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 aciers 304, 304L, 316 et 316L sont les nuances d’acier inoxydable couramment utilisées dans les joints à brides, y compris les brides, les éléments d’étanchéité et les fixations.
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 de 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 aciers 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 sont meilleures 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 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 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’une part 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 d’autre part, la relaxation de la force du boulon due à la relaxation de fluage du joint ou au 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 le temps et l’augmentation de la température.
Lorsque la bride et le boulon sont faits de matériaux différents, en particulier lorsque la bride est en acier au carbone et que le boulon est en acier inoxydable, le coefficient de dilatation thermique 2 du matériau du boulon et de la bride est différent, comme le coefficient de dilatation thermique de l’acier inoxydable à 50°C (16,51×10-5/ °C) est supérieur au coefficient de dilatation thermique de l’acier au carbone (11,12×10-5/°C). Une fois l’appareil chauffé, lorsque l’expansion de la bride est inférieure à l’expansion du boulon, une fois la déformation coordonnée, l’allongement du boulon diminue, ce qui entraîne une diminution de la force du boulon. S’il y a un relâchement, cela peut provoquer une fuite dans le joint de la bride. Par conséquent, lorsque la bride de l’équipement à haute température et la bride du tuyau sont connectées, en particulier les coefficients de dilatation thermique des matériaux de la bride et du boulon sont différents, les coefficients de dilatation thermique des deux matériaux doivent être aussi proches que 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 que 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 visant à augmenter la force des boulons d’installation sont prises. 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 que 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 importantes, des boulons en matériaux à faible résistance tels que 304 et 316, en raison de la force des boulons Insuffisant pour répondre aux exigences d’étanchéité.
Ce qui nécessite une attention particulière ici, c’est que dans la norme américaine sur les matériaux des boulons en acier inoxydable, 304 et 316 ont deux catégories, à savoir B8 Cl.1 et B8 Cl.2 de 304 et B8M Cl.1 et B8M Cl.2 de 316. Le Cl.1 est traité en solution solide avec des carbures, tandis que le Cl.2 subit un traitement de renforcement de la déformation en plus du traitement en solution solide. Bien qu’il n’y ait pas de différence fondamentale de résistance chimique entre B8 Cl.2 et B8 Cl.1, la résistance mécanique de B8 Cl.2 est considérablement améliorée par rapport à B8 Cl.1, comme B8 Cl.2 avec un diamètre de 3/4" La limite d’élasticité du matériau du boulon est de 550MPa, tandis que la limite d’élasticité du matériau de boulon B8 Cl.1 de tous les diamètres n’est que de 205MPa, La différence entre les deux est plus de deux fois. Les normes nationales de matériau de boulon 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) et B8 Cl.1 sont équivalentes à B8M Cl.1. [Remarque : Le matériau de boulon S30408 dans GB/T 150.3 « Pressure Vessel Part Three Design » est équivalent à B8 Cl.2 ; S31608 est équivalent à B8M Cl.1.
Compte tenu de ce qui précède, les normes GB/T 150.3 et GB/T38343 « Réglementations techniques pour l’installation de joints de brides » stipulent qu’il n’est pas recommandé d’utiliser les brides habituelles 304 (B8 Cl.1) et 316 (B8M Cl. 1) Les boulons des matériaux, en particulier à haute température et dans des conditions de cycle sévères, doivent être remplacés par B8 Cl.2 (S30408) et B8M Cl.2 pour éviter une faible force de boulon d’installation.
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 fracturé. 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 aciers 304, 304L, 316 et 316L sont les nuances d’acier inoxydable couramment utilisées dans les joints à brides, y compris les brides, les éléments d’étanchéité et les fixations.
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 de 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 aciers 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 sont meilleures 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 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 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’une part 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 d’autre part, la relaxation de la force du boulon due à la relaxation de fluage du joint ou au 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 le temps et l’augmentation de la température.
Lorsque la bride et le boulon sont faits de matériaux différents, en particulier lorsque la bride est en acier au carbone et que le boulon est en acier inoxydable, le coefficient de dilatation thermique 2 du matériau du boulon et de la bride est différent, comme le coefficient de dilatation thermique de l’acier inoxydable à 50°C (16,51×10-5/ °C) est supérieur au coefficient de dilatation thermique de l’acier au carbone (11,12×10-5/°C). Une fois l’appareil chauffé, lorsque l’expansion de la bride est inférieure à l’expansion du boulon, une fois la déformation coordonnée, l’allongement du boulon diminue, ce qui entraîne une diminution de la force du boulon. S’il y a un relâchement, cela peut provoquer une fuite dans le joint de la bride. Par conséquent, lorsque la bride de l’équipement à haute température et la bride du tuyau sont connectées, en particulier les coefficients de dilatation thermique des matériaux de la bride et du boulon sont différents, les coefficients de dilatation thermique des deux matériaux doivent être aussi proches que 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 que 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 visant à augmenter la force des boulons d’installation sont prises. 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 que 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 importantes, des boulons en matériaux à faible résistance tels que 304 et 316, en raison de la force des boulons Insuffisant pour répondre aux exigences d’étanchéité.
Ce qui nécessite une attention particulière ici, c’est que dans la norme américaine sur les matériaux des boulons en acier inoxydable, 304 et 316 ont deux catégories, à savoir B8 Cl.1 et B8 Cl.2 de 304 et B8M Cl.1 et B8M Cl.2 de 316. Le Cl.1 est traité en solution solide avec des carbures, tandis que le Cl.2 subit un traitement de renforcement de la déformation en plus du traitement en solution solide. Bien qu’il n’y ait pas de différence fondamentale de résistance chimique entre B8 Cl.2 et B8 Cl.1, la résistance mécanique de B8 Cl.2 est considérablement améliorée par rapport à B8 Cl.1, comme B8 Cl.2 avec un diamètre de 3/4" La limite d’élasticité du matériau du boulon est de 550MPa, tandis que la limite d’élasticité du matériau de boulon B8 Cl.1 de tous les diamètres n’est que de 205MPa, La différence entre les deux est plus de deux fois. Les normes nationales de matériau de boulon 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) et B8 Cl.1 sont équivalentes à B8M Cl.1. [Remarque : Le matériau de boulon S30408 dans GB/T 150.3 « Pressure Vessel Part Three Design » est équivalent à B8 Cl.2 ; S31608 est équivalent à B8M Cl.1.
Compte tenu de ce qui précède, les normes GB/T 150.3 et GB/T38343 « Réglementations techniques pour l’installation de joints de brides » stipulent qu’il n’est pas recommandé d’utiliser les brides habituelles 304 (B8 Cl.1) et 316 (B8M Cl. 1) Les boulons des matériaux, en particulier à haute température et dans des conditions de cycle sévères, doivent être remplacés par B8 Cl.2 (S30408) et B8M Cl.2 pour éviter une faible force de boulon d’installation.
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 fracturé. 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.