法蘭連接，為啥不用304螺栓？

在法蘭接頭密封中當碳鋼或不銹鋼法蘭配用304材料螺栓時，在運行狀態時常會發生泄漏問題。本文將對此作一定性的剖析。

(1)304、304L、316和316L材料有什么基本區別？

304、304L、316和316L是法蘭接頭（包括法蘭、密封元件和緊固件）中通常選用的不銹鋼種材料。

304、304L、316和316L是美國材料標準(ANSI或ASTM)的不銹鋼種代號，隸屬于奧氏體不銹鋼的300系列一類鋼。與國內材料標準(GB/T)對應的牌號是06Cr19Ni10（304）、022Cr19Ni10（304L）、06Cr17Ni12Mo2（316）、022Cr17Ni12Mo2（316L）。通常把這類不銹鋼統稱為18—8不銹鋼。

參見表1，304、304L、316和316L由于加入合金元素和加入量的不同，其理化和機械性能也是不同的，與普通不銹鋼相比，它們具有良好的耐蝕性、耐熱性和加工性能。304L的耐蝕性與304相似，但因304L的含碳量比304低，故其抗晶間腐蝕能力更強。316、316L是含鉬不銹鋼，因添加鉬元素，故其耐蝕性和耐熱性比304、304L更優異。同理，因316L的含碳量比316低，故其抗晶腐蝕能力更優良。304、304L、316和316L一類奧氏體不銹鋼的力學強度低，304的室溫屈服強度為205MPa，304L為170MPa；316的室溫屈服強度為210MPa，316L為200MPa。因此，用它們制作的螺栓屬于低強度級別的螺栓。

表1　含碳量，%室溫屈服強度，MPa推薦最高使用溫度，℃

(2)為什么法蘭接頭不應采用304和316等一類材料的螺栓?

如前面幾講所述，法蘭接頭一是因內壓力作用使兩法蘭密封面分離，引起墊片應力相應減少，二是因高溫下墊片蠕變松弛或螺栓本身蠕變引起螺栓力松弛，同樣使墊片應力下降，以至法蘭接頭發生泄漏失效。

實際運行中，螺栓力松弛是不可避免的，初始擰緊的螺栓力總會隨時間而有所跌落。特別是處于高溫和劇烈循環工況的法蘭接頭，經過10000小時運行后，螺栓載荷損失常會超過50%，并隨時間的延續和溫度的提高而衰減下去。

當法蘭和螺栓為不同一材料，尤其當法蘭為碳鋼，螺栓為不銹鋼時，因螺栓和法蘭材料的熱膨脹系數2不同，如50℃下不銹鋼的熱膨脹系數（16.51×10^-5／℃)比碳鋼熱膨脹系數（11.12×10^-5／℃)大，裝置升溫后，當法蘭的膨脹量小于螺栓的膨脹量時，在變形協調后，螺栓伸長量減小引起螺栓力的松弛，就可能導致法蘭接頭發生泄漏。因此，高溫的設備法蘭和管法蘭接頭時，特別是法蘭和螺栓材料的熱膨脹系數不同，盡可能使兩者材料的熱膨脹系數相近。

由(1)可見，304和316一類奧氏體不銹鋼的力學強度低，304的室溫屈服強度僅為205MPa，316也只有210MPa。因此，為了提高螺栓抗松弛和抗疲勞的能力，采取提高安裝螺栓力的措施，如在后續的講壇中將會講到采用最大安裝螺栓力時，要求安裝螺栓應力達到70%的螺栓材料屈服強度，這樣就必須提高螺栓材料的強度等級，采用高強度或中強度合金鋼螺栓材料。顯易而見，除鑄鐵、非金屬法蘭或橡膠墊片外，對于壓力等級較高法蘭或墊片應力較大的半金屬和金屬墊片，304、316這類低強度材料螺栓，因螺栓力不夠而達不到密封要求。

這里需要特別關注的是在美國不銹鋼螺栓材料標準中304和316分別有兩個類別，即304的B8Cl.1和B8Cl.2以及316的B8MCl.1和B8MCl.2。Cl.1是經過碳化物固溶處理，而Cl.2除固溶處理外，還經過應變強化處理。雖然B8Cl.2和B8Cl.1在耐化學腐蝕性上沒有根本區別，但相對B8Cl.1，B8Cl.2的力學強度獲得相當提高，如直徑為3/4”的B8Cl.2螺栓材料的屈服強度為550MPa，而所有直徑的B8Cl.1螺栓材料的屈服強度僅為205MPa，兩者相差兩倍以上。國內螺栓材料標準中的06Cr19Ni10(304)、06Cr17Ni12Mo2(316)，與B8Cl.1和B8MCl.1相當。[注：GB/T150.3《壓力容器第三部分設計》中的螺栓材料S30408與B8Cl.2相當；S31608與B8MCl.1相當。

鑒于以上原因，GB/T150.3和GB／T38343《法蘭接頭安裝技術規定》中，規定承壓設備法蘭和管法蘭接頭不推薦使用通常的304（B8Cl.1）和316（B8MCl.1）材料的螺栓，尤其在高溫和劇烈循環工況，應更替為B8Cl.2(S30408)和B8MCl.2，以避免低下的安裝螺栓力。

值得注意的是當采用304、316這類低強度螺栓材料，甚至在安裝階段，由于沒有對扭矩進行控制，螺栓可能已超過材料屈服強度，甚至發生斷裂。自然，若耐壓試驗或開始運行就出現了泄漏，即使繼續擰緊螺栓，螺栓力也上不去，不能阻止泄漏。此外，