不锈钢螺栓材料的选择

现在化工厂越来越注重环境要求，很多换热器裸露在外面的设备法兰螺栓都要求用不锈钢材料，对于x i惯了35CrMo钢的设计人员需要引起注意了，因为不锈钢螺栓可能会引起法兰的泄露问题。

首先法兰接头泄露常见原因：

1. 因为内压力作用使两法兰密封面分离，引起垫片应力相应减少。

2. 因为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，经过一万小时运行后，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材料时，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。

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，当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。

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。

[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／T 38343《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。

这里特别强调一下，根据行业内多家公司的工程实践经验，换热器设备主螺柱工作压力在2Mpa以上或中温以上的时候，不锈钢螺柱需要配碟簧垫圈。由于不锈钢螺栓都是应变强化的，外载荷容易导致螺栓应力松弛。

试想一下GB/T 150为什么要规定固溶处理后经应变强化的S30408螺柱只能用到50℃？

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[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。
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