ซีลข้อต่อหน้าแปลน - เหตุใดจึงไม่แนะนำให้ใช้วัสดุ 304 สำหรับสลักเกลียว?

(1) ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างวัสดุ 304, 304L, 316 และ 316L มีอะไรบ้าง
​
​
​
304, 304L, 316 และ 316L เป็นวัสดุสแตนเลสที่นิยมใช้ทำข้อต่อหน้าแปลน รวมทั้งหน้าแปลน ชิ้นส่วนซีล และตัวยึด
​
​
​
304, 304L, 316 และ 316L เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมตามมาตรฐานวัสดุอเมริกัน (ANSI หรือ ASTM) ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่มเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก 300 ซีรีส์ เกรดที่สอดคล้องกับมาตรฐานวัสดุในประเทศ (GB/T) ได้แก่ 06Cr19Ni10 (304), 022Cr19Ni10 (304L), 06Cr17Ni12Mo2 (316), 022Cr17Ni12Mo2 (316L) เหล็กกล้าไร้สนิมประเภทนี้มักเรียกกันว่าเหล็กกล้าไร้สนิม 18-8

ดูตารางที่ 1 304, 304L, 316 และ 316L เนื่องจากการเติมธาตุโลหะผสมและปริมาณที่แตกต่างกัน คุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และกลศาสตร์ของพวกมันก็แตกต่างกันเช่นกัน เมื่อเปรียบเทียบกับสแตนเลสทั่วไป พวกมันจึงมีความต้านทานการกัดกร่อน ทนความร้อน และมีคุณสมบัติในการแปรรูปที่ดี ความต้านทานการกัดกร่อนของ 304L นั้นใกล้เคียงกับ 304 แต่เนื่องจากปริมาณคาร์บอนของ 304L ต่ำกว่า 304 จึงมีความต้านทานการกัดกร่อนตามขอบเกรนที่แข็งแกร่งกว่า 316, 316L เป็นสแตนเลสที่มีโมลิบดีนัม เนื่องจากมีการเติมธาตุโมลิบดีนัม จึงมีความต้านทานการกัดกร่อนและทนความร้อนได้ดีกว่า 304, 304L ในทำนองเดียวกัน เนื่องจากปริมาณคาร์บอนของ 316L ต่ำกว่า 316 จึงมีความต้านทานการกัดกร่อนของผลึกที่ดีกว่า ความแข็งแรงเชิงกลของสเตนเลสออสเทนนิติก 304, 304L, 316 และ 316L อยู่ในระดับต่ำ และความแข็งแรงผลผลิตของ 304 อยู่ที่ 205MPa ที่อุณหภูมิห้อง และ 304L อยู่ที่ 170MPa ความแข็งแรงผลผลิตของ 316 ที่อุณหภูมิห้องอยู่ที่ 210MPa และ 316L อยู่ที่ 200MPa ดังนั้น สลักเกลียวที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมเหล่านี้จึงจัดอยู่ในกลุ่มความแข็งแรงต่ำ

ตารางที่ 1 ปริมาณคาร์บอน % ความแข็งแรงผลผลิตที่อุณหภูมิห้อง MPa อุณหภูมิการทำงานสูงสุดที่แนะนำ องศา
​
304 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.08                                          205                                                   816
​
304L น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.03                                          170                                                   538
​
316 น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.08                                          210                                                   816
​
316L น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.03                                          200                                                   538

(2) เพราะเหตุใดข้อต่อหน้าแปลนจึงไม่ควรใช้สลักเกลียวที่ทำจากวัสดุ 304 และ 316
​
ตามที่กล่าวมาข้างต้น ข้อต่อหน้าแปลนเกิดจากการกระทำของแรงดันภายในเพื่อแยกพื้นผิวปิดผนึกของหน้าแปลนทั้งสองออกจากกัน ทำให้ความเค้นของปะเก็นลดลงตามลำดับ และประการที่สองเกิดจากความคืบและการผ่อนคลายของปะเก็นที่อุณหภูมิสูงหรือสลักเกลียวเองที่เกิดจากความคืบและการผ่อนคลายแรงของสลักเกลียว ซึ่งส่งผลให้ความเค้นของปะเก็นลดลง และความล้มเหลวในการรั่วของข้อต่อหน้าแปลน

ในการทำงานจริง แรงคลายของสลักเกลียวเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ และแรงของสลักเกลียวในการขันเริ่มต้นจะลดลงตามเวลา โดยเฉพาะในข้อต่อหน้าแปลนภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงและรอบการทำงานที่เข้มข้น หลังจากการทำงาน 10,000 ชั่วโมง การสูญเสียแรงของสลักเกลียวจะเกิน 50% บ่อยครั้ง และลดลงเมื่อเวลาผ่านไปและอุณหภูมิเพิ่มขึ้น

เมื่อหน้าแปลนและสลักเกลียวเป็นวัสดุที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อหน้าแปลนเป็นเหล็กกล้าคาร์บอนและสลักเกลียวเป็นสแตนเลส เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของสลักเกลียวและวัสดุหน้าแปลนแตกต่างกัน เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเหล็กกล้าไร้สนิมที่ 50 องศา (16.51×10-5 / องศา) มากกว่าค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเหล็กกล้าคาร์บอน (11.12×10-5 / องศา) อุปกรณ์จึงได้รับความร้อน เมื่อการขยายตัวของหน้าแปลนน้อยกว่าการขยายตัวของสลักเกลียว หลังจากการประสานงานการเสียรูป การลดลงของการยืดตัวของสลักเกลียวทำให้แรงของสลักเกลียวคลายตัว ซึ่งอาจนำไปสู่การรั่วไหลของข้อต่อหน้าแปลน ดังนั้น เมื่อหน้าแปลนอุปกรณ์อุณหภูมิสูงและข้อต่อหน้าแปลนท่อ โดยเฉพาะอย่างยิ่งค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของหน้าแปลนและวัสดุสลักเกลียวแตกต่างกัน ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุทั้งสองจะใกล้เคียงกันมากที่สุด

จะเห็นได้จาก (1) ว่าความแข็งแรงเชิงกลของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก 304 และ 316 นั้นต่ำ และความแข็งแรงผลผลิตของ 304 ที่อุณหภูมิห้องอยู่ที่ 205MPa เท่านั้น และของ 316 อยู่ที่ 210MPa เท่านั้น ดังนั้น เพื่อปรับปรุงความสามารถในการป้องกันการคลายตัวของสลักเกลียวและป้องกันความเมื่อยล้าของสลักเกลียว ให้ใช้มาตรการเพื่อปรับปรุงแรงสลักเกลียวในการติดตั้ง เช่น แรงสลักเกลียวในการติดตั้งสูงสุดที่จะกล่าวถึงในฟอรัมถัดไป แรงสลักเกลียวในการติดตั้งจะต้องถึง 70% ของความแข็งแรงผลผลิตของวัสดุสลักเกลียว ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับปรุงความแข็งแรงของวัสดุสลักเกลียว การใช้โลหะผสมเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงหรือความแข็งแรงปานกลาง เห็นได้ชัดว่า นอกเหนือจากเหล็กหล่อ หน้าแปลนที่ไม่ใช่โลหะ หรือปะเก็นยางแล้ว สำหรับปะเก็นโลหะกึ่งโลหะที่มีเกรดแรงดันสูงหรือความเครียดของปะเก็น สลักเกลียวที่มีวัสดุความแข็งแรงต่ำ 304, 316 ดังกล่าวไม่สามารถตอบสนองความต้องการการปิดผนึกได้เนื่องจากแรงสลักเกลียวไม่เพียงพอ

สิ่งที่ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษที่นี่คือ 304 และ 316 มีสองหมวดหมู่ในมาตรฐานวัสดุโบลต์สแตนเลสของสหรัฐอเมริกา ได้แก่ B8 Cl.1 และ B8 Cl.2 ของ 304 และ B8M Cl.1 และ B8M Cl.2 ของ 316 โดย Cl.1 ได้รับการบำบัดด้วยสารละลายของแข็งคาร์ไบด์ ในขณะที่ Cl.2 ได้รับการบำบัดด้วยการเสริมความแข็งแรงด้วยความเครียดนอกเหนือไปจากการบำบัดด้วยสารละลายของแข็ง แม้ว่าจะไม่มีความแตกต่างพื้นฐานระหว่าง B8 Cl.2 และ B8 Cl.1 ในด้านความต้านทานการกัดกร่อนทางเคมี แต่ความแข็งแรงเชิงกลของ B8 Cl.2 ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับ B8 Cl.1 เช่น ความแข็งแรงผลผลิตของวัสดุโบลต์ B8 Cl.2 ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3/4 นิ้ว คือ 550MPa ความแข็งแรงผลผลิตของเส้นผ่านศูนย์กลางทั้งหมดของวัสดุโบลต์ B8Cl.1 อยู่ที่ 205MPa เท่านั้น ซึ่งมากกว่าความแตกต่างระหว่างทั้งสองมากกว่าสองเท่า มาตรฐานวัสดุโบลต์ในประเทศ 06Cr19Ni10(304), 06Cr17Ni12Mo2(316) และเทียบเท่า B8Cl.1 และ B8M Cl.1 [หมายเหตุ: วัสดุโบลต์ S30408 ​​ใน GB/T 150.3 "Pressure Vessel Part III Design" เทียบเท่ากับ B8 Cl.2 ส่วน S31608 เทียบเท่ากับ B8M Cl.1

ด้วยเหตุผลดังกล่าวข้างต้น GB/T 150.3 และ GB/ T38343 "ข้อบังคับทางเทคนิคสำหรับการติดตั้งข้อต่อหน้าแปลน" กำหนดว่าไม่แนะนำให้ใช้สลักเกลียวที่ทำจากวัสดุ 304 (B8 Cl.1) และ 316 (B8M Cl.1) ทั่วไปสำหรับหน้าแปลนอุปกรณ์แรงดันและหน้าแปลนท่อ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะอุณหภูมิสูงและรอบการทำงานที่รุนแรง ควรเปลี่ยนสลักเกลียว B8 Cl.2 (S30408) และ B8M Cl.2 เพื่อหลีกเลี่ยงแรงยึดสลักเกลียวที่ต่ำ

ที่น่าสังเกตก็คือเมื่อใช้วัสดุสลักเกลียวที่มีความแข็งแรงต่ำ เช่น 304 และ 316 แม้ในขั้นตอนการติดตั้ง สลักเกลียวอาจเกินความแข็งแรงของวัสดุหรืออาจแตกหักได้เนื่องจากไม่มีการควบคุมแรงบิด โดยธรรมชาติแล้ว หากมีการรั่วไหลในระหว่างการทดสอบแรงดันหรือเมื่อเริ่มการทำงาน แม้ว่าสลักเกลียวจะขันแน่นต่อไป แรงของสลักเกลียวจะไม่เพิ่มขึ้นและไม่สามารถป้องกันการรั่วไหลได้ นอกจากนี้ สลักเกลียวเหล่านี้ไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้หลังจากถอดออก เนื่องจากสลักเกลียวทำให้เกิดการเสียรูปถาวร ขนาดส่วนของสลักเกลียวจะเล็กลง และเมื่อติดตั้งแล้วก็จะแตกหักได้ง่าย