flange is smaller than the expansion of the bolt, after the deformation is coordinated, the elongation of the bolt decreases, causing the force of the bolt to decrease. If there is any looseness, it may cause leakage in the flange joint. Therefore, when the high-temperature equipment flange and pipe flange are connected, especially the thermal expansion coefficients of the flange and bolt materials are different, the thermal expansion coefficients of the two materials should be as close as possible.
On peut voir à partir de (1) que la résistance mécanique de l’acier inoxydable austénitique tel que 304 et 316 est faible, et la limite d’élasticité à température ambiante de 304 n’est que de 205MPa, et celle de 316 n’est que de 210MPa. Par conséquent, afin d’améliorer la capacité anti-relaxation et anti-fatigue des boulons, des mesures sont prises pour augmenter la force de boulon des boulons d’installation. Par exemple, lorsque la force maximale du boulon d’installation est utilisée dans le forum de suivi, il est nécessaire que la contrainte des boulons d’installation atteigne 70% de la limite d’élasticité du matériau du boulon, de sorte que le degré de résistance du matériau du boulon doit être amélioré, et des matériaux de boulon en acier allié à haute résistance ou à résistance moyenne sont utilisés. Évidemment, à l’exception de la fonte, des brides non métalliques ou des joints en caoutchouc, des joints semi-métalliques et métalliques avec des brides à pression plus élevée ou des joints avec des contraintes plus élevées, des boulons en matériaux à faible résistance tels que 304 et 316, en raison de la force des boulons Pas assez pour répondre aux exigences d’étanchéité.
What needs special attention here is that in the American stainless steel bolt material standard, 304 and 316 have two categories, namely B8 Cl.1 and B8 Cl.2 of 304 and B8M Cl.1 and B8M Cl.2 of 316. Cl.1 is solid solution treated with carbides, while Cl.2 undergoes strain strengthening treatment in addition to solid solution treatment. Although there is no fundamental difference in chemical resistance between B8 Cl.2 and B8 Cl.1, the mechanical strength of B8 Cl.2 is considerably improved relative to B8 Cl.1, such as B8 Cl.2 with a diameter of 3/4" The yield strength of the bolt material is 550MPa, while the yield strength of the B8 Cl.1 bolt material of all diameters is only 205MPa, the difference between the two is more than twice. The domestic bolt material standards 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316), and B8 Cl.1 is equivalent to B8M Cl.1. [Note: The bolt material S30408 in GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part Three Design" is equivalent to B8 Cl.2; S31608 is equivalent to B8M Cl.1.
In view of the above reasons, GB/T 150.3 and GB/T38343 "Technical Regulations for Flange Joint Installation" stipulate that the flanges of pressure equipment and pipe flange joints are not recommended to use the usual 304 (B8 Cl.1) and 316 (B8M Cl. .1) Bolts of materials, especially in high temperature and severe cycle conditions, should be replaced with B8 Cl.2 (S30408) and B8M Cl.2 to avoid low installation bolt force.
Il convient de noter que lorsque des matériaux de boulon à faible résistance tels que 304 et 316 sont utilisés, même pendant la phase d’installation, parce que le couple n’est pas contrôlé, le boulon peut avoir dépassé la limite d’élasticité du matériau, voire s’être rompu. Naturellement, si une fuite se produit pendant le test de pression ou le début du fonctionnement, même si les boulons continuent d’être serrés, la force du boulon n’augmentera pas et la fuite ne pourra pas être arrêtée. De plus, ces boulons ne peuvent pas être réutilisés après avoir été démontés, car les boulons ont subi une déformation permanente, et la taille de la section transversale des boulons est devenue plus petite, et ils sont sujets à la casse après la réinstallation.