Por que não é recomendado usar o material 304 para parafusos?

(1) Quais são as principais diferenças entre os materiais 304, 304L, 316 e 316L?

304, 304L, 316 e 316L são os tipos comuns de materiais de aço inoxidável usados em juntas de flange (incluindo flanges, elementos de vedação e parafusos).

304, 304L, 316 e 316L são as designações de tipos de aço inoxidável de acordo com os padrões de materiais americanos (ANSI ou ASTM), pertencentes à série 300 de aço inoxidável austenítico. As classificações correspondentes aos padrões de materiais domésticos (GB/T) são 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316) e 022Cr17Ni12Mo2 (316L). Geralmente, este tipo de aço inoxidável é referido coletivamente como aço inoxidável 18-8.

Consulte a Tabela 1. Devido aos diferentes elementos de liga adicionados e à quantidade de adição, as propriedades físicas e mecânicas de 304, 304L, 316 e 316L também são diferentes. Em comparação com o aço inoxidável comum, eles têm excelente resistência à corrosão, resistência ao calor e desempenho de processamento. A resistência à corrosão de 304L é semelhante à de 304, mas como o teor de carbono de 304L é menor do que o de 304, sua resistência à corrosão intergranular é maior. 316 e 316L são aços inoxidáveis contendo molibdênio. Devido à adição de elementos de molibdênio, sua resistência à corrosão e ao calor é melhor do que a de 304 e 304L. Da mesma forma, como o teor de carbono de 316L é menor do que o de 316, sua resistência à corrosão cristalina é melhor. A resistência mecânica deste tipo de aço inoxidável austenítico, 304, 304L, 316 e 316L, é baixa. A resistência à fluência em temperatura ambiente de 304 é de 205 MPa, 304L é de 170 MPa; a resistência à fluência em temperatura ambiente de 316 é de 210 MPa e 316L é de 200 MPa. Portanto, os parafusos feitos a partir deles pertencem aos parafusos de baixa resistência. 

Tabela 1 Conteúdo de carbono, % Resistência à fluência à temperatura ambiente, MPa Temperatura máxima recomendada de operação, °C 

304    ≤ 0.08        205               816

304L   ≤ 0.03        170               538

316    ≤ 0.08        210               816

316L   ≤ 0.03        200              538 

(2) Por que as juntas de flange não devem usar parafusos feitos de materiais como 304 e 316?

Como mencionado nas palestras anteriores, as razões para não usar parafusos de tais materiais para juntas de flange são as seguintes: Em primeiro lugar, devido à pressão interna, as superfícies de vedação das duas flanges se separam, resultando em uma redução correspondente da tensão da junta. Em segundo lugar, em condições de alta temperatura, a junta sofre relaxamento por fluência ou o próprio parafuso sofre fluência, fazendo com que a força do parafuso também se relaxe. Isso também leva a uma diminuição da tensão da junta, de modo que a junta de flange pode apresentar vazamento e falhar.

Na operação real, a relaxação da força do parafuso é inevitável. A força inicial do parafuso apertado sempre diminuirá com o tempo. Especialmente para juntas de flange em condições cíclicas severas e de alta temperatura, após 10.000 horas de operação, a perda da carga do parafuso geralmente excede 50% e continua diminuindo com o passar do tempo e o aumento da temperatura.

Quando a flange e o parafuso são feitos de materiais diferentes, especialmente quando a flange é de aço carbono e o parafuso é de aço inoxidável, devido aos diferentes coeficientes de expansão térmica do parafuso e da flange (por exemplo, a 50℃, o coeficiente de expansão térmica do aço inoxidável (16,51×10-5/℃) é maior do que o do aço carbono (11,12×10-5/℃)), depois que o dispositivo é aquecido, quando a expansão da flange é menor do que a do parafuso, depois da coordenação da deformação, o alongamento do parafuso diminui, causando a relaxação da força do parafuso, o que pode levar a vazamento da junta de flange. Portanto, ao conectar flanges e flanges de tubo em equipamentos de alta temperatura, especialmente quando os coeficientes de expansão térmica da flange e do parafuso são diferentes, é aconselhável deixar os coeficientes de expansão térmica dos dois materiais o mais próximos possível. 

A partir de (1), pode-se ver que a resistência mecânica dos aços inoxidáveis austeníticos, como o 304 e o 316, é baixa. A resistência à fluência em temperatura ambiente do 304 é apenas de 205 MPa, e a do 316 é apenas de 210 MPa. Portanto, para aumentar as capacidades anti-soltura e anti-fadiga dos parafusos, medidas como o aumento da força de instalação do parafuso são adotadas. Como será discutido nas próximas aulas, quando a força máxima de instalação do parafuso é usada, o requisito é que a tensão do parafuso de instalação atinja 70% da resistência à fluência do material do parafuso. Assim, o grau de resistência do material do parafuso deve ser aumentado, e materiais de parafuso de aço liga de alta ou média resistência devem ser usados. É óbvio que, exceto para flanges de ferro fundido, não metálicos ou juntas de borracha, para flanges com classificações de alta pressão ou juntas de flange semi-metálicas e metálicas com alta tensão, parafusos feitos de materiais de baixa resistência, como o 304 e o 316, não podem atender aos requisitos de vedação devido à força insuficiente do parafuso.

Aqui, é particularmente importante notar que nos padrões americanos de materiais de parafusos de aço inoxidável, 304 e 316 têm duas categorias cada, a saber, B8 Cl.1 e B8 Cl.2 para 304 e B8M Cl.1 e B8M Cl.2 para 316. O Cl.1 sofre tratamento de solução sólida de carboneto, enquanto o Cl.2 sofre tanto tratamento de solução sólida de carboneto quanto tratamento de endurecimento por deformação. Embora não haja diferença fundamental na resistência à corrosão entre B8 Cl.2 e B8 Cl.1, a resistência mecânica de B8 Cl.2 é significativamente melhorada em comparação com B8 Cl.1. Por exemplo, a resistência à escoamento de um material de parafuso 3/4" B8 Cl.2 é de 550 MPa, enquanto a resistência à escoamento de todos os diâmetros de materiais de parafuso B8 Cl.1 é de apenas 205 MPa, uma diferença de mais de duas vezes. Os materiais de parafusos nos padrões nacionais 06Cr19Ni10 (304) e 06Cr17Ni12Mo2 (316) são equivalentes a B8 Cl.1 e B8M Cl.1. [Observação: S30408 na norma GB/T 150.3 "Vasos de Pressão - Parte 3 Projeto" é equivalente a B8 Cl.2; S31608 é equivalente a B8M Cl.1.

Dadas as razões acima, na norma GB/T 150.3 e na norma GB/T 38343 "Especificações Técnicas de Instalação para Conexões de Flanges", está previsto que os parafusos para flanges de equipamentos de pressão e conexões de flanges de tubos não sejam recomendados para usar os materiais comuns 304 (B8 Cl.1) e 316 (B8M Cl.1), especialmente em condições de alta temperatura e ciclos severos, devem ser substituídos por B8 Cl.2 (S30408) e B8M Cl.2 para evitar baixa força de instalação dos parafusos.

É importante notar que, ao usar materiais de parafusos de baixa resistência 304 ou 316, mesmo durante a fase de instalação, devido à falta de controle de torque, o parafuso pode ter excedido a resistência à fluência do material e até quebrado. Naturalmente, se ocorrer vazamento durante o teste de pressão ou durante a operação, mesmo se os parafusos forem apertados mais, a força do parafuso não pode aumentar e não pode evitar a vazamento. Além disso, esses parafusos não podem ser reutilizados após a desmontagem porque os parafusos sofreram deformação permanente, o tamanho da seção transversal do parafuso diminuiu e a reinstalação é propensa a quebra.