14 พ.ย. 2565
การปิดผนึกข้อต่อหน้าแปลน - เหตุใดจึงไม่แนะนําให้ใช้วัสดุ 304 สําหรับสลักเกลียว
เมื่อใช้หน้าแปลนเหล็กกล้าคาร์บอนหรือสแตนเลสกับสลักเกลียววัสดุ 304 ในการปิดผนึกข้อต่อหน้าแปลนปัญหาการรั่วไหลมักเกิดขึ้นระหว่างการใช้งาน การบรรยายนี้จะทําการวิเคราะห์เชิงคุณภาพของเรื่องนี้
(1) อะไรคือความแตกต่างพื้นฐานระหว่างวัสดุ 304, 304L, 316 และ 316L?
304, 304L, 316 และ 316L เป็นเกรดสแตนเลสที่ใช้กันทั่วไปในข้อต่อหน้าแปลน รวมถึงหน้าแปลน องค์ประกอบการปิดผนึก และตัวยึด
304, 304L, 316 และ 316L เป็นการกําหนดเกรดสแตนเลสของมาตรฐานอเมริกันสําหรับวัสดุ (ANSI หรือ ASTM) ซึ่งเป็นของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก 300 ซีรีส์ เกรดที่สอดคล้องกับมาตรฐานวัสดุในประเทศ (GB/T) คือ 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L) สแตนเลสประเภทนี้มักเรียกรวมกันว่าสแตนเลส 18-8
ดูตารางที่ 1, 304, 304L, 316 และ 316L มีคุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และทางกลที่แตกต่างกันเนื่องจากการเติมองค์ประกอบและปริมาณโลหะผสม เมื่อเทียบกับสแตนเลสธรรมดามีความต้านทานการกัดกร่อนทนความร้อนและประสิทธิภาพการประมวลผลที่ดี ความต้านทานการกัดกร่อนของ 304L นั้นคล้ายกับ 304 แต่เนื่องจากปริมาณคาร์บอนของ 304L ต่ํากว่า 304 ความต้านทานต่อการกัดกร่อนระหว่างเกรนจึงแข็งแกร่งกว่า 316 และ 316L เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีโมลิบดีนัม เนื่องจากการเติมโมลิบดีนัม ความต้านทานการกัดกร่อนและทนความร้อนจึงดีกว่า 304 และ 304L ในทํานองเดียวกันเนื่องจากปริมาณคาร์บอนของ 316L ต่ํากว่า 316 ความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนของผลึกจึงดีกว่า เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก เช่น 304, 304L, 316 และ 316L มีความแข็งแรงเชิงกลต่ํา ความแข็งแรงของผลผลิตอุณหภูมิห้อง 304 คือ 205MPa, 304L คือ 170MPa; ความแข็งแรงของผลผลิตที่อุณหภูมิห้อง 316 คือ 210MPa และ 316L คือ 200MPa ดังนั้นสลักเกลียวที่ทําจากพวกเขาจึงเป็นของสลักเกลียวเกรดความแข็งแรงต่ํา
ตารางที่ 1 ปริมาณคาร์บอน % ความแข็งแรงของผลผลิตที่อุณหภูมิห้อง MPa อุณหภูมิบริการสูงสุดที่แนะนํา °C
304 ≤0.08 205 816
304 ลิตร ≤0.03 170 538
ก.อ.ต.ฮ๕ ≤0.08 210 816
316 ลิตร ≤0.03 200 538
(2) เหตุใดข้อต่อหน้าแปลนจึงไม่ควรใช้สลักเกลียวของวัสดุเช่น 304 และ 316
ดังที่ได้กล่าวไว้ในการบรรยายก่อนหน้านี้ข้อต่อหน้าแปลนจะแยกพื้นผิวการปิดผนึกของหน้าแปลนทั้งสองออกก่อนเนื่องจากการกระทําของแรงดันภายในส่งผลให้ความเค้นของปะเก็นลดลงตามลําดับและประการที่สองการผ่อนคลายแรงของสลักเกลียวเนื่องจากการผ่อนคลายการคืบของปะเก็นหรือการคืบคลานของสลักเกลียวเองที่อุณหภูมิสูง ยังช่วยลดความเครียดของปะเก็นเพื่อให้ข้อต่อหน้าแปลนรั่วและล้มเหลว
ในการใช้งานจริง การผ่อนคลายแรงของสลักเกลียวเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ และแรงของสลักเกลียวที่ขันเริ่มต้นจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไปเสมอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับข้อต่อหน้าแปลนภายใต้อุณหภูมิสูงและสภาวะรอบที่รุนแรงหลังจากใช้งาน 10,000 ชั่วโมงการสูญเสียโหลดของสลักเกลียวมักจะเกิน 50% และจะลดทอนลงตามความต่อเนื่องของเวลาและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ
เมื่อหน้าแปลนและสลักเกลียวทําจากวัสดุที่แตกต่างกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อหน้าแปลนทําจากเหล็กกล้าคาร์บอนและสลักเกลียวทําจากสแตนเลสค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน 2 ของวัสดุของสลักเกลียวและหน้าแปลนจะแตกต่างกันเช่นค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของเหล็กกล้าไร้สนิมที่ 50 °C (16.51×10-5 / °C) จะมากกว่าค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของเหล็กกล้าคาร์บอน (11.12×10-5 / °C) หลังจากที่อุปกรณ์ได้รับความร้อนขึ้นเมื่อการขยายตัวของหน้าแปลนมีขนาดเล็กกว่าการขยายตัวของสลักเกลียวหลังจากการประสานงานการเสียรูปการยืดตัวของสลักเกลียวจะลดลงทําให้แรงของสลักเกลียวลดลง หากมีการหลวมอาจทําให้เกิดการรั่วไหลในข้อต่อหน้าแปลน ดังนั้นเมื่อเชื่อมต่อหน้าแปลนอุปกรณ์อุณหภูมิสูงและหน้าแปลนท่อโดยเฉพาะอย่างยิ่งค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุหน้าแปลนและสลักเกลียวแตกต่างกันค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุทั้งสองควรใกล้เคียงที่สุด
จะเห็นได้จาก (1) ว่าความแข็งแรงเชิงกลของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก เช่น 304 และ 316 ต่ํา และความแข็งแรงของผลผลิตที่อุณหภูมิห้อง 304 เพียง 205MPa และ 316 มีเพียง 210MPa เท่านั้น ดังนั้นเพื่อปรับปรุงความสามารถในการป้องกันการผ่อนคลายและป้องกันความเมื่อยล้าของสลักเกลียวจึงใช้มาตรการเพื่อเพิ่มแรงของสลักเกลียวที่ติดตั้ง ตัวอย่างเช่นเมื่อใช้แรงสลักเกลียวการติดตั้งสูงสุดในฟอรัมติดตามผลจําเป็นต้องให้ความเครียดของสลักเกลียวติดตั้งถึง 70% ของความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุสลักเกลียวเพื่อให้ต้องปรับปรุงเกรดความแข็งแรงของวัสดุสลักเกลียวและใช้วัสดุสลักเกลียวเหล็กอัลลอยด์ที่มีความแข็งแรงสูงหรือความแข็งแรงปานกลาง เห็นได้ชัดว่ายกเว้นเหล็กหล่อหน้าแปลนที่ไม่ใช่โลหะหรือปะเก็นยางสําหรับปะเก็นกึ่งโลหะและโลหะที่มีหน้าแปลนเกรดแรงดันสูงกว่าหรือปะเก็นที่มีความเครียดมากขึ้นสลักเกลียวที่ทําจากวัสดุที่มีความแข็งแรงต่ําเช่น 304 และ 316 เนื่องจากแรงสลักเกลียวไม่เพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการในการปิดผนึก
สิ่งที่ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษคือในมาตรฐานวัสดุสลักเกลียวสแตนเลสของอเมริกา 304 และ 316 มีสองประเภท ได้แก่ B8 Cl.1 และ B8 Cl.2 ของ 304 และ B8M Cl.1 และ B8M Cl.2 ของ 316 Cl.1 เป็นสารละลายที่เป็นของแข็งที่ผ่านการบําบัดด้วยคาร์ไบด์ ในขณะที่ Cl.2 ผ่านการบําบัดเสริมความแข็งแรงของสายพันธุ์นอกเหนือจากการบําบัดด้วยสารละลายที่เป็นของแข็ง แม้ว่าจะไม่มีความแตกต่างพื้นฐานในความต้านทานต่อสารเคมีระหว่าง B8 Cl.2 และ B8 Cl.1 แต่ความแข็งแรงเชิงกลของ B8 Cl.2 นั้นดีขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับ B8 Cl.1 เช่น B8 Cl.2 ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3/4" ความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุโบลต์คือ 550MPa ในขณะที่ความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุโบลต์ B8 Cl.1 ของเส้นผ่านศูนย์กลางทั้งหมดมีเพียง 205MPa ความแตกต่างระหว่างทั้งสองมีมากกว่าสองเท่า มาตรฐานวัสดุโบลต์ในประเทศ 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) และ B8 Cl.1 เทียบเท่ากับ B8M Cl.1 [หมายเหตุ: วัสดุโบลต์ S30408 ใน GB/T 150.3 "การออกแบบภาชนะรับความดันส่วนที่สาม" เทียบเท่ากับ B8 Cl.2; S31608 เทียบเท่ากับ B8M Cl.1
ในแง่ของเหตุผลข้างต้น GB/T 150.3 และ GB/T38343 "ข้อบังคับทางเทคนิคสําหรับการติดตั้งข้อต่อหน้าแปลน" กําหนดว่าไม่แนะนําให้ใช้หน้าแปลนของอุปกรณ์แรงดันและข้อต่อหน้าแปลนท่อตามปกติ 304 (B8 Cl.1) และ 316 (B8M Cl. . 1) สลักเกลียวของวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและรอบที่รุนแรง ควรเปลี่ยนเป็น B8 Cl.2 (S30408) และ B8M Cl.2 เพื่อหลีกเลี่ยงแรงสลักเกลียวในการติดตั้งต่ํา
เป็นที่น่าสังเกตว่าเมื่อใช้วัสดุสลักเกลียวที่มีความแข็งแรงต่ํา เช่น 304 และ 316 แม้ในระหว่างขั้นตอนการติดตั้ง เนื่องจากแรงบิดไม่ได้ถูกควบคุม สลักเกลียวอาจเกินความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุ หรือแม้กระทั่งหัก โดยธรรมชาติแล้วหากการรั่วไหลเกิดขึ้นระหว่างการทดสอบแรงดันหรือการเริ่มการทํางานแม้ว่าสลักเกลียวจะยังคงขันให้แน่นแรงของสลักเกลียวจะไม่เพิ่มขึ้นและไม่สามารถหยุดการรั่วไหลได้ นอกจากนี้ สลักเกลียวเหล่านี้ไม่สามารถนํากลับมาใช้ใหม่ได้หลังจากถอดประกอบ เนื่องจากสลักเกลียวได้รับการเสียรูปถาวร และขนาดหน้าตัดของสลักเกลียวมีขนาดเล็กลง และมีแนวโน้มที่จะแตกหักหลังจากติดตั้งใหม่
(1) อะไรคือความแตกต่างพื้นฐานระหว่างวัสดุ 304, 304L, 316 และ 316L?
304, 304L, 316 และ 316L เป็นเกรดสแตนเลสที่ใช้กันทั่วไปในข้อต่อหน้าแปลน รวมถึงหน้าแปลน องค์ประกอบการปิดผนึก และตัวยึด
304, 304L, 316 และ 316L เป็นการกําหนดเกรดสแตนเลสของมาตรฐานอเมริกันสําหรับวัสดุ (ANSI หรือ ASTM) ซึ่งเป็นของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก 300 ซีรีส์ เกรดที่สอดคล้องกับมาตรฐานวัสดุในประเทศ (GB/T) คือ 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L) สแตนเลสประเภทนี้มักเรียกรวมกันว่าสแตนเลส 18-8
ดูตารางที่ 1, 304, 304L, 316 และ 316L มีคุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และทางกลที่แตกต่างกันเนื่องจากการเติมองค์ประกอบและปริมาณโลหะผสม เมื่อเทียบกับสแตนเลสธรรมดามีความต้านทานการกัดกร่อนทนความร้อนและประสิทธิภาพการประมวลผลที่ดี ความต้านทานการกัดกร่อนของ 304L นั้นคล้ายกับ 304 แต่เนื่องจากปริมาณคาร์บอนของ 304L ต่ํากว่า 304 ความต้านทานต่อการกัดกร่อนระหว่างเกรนจึงแข็งแกร่งกว่า 316 และ 316L เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีโมลิบดีนัม เนื่องจากการเติมโมลิบดีนัม ความต้านทานการกัดกร่อนและทนความร้อนจึงดีกว่า 304 และ 304L ในทํานองเดียวกันเนื่องจากปริมาณคาร์บอนของ 316L ต่ํากว่า 316 ความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนของผลึกจึงดีกว่า เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก เช่น 304, 304L, 316 และ 316L มีความแข็งแรงเชิงกลต่ํา ความแข็งแรงของผลผลิตอุณหภูมิห้อง 304 คือ 205MPa, 304L คือ 170MPa; ความแข็งแรงของผลผลิตที่อุณหภูมิห้อง 316 คือ 210MPa และ 316L คือ 200MPa ดังนั้นสลักเกลียวที่ทําจากพวกเขาจึงเป็นของสลักเกลียวเกรดความแข็งแรงต่ํา
ตารางที่ 1 ปริมาณคาร์บอน % ความแข็งแรงของผลผลิตที่อุณหภูมิห้อง MPa อุณหภูมิบริการสูงสุดที่แนะนํา °C
304 ≤0.08 205 816
304 ลิตร ≤0.03 170 538
ก.อ.ต.ฮ๕ ≤0.08 210 816
316 ลิตร ≤0.03 200 538
(2) เหตุใดข้อต่อหน้าแปลนจึงไม่ควรใช้สลักเกลียวของวัสดุเช่น 304 และ 316
ดังที่ได้กล่าวไว้ในการบรรยายก่อนหน้านี้ข้อต่อหน้าแปลนจะแยกพื้นผิวการปิดผนึกของหน้าแปลนทั้งสองออกก่อนเนื่องจากการกระทําของแรงดันภายในส่งผลให้ความเค้นของปะเก็นลดลงตามลําดับและประการที่สองการผ่อนคลายแรงของสลักเกลียวเนื่องจากการผ่อนคลายการคืบของปะเก็นหรือการคืบคลานของสลักเกลียวเองที่อุณหภูมิสูง ยังช่วยลดความเครียดของปะเก็นเพื่อให้ข้อต่อหน้าแปลนรั่วและล้มเหลว
ในการใช้งานจริง การผ่อนคลายแรงของสลักเกลียวเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ และแรงของสลักเกลียวที่ขันเริ่มต้นจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไปเสมอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับข้อต่อหน้าแปลนภายใต้อุณหภูมิสูงและสภาวะรอบที่รุนแรงหลังจากใช้งาน 10,000 ชั่วโมงการสูญเสียโหลดของสลักเกลียวมักจะเกิน 50% และจะลดทอนลงตามความต่อเนื่องของเวลาและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ
เมื่อหน้าแปลนและสลักเกลียวทําจากวัสดุที่แตกต่างกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อหน้าแปลนทําจากเหล็กกล้าคาร์บอนและสลักเกลียวทําจากสแตนเลสค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน 2 ของวัสดุของสลักเกลียวและหน้าแปลนจะแตกต่างกันเช่นค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของเหล็กกล้าไร้สนิมที่ 50 °C (16.51×10-5 / °C) จะมากกว่าค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของเหล็กกล้าคาร์บอน (11.12×10-5 / °C) หลังจากที่อุปกรณ์ได้รับความร้อนขึ้นเมื่อการขยายตัวของหน้าแปลนมีขนาดเล็กกว่าการขยายตัวของสลักเกลียวหลังจากการประสานงานการเสียรูปการยืดตัวของสลักเกลียวจะลดลงทําให้แรงของสลักเกลียวลดลง หากมีการหลวมอาจทําให้เกิดการรั่วไหลในข้อต่อหน้าแปลน ดังนั้นเมื่อเชื่อมต่อหน้าแปลนอุปกรณ์อุณหภูมิสูงและหน้าแปลนท่อโดยเฉพาะอย่างยิ่งค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุหน้าแปลนและสลักเกลียวแตกต่างกันค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุทั้งสองควรใกล้เคียงที่สุด
จะเห็นได้จาก (1) ว่าความแข็งแรงเชิงกลของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก เช่น 304 และ 316 ต่ํา และความแข็งแรงของผลผลิตที่อุณหภูมิห้อง 304 เพียง 205MPa และ 316 มีเพียง 210MPa เท่านั้น ดังนั้นเพื่อปรับปรุงความสามารถในการป้องกันการผ่อนคลายและป้องกันความเมื่อยล้าของสลักเกลียวจึงใช้มาตรการเพื่อเพิ่มแรงของสลักเกลียวที่ติดตั้ง ตัวอย่างเช่นเมื่อใช้แรงสลักเกลียวการติดตั้งสูงสุดในฟอรัมติดตามผลจําเป็นต้องให้ความเครียดของสลักเกลียวติดตั้งถึง 70% ของความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุสลักเกลียวเพื่อให้ต้องปรับปรุงเกรดความแข็งแรงของวัสดุสลักเกลียวและใช้วัสดุสลักเกลียวเหล็กอัลลอยด์ที่มีความแข็งแรงสูงหรือความแข็งแรงปานกลาง เห็นได้ชัดว่ายกเว้นเหล็กหล่อหน้าแปลนที่ไม่ใช่โลหะหรือปะเก็นยางสําหรับปะเก็นกึ่งโลหะและโลหะที่มีหน้าแปลนเกรดแรงดันสูงกว่าหรือปะเก็นที่มีความเครียดมากขึ้นสลักเกลียวที่ทําจากวัสดุที่มีความแข็งแรงต่ําเช่น 304 และ 316 เนื่องจากแรงสลักเกลียวไม่เพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการในการปิดผนึก
สิ่งที่ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษคือในมาตรฐานวัสดุสลักเกลียวสแตนเลสของอเมริกา 304 และ 316 มีสองประเภท ได้แก่ B8 Cl.1 และ B8 Cl.2 ของ 304 และ B8M Cl.1 และ B8M Cl.2 ของ 316 Cl.1 เป็นสารละลายที่เป็นของแข็งที่ผ่านการบําบัดด้วยคาร์ไบด์ ในขณะที่ Cl.2 ผ่านการบําบัดเสริมความแข็งแรงของสายพันธุ์นอกเหนือจากการบําบัดด้วยสารละลายที่เป็นของแข็ง แม้ว่าจะไม่มีความแตกต่างพื้นฐานในความต้านทานต่อสารเคมีระหว่าง B8 Cl.2 และ B8 Cl.1 แต่ความแข็งแรงเชิงกลของ B8 Cl.2 นั้นดีขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับ B8 Cl.1 เช่น B8 Cl.2 ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3/4" ความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุโบลต์คือ 550MPa ในขณะที่ความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุโบลต์ B8 Cl.1 ของเส้นผ่านศูนย์กลางทั้งหมดมีเพียง 205MPa ความแตกต่างระหว่างทั้งสองมีมากกว่าสองเท่า มาตรฐานวัสดุโบลต์ในประเทศ 06Cr19Ni10 (304), 06Cr17Ni12Mo2 (316) และ B8 Cl.1 เทียบเท่ากับ B8M Cl.1 [หมายเหตุ: วัสดุโบลต์ S30408 ใน GB/T 150.3 "การออกแบบภาชนะรับความดันส่วนที่สาม" เทียบเท่ากับ B8 Cl.2; S31608 เทียบเท่ากับ B8M Cl.1
ในแง่ของเหตุผลข้างต้น GB/T 150.3 และ GB/T38343 "ข้อบังคับทางเทคนิคสําหรับการติดตั้งข้อต่อหน้าแปลน" กําหนดว่าไม่แนะนําให้ใช้หน้าแปลนของอุปกรณ์แรงดันและข้อต่อหน้าแปลนท่อตามปกติ 304 (B8 Cl.1) และ 316 (B8M Cl. . 1) สลักเกลียวของวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและรอบที่รุนแรง ควรเปลี่ยนเป็น B8 Cl.2 (S30408) และ B8M Cl.2 เพื่อหลีกเลี่ยงแรงสลักเกลียวในการติดตั้งต่ํา
เป็นที่น่าสังเกตว่าเมื่อใช้วัสดุสลักเกลียวที่มีความแข็งแรงต่ํา เช่น 304 และ 316 แม้ในระหว่างขั้นตอนการติดตั้ง เนื่องจากแรงบิดไม่ได้ถูกควบคุม สลักเกลียวอาจเกินความแข็งแรงของผลผลิตของวัสดุ หรือแม้กระทั่งหัก โดยธรรมชาติแล้วหากการรั่วไหลเกิดขึ้นระหว่างการทดสอบแรงดันหรือการเริ่มการทํางานแม้ว่าสลักเกลียวจะยังคงขันให้แน่นแรงของสลักเกลียวจะไม่เพิ่มขึ้นและไม่สามารถหยุดการรั่วไหลได้ นอกจากนี้ สลักเกลียวเหล่านี้ไม่สามารถนํากลับมาใช้ใหม่ได้หลังจากถอดประกอบ เนื่องจากสลักเกลียวได้รับการเสียรูปถาวร และขนาดหน้าตัดของสลักเกลียวมีขนาดเล็กลง และมีแนวโน้มที่จะแตกหักหลังจากติดตั้งใหม่