Warum wird es nicht empfohlen, 304-Material für Schrauben zu verwenden?

(1) Was sind die grundlegenden Unterschiede zwischen den Materialien 304, 304L, 316 und 316L?

304, 304L, 316 und 316L sind die gängigen Typen von Edelstahlmaterialien, die in Flanschverbindungen (einschließlich Flanschen, Dichtungselementen und Befestigungselementen) verwendet werden.

304, 304L, 316 und 316L sind die Edelstahltypbezeichnungen gemäß den amerikanischen Materialstandards (ANSI oder ASTM) und gehören zur 300er Serie der austenitischen Edelstähle. Die entsprechenden Bezeichnungen gemäß den inländischen Materialstandards (GB/T) sind 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316) und 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Im Allgemeinen wird dieser Typ von Edelstahl zusammenfassend als 18-8-Edelstahl bezeichnet.

Siehe Tabelle 1. Aufgrund der unterschiedlichen zugesetzten Legierungselemente und der Zugabemenge unterscheiden sich auch die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von 304, 304L, 316 und 316L. Im Vergleich zu gewöhnlichem Edelstahl verfügen sie über eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit und Verarbeitbarkeit. Die Korrosionsbeständigkeit von 304L ist ähnlich wie die von 304, aber da der Kohlenstoffgehalt von 304L niedriger als der von 304 ist, ist seine interkristalline Korrosionsbeständigkeit stärker. 316 und 316L sind molybdänhaltige Edelstähle. Aufgrund der Zugabe von Molybdän-Elementen sind ihre Korrosions- und Hitzebeständigkeit besser als die von 304 und 304L. Ebenso ist, da der Kohlenstoffgehalt von 316L niedriger als der von 316 ist, seine Anti-Kristallkorrosionsbeständigkeit besser. Die mechanische Festigkeit dieses Typs von austenitischen Edelstählen, 304, 304L, 316 und 316L, ist niedrig. Die Raumtemperatur-Fließgrenze von 304 ist 205 MPa, von 304L ist es 170 MPa; die Raumtemperatur-Fließgrenze von 316 ist 210 MPa und von 316L ist es 200 MPa. Daher gehören die aus ihnen hergestellten Bolzen zu den Bolzen mit niedriger Stärkeklasse. 

Tabelle 1 Kohlenstoffgehalt, % Streckgrenze bei Raumtemperatur, MPa Empfohlene maximale Betriebstemperatur, °C 

304    ≤ 0.08        205               816

304L   ≤ 0.03        170               538

316    ≤ 0.08        210               816

316L   ≤ 0.03        200              538 

(2) Warum sollten Flanschverbindungen keine Bolzen aus Materialien wie 304 und 316 verwenden?

Wie in den vorherigen Vorlesungen erwähnt, sind die Gründe, warum für Flanschverbindungen keine Bolzen aus solchen Materialien verwendet werden, wie folgt: Erstens trennen sich die Dichtflächen der beiden Flansche aufgrund des Innendrucks, was zu einer entsprechenden Verringerung der Spannung der Dichtung führt. Zweitens unterliegt die Dichtung bei hohen Temperaturen einer Kriechrelaxation oder der Bolzen selbst einer Kriechverformung, wodurch auch die Bolzenkraft relaxiert. Dies führt ebenfalls zu einer Abnahme der Spannung der Dichtung, so dass die Flanschverbindung undicht werden und versagen kann.

Bei der tatsächlichen Operation ist die Relaxation der Bolzenkraft unvermeidlich. Die anfänglich angezogene Bolzenkraft nimmt immer mit der Zeit ab. Insbesondere bei Flanschverbindungen unter Hochtemperatur- und stark zyklischen Bedingungen überschreitet der Verlust der Bolzenlast nach 10.000 Stunden Betrieb oft 50 % und nimmt weiterhin mit der Zeit und der Temperaturerhöhung ab.

Wenn der Flansch und der Bolzen aus verschiedenen Materialien bestehen, insbesondere wenn der Flansch aus Kohlenstoffstahl und der Bolzen aus Edelstahl ist, aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Bolzen und Flansch (z. B. bei 50℃ ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Edelstahl (16,51×10-5/℃) größer als der von Kohlenstoffstahl (11,12×10-5/℃)), nachdem die Vorrichtung erwärmt wurde, wenn die Ausdehnung des Flansches kleiner als die des Bolzens ist, nimmt nach der Deformationskoordination die Verlängerung des Bolzens ab, was zur Relaxation der Bolzenkraft führt und möglicherweise zu einem Leck in der Flanschverbindung führt. Daher ist es ratsam, wenn Flansche und Rohrflansche in Hochtemperaturanlagen verbunden werden, insbesondere wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Flansch und Bolzen unterschiedlich sind, die Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien möglichst nahe beiziehen. 

Aus (1) lässt sich erkennen, dass die mechanische Festigkeit von austenitischen Edelstählen wie 304 und 316 niedrig ist. Die Streckgrenze von 304 bei Raumtemperatur beträgt nur 205 MPa, und die von 316 nur 210 MPa. Daher werden zur Verbesserung der Lösungs- und Ermüdungsbeständigkeit der Schrauben Maßnahmen wie die Erhöhung der Montageschraubenkraft ergriffen. Wie in den folgenden Vorlesungen diskutiert wird, ist bei Verwendung der maximalen Montageschraubenkraft gefordert, dass die Montageschraubenspannung 70 % der Streckgrenze des Schraubenmaterials erreicht. Somit muss die Festigkeitsklasse des Schraubenmaterials erhöht werden, und es müssen hochfeste oder mittelstarke Stahllegierungsschraubenmaterialien verwendet werden. Es ist offensichtlich, dass, abgesehen von Gusseisen, nichtmetallischen Flanschen oder Gummidichtungen, für Flansche mit hohen Druckstufen oder halbmetallischen und metallischen Flanschdichtungen mit hoher Spannung Schrauben aus niedrigfesten Materialien wie 304 und 316 aufgrund unzureichender Schraubenkraft die Dichtigkeitsanforderungen nicht erfüllen können.

Hier ist es besonders wichtig zu beachten, dass in den amerikanischen Standards für Edelstahlbolzenmaterialien 304 und 316 jeweils zwei Kategorien haben, nämlich B8 Cl.1 und B8 Cl.2 für 304 und B8M Cl.1 und B8M Cl.2 für 316. Cl.1 wird einer Karbidsolidlösungbehandlung unterzogen, während Cl.2 sowohl einer Karbidsolidlösungbehandlung als auch einer Verfestigungsbehandlung durch Verformung unterzogen wird. Obwohl es keinen grundlegenden Unterschied in der Korrosionsbeständigkeit zwischen B8 Cl.2 und B8 Cl.1 gibt, ist die mechanische Stärke von B8 Cl.2 im Vergleich zu B8 Cl.1 deutlich verbessert. Beispielsweise beträgt die Streckgrenze eines 3/4" B8 Cl.2 - Bolzenmaterials 550 MPa, während die Streckgrenze aller Durchmesser von B8 Cl.1 - Bolzenmaterialien nur 205 MPa beträgt, ein Unterschied von mehr als dem Doppeltem. Die Bolzenmaterialien in den nationalen Standards 06Cr19Ni10 (304) und 06Cr17Ni12Mo2 (316) entsprechen B8 Cl.1 und B8M Cl.1. [Hinweis: S30408 in GB/T 150.3 "Druckbehälter - Teil 3: Auslegung" entspricht B8 Cl.2; S31608 entspricht B8M Cl.1.

Angesichts der obigen Gründe ist in GB/T 150.3 und GB/T 38343 "Technische Spezifikationen für die Installation von Flanschverbindungen" festgelegt, dass für die Bolzen von druckführenden Anlagenflanschen und Rohrflanschverbindungen die üblicherweise verwendeten 304 (B8 Cl.1) und 316 (B8M Cl.1) - Materialien nicht empfohlen werden. Insbesondere unter Hochtemperatur - und stark zyklischen Bedingungen sollten sie durch B8 Cl.2 (S30408) und B8M Cl.2 ersetzt werden, um eine geringe Montagebolzenkraft zu vermeiden.

Es ist zu beachten, dass bei der Verwendung von 304- oder 316-Niedrigfestigkeitsbolzenmaterialien selbst während der Montagephase aufgrund des Mangels an Drehmomentkontrolle der Bolzen möglicherweise die Streckgrenze des Materials überschritten und sogar gebrochen ist. Natürlich tritt bei einer Undichtigkeit während des Drucktests oder im Betrieb selbst wenn die Bolzen weiter angezogen werden, die Bolzenkraft nicht ansteigen und die Undichtigkeit nicht verhindern. Darüber hinaus können diese Bolzen nach der Demontage nicht wiederverwendet werden, weil die Bolzen eine bleibende Verformung erfahren haben, die Querschnittsgröße der Bolzen abgenommen hat und bei der Wiederinstallation es leicht zu Brüchen kommt.