Scellement 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 dans 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 ?
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 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 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 est meilleure que celles du 304 et du 304L. De la même manière, comme la teneur en carbone du 316L est inférieure à celle du 316, sa capacité à résister à la corrosion cristalline 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 205 MPa, 304 L est de 170 MPa ; la limite d’élasticité à température ambiante de 316 est de 210 MPa et 316L est de 200 MPa. Par conséquent, les boulons qui en sont faits appartiennent aux boulons de qualité à faible résistance.
Tableau 1 Teneur en carbone, % 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 à bride ne devraient-ils pas utiliser des boulons de matériaux tels que 304 et 316 ?
Comme mentionné dans les conférences précédentes, 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 le fluage du boulon lui-même à haute température, réduit également la contrainte du joint, de sorte que le joint de bride fuit et tombe en panne.
En fonctionnement réel, la relaxation de la force du boulon est inévitable et la force de serrage initiale du boulon diminuera toujours avec le temps. En particulier pour les joints à 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 elle s’atténuera avec la poursuite du 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 la dilatation de la bride est inférieure à la dilatation 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 desserrement, cela peut provoquer une fuite dans le joint de bride. Par conséquent, lorsque la bride d’équipement haute température et la bride de tuyau sont connectées, en particulier les coefficients de dilatation thermique des matériaux de bride et de 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 205 MPa et que celle de 316 n’est que de 210 MPa. Par conséquent, afin d’améliorer la capacité anti-relaxation et anti-fatigue des boulons, des mesures sont prises pour augmenter la force 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 que des matériaux de boulons 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, pour les joints semi-métalliques et métalliques avec des brides de qualité de pression plus élevée ou des joints avec des contraintes plus importantes, les boulons en matériaux à faible résistance tels que 304 et 316, en raison de la force du boulon Pas suffisant pour répondre aux exigences d’étanchéité. Ce qui nécessite une attention particulière ici, c’est que dans la norme américaine sur le matériau 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 une solution solide traitée avec des carbures, tandis que le Cl.2 subit un traitement de renforcement de la contrainte 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 550 MPa, tandis que la limite d’élasticité du matériau du boulon B8 Cl.1 de tous les diamètres n’est que de 205 MPa, La différence entre les deux est de plus de deux fois. Les normes nationales sur les matériaux de boulons 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) et B8 Cl.1 sont équivalentes à B8M Cl.1. [Remarque : Le matériau du 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 des raisons ci-dessus, les normes GB/T 150.3 et GB/T38343 « Règles techniques pour l’installation des joints de bride » stipulent qu’il n’est pas recommandé d’utiliser les brides habituelles 304 (B8 Cl.1) et 316 (B8M Cl. . 1) Les boulons de matériaux, en particulier dans des conditions de température élevée et de cycle sévère, 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 boulons 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 ils ont subi une déformation permanente, la taille de la section transversale des boulons est devenue plus petite et ils sont susceptibles de se casser après la réinstallation.
