问:螺栓法兰垫片组合密封,为什么螺栓不建议用304材料?

在法兰接头密封中当碳钢或不锈钢法兰配用304材料螺栓时，在运行状态时常会发生泄漏问题。本讲将对此作一定性的剖析。

一、304、304L、316和316L材料有什么基本区别？

304、304L、316和316L是法兰接头（包括法兰、密封元件和紧固件）中通常选用的不锈钢种材料。

304、304L、316和316L是美材料标准(ANSI或ASTM)的不锈钢种代号，隶属于奥氏体不锈钢的300系列一类钢。与国内材料标准(GB/T)对应的牌号是06Cr19Ni10（304）、022Cr19Ni10（304L）、06Cr17Ni12Mo2（316）、022Cr17Ni12Mo2（316L）。通常把这类不锈钢统称为18—8不锈钢。

参见表1，304、304L、316和316L由于加入合金元素和加入量的不同，其理化和机械性能也是不同的，与普通不锈钢相比，它们具有良好的耐蚀性、耐热性和加工性能。304L的耐蚀性与304相似，但因304L的含碳量比304低，故其抗晶间腐蚀能力更强。316、316L是含钼不锈钢，因添加钼元素，故其耐蚀性和耐热性比304、304L更优异。同理，因316L的含碳量比316低，故其抗晶腐蚀能力更优良。304、304L、316和316L一类奥氏体不锈钢的力学强度低，304的室温屈服强度为205MPa，304L为170MPa；316的室温屈服强度为210MPa，316L为200MPa。因此，用它们制作的螺栓属于低强度级别的螺栓。

表1含碳量，%室温屈服强度，MPa推荐高使用温度，℃

304≤0.08205816304L≤0.03170538316≤0.08210816316L≤0.03200538二、为什么法兰接头不应采用304和316等一类材料的螺栓？

如前面几讲所述，法兰接头一是因内压力作用使两法兰密封面分离，引起垫片应力相应减少，二是因高温下垫片蠕变松弛或螺栓本身蠕变引起螺栓力松弛，同样使垫片应力下降，以至法兰接头发生泄漏失效。

实际运行中，螺栓力松弛是不可避免的，初始拧紧的螺栓力总会随时间而有所跌落。特别是处于高温和剧烈循环工况的法兰接头，经过10000小时运行后，螺栓载荷损失常会超过50%，并随时间的延续和温度的提高而衰减下去。

当法兰和螺栓为不同一材料，尤其当法兰为碳钢，螺栓为不锈钢时，因螺栓和法兰材料的热膨胀系数2不同，如50℃下不锈钢的热膨胀系数（16.51×10-5／℃)比碳钢热膨胀系数（11.12×10-5／℃)大，装置升温后，当法兰的膨胀量小于螺栓的膨胀量时，在变形协调后，螺栓伸长量减小引起螺栓力的松弛，就可能导致法兰接头发生泄漏。因此，高温的设备法兰和管法兰接头时，特别是法兰和螺栓材料的热膨胀系数不同，尽可能使两者材料的热膨胀系数相近。

由(1)可见，304和316一类奥氏体不锈钢的力学强度低，304的室温屈服强度仅为205MPa，316也只有210MPa。因此，为了提高螺栓抗松弛和抗疲劳的能力，采取提高安装螺栓力的措施，如在后续的讲坛中将会讲到采用大安装螺栓力时，要求安装螺栓应力达到70%的螺栓材料屈服强度，这样就需要提高螺栓材料的强度等级，采用高强度或中强度合金钢螺栓材料。显易而见，除铸铁、非金属法兰或橡胶垫片外，对于压力等级较高法兰或垫片应力较大的半金属和金属垫片，304、316这类低强度材料螺栓，因螺栓力不够而达不到密封要求。

这里需要特别关注的是在美国不锈钢螺栓材料标准中304和316分别有两个类别，即304的B8Cl.1和B8Cl.2以及316的B8MCl.1和B8MCl.2。Cl.1是经过碳化物固溶处理，而Cl.2除固溶处理外，还经过应变强化处理。虽然B8Cl.2和B8Cl.1在耐化工腐蚀性上没有根本区别，但相对B8Cl.1，B8Cl.2的力学强度获得相当提高，如直径为3/4”的B8Cl.2螺栓材料的屈服强度为550MPa，而所有直径的B8Cl.1螺栓材料的屈服强度仅为205MPa，两者相差两倍以上。国内螺栓材料标准中的06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)，与B8Cl.1和B8MCl.1相当。[注：GB/T150.3《压力容器三部分设计》中的螺栓材料S30408与B8Cl.2相当；S31608与B8MCl.1相当。

值得注意的是当采用304、316这类低强度螺栓材料，甚至在安装阶段，由于没有对扭矩进行控制，螺栓可能已超过材料屈服强度，甚至发生断裂。自然，若耐压试验或开始运行就出现了泄漏，即使继续拧紧螺栓，螺栓力也上不去，不能阻止泄漏。此外，这些螺栓拆卸后不能重复使用，因螺栓已经产生了经久变形，螺栓截面尺寸变小，再安装就容易发生拧断。