304 和316材料的螺栓使用注意事项

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 是美国材料标准(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 推荐最高使用温度，℃

304     ≤0.08           205                816

304L    ≤0.03          170                538

316     ≤0.08           210                816

316L    ≤0.03          200                538


(2) 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 将会讲到采用最大安装螺栓力时，要求安装螺栓应力达到 70%的螺栓材料屈服强度，这样就必须提高螺栓 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B8 Cl.1和B8 Cl.2 以及 316 的 B8M Cl.1 和 B8M Cl.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 B8 Cl.2 和 B8 Cl.1 在耐化学腐蚀性上没有根本区别，但相对 B8 Cl.1，B8 Cl.2 的 力学强度获得相当提高，如直径为3/4”的B8 Cl.2 螺栓材料的屈服强度为550MPa，而所有直径的 B8 Cl.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B8 Cl.1 和 B8M Cl.1 相当。[注：GB/T 150.3《压力容器 第三部分 设计》中的螺栓材料 S30408 与 B8 Cl.2 相当；S31608 与 B8M Cl.1 相当。

    鉴于以上原因，GB/T 150.3 和 GB／T38343《法兰接头安装技术规定》中，规定承压设备法兰和管法兰接头不推荐使用通常的 304（B8 Cl.1）和 316（B8M Cl.1）材料的螺栓，尤其在高温和剧烈循环工况，应更替为 B8 Cl.2(S30408) 和 B8M Cl.2，以避免低下的安装螺栓力。

    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，因螺栓已经产生了永久变形，螺栓截面尺寸变小，再安装就容易发生拧断。

304和316材料的螺栓使用注意事项包括但不限于：

1. 材料特性：304和316不锈钢螺栓具有良好的耐蚀性和加工性能，316和316L由于含有钼，其耐腐蚀性和耐温性会更强。304L和316L由于碳含量较低，相对于它们的非低碳对应型号（304和316），具有更好的抗晶间腐蚀能力。

2. 力学性能：304、304L、316和316L奥氏体不锈钢力学强度相对较低，属于低强度级别的螺栓材料。由表1可见，它们的室温屈服强度相对较低，因此当需要较高强度要求时，它们可能不是最佳选择。

3. 高温和循环工况下的使用：在高温或剧烈温度循环工况下，螺栓力的松弛是不可避免的。特别是对于具有不同热膨胀系数的材料组合，如不锈钢螺栓配合碳钢法兰，在温度变化下可能导致螺栓力下降，引起法兰接头泄漏。在这种情况下，应尽可能选择热膨胀系数相近的材料。

4. 提高螺栓力：为了提高螺栓抗松弛和抗疲劳的能力，可能需要采取提高安装螺栓力的措施，这意味着需要选择具有更高强度等级的螺栓材料，例如高强度或中强度合金钢螺栓材料。

5. 标准和规范：据美国不锈钢螺栓材料标准，304和316材料螺栓分为两个类别，B8 Class 1和Class 2，以及B8M Class 1和Class 2。其中Class 2类别的螺栓在经过应变强化处理之后，强度更高。根据GB/T规范，不推荐在高温和剧烈循环工况下使用常规的304（B8 Class 1）和316（B8M Class 1）材料螺栓。

6. 安装和维护：低强度螺栓材料，如304和316，需要在安装时特别注意控制扭矩，以防螺栓材料超过屈服强度或发生断裂。这些螺栓在拆卸后通常不能重复使用，因为它们可能已经发生了永久变形。

总结而言，304和316类不锈钢螺栓虽然具备优秀的耐蚀性，但在需要承受高负荷、高温度或剧烈热循环的工况下，其低强度可能导致螺栓的力学性能不足，从而引起连接的泄漏。在这些情况下，应选择更高强度的螺栓材料或通过特殊处理如应变强化来提高现有材料的性能。
.

感谢分享