フランジジョイントシール - 304 材質がボルトに推奨されないのはなぜですか?
（1）304、304L、316、316L材料の基本的な違いは何ですか？
304、304L、316、316L は、フランジ、シーリング要素、ファスナーなどのフランジジョイントによく使用されるステンレス鋼材料です。
304、304L、316、316L は、オーステナイト系ステンレス鋼の 300 シリーズに属する米国材料規格 (ANSI または ASTM) のステンレス鋼の指定です。国内材料規格 (GB/T) に対応するグレードは、06Cr19Ni10 (304)、022Cr19Ni10 (304L)、06Cr17Ni12Mo2 (316)、022Cr17Ni12Mo2 (316L) です。このタイプのステンレス鋼は、通常 18-8 ステンレス鋼と呼ばれます。
表1を参照してください。304、304L、316、316Lは添加される合金元素とその量が異なり、物理的、化学的、機械的性質も異なります。通常のステンレス鋼と比較して、耐食性、耐熱性、加工性が優れています。304Lの耐食性は304と似ていますが、304Lの炭素含有量は304よりも低いため、粒界腐食に対する耐性が強くなります。316、316Lはモリブデンを含むステンレス鋼で、モリブデン元素が添加されているため、304、304Lよりも耐食性、耐熱性が優れています。同様に、316Lの炭素含有量は316よりも低いため、結晶腐食に対する耐性が優れています。 304、304L、316、316Lオーステナイト系ステンレス鋼の機械的強度は低く、304の常温での降伏強度は205MPa、304Lは170MPaです。316の常温での降伏強度は210MPa、316Lは200MPaです。したがって、これらの鋼で作られたボルトは低強度クラスのボルトに属します。
表1 炭素含有量 % 常温での降伏強度 MPa 推奨最高使用温度、度
304 0以下。08 205 816
304L 0以下。03 170 538
316 0.08 210 816 以下
316L 0.03 200 538 以下
（２）フランジ接合部に304材や316材のボルトを使用しないのはなぜですか？
前述のように、フランジ接合部は、内部圧力の作用により2つのフランジのシール面が分離し、それに応じてガスケット応力が低下し、2つ目は高温でのガスケットのクリープ緩和、またはボルト自体のクリープによるボルト力の緩和により、ガスケット応力が低下し、フランジ接合部の漏れ故障が発生します。
実際の運転では、ボルト力の緩和は避けられず、初期締め付け時のボルト力は必ず時間とともに低下します。特に、高温および激しいサイクル条件下のフランジ接合部では、運転後10,000時間でボルト荷重損失が50%を超えることが多く、時間の経過および温度の上昇とともに減少します。
フランジとボルトの材質が異なる場合、特にフランジが炭素鋼でボルトがステンレス鋼の場合、ボルトとフランジ材質の熱膨張係数が異なるため、例えばステンレス鋼の 50 度における熱膨張係数 (16.51×10-5 / 度) は炭素鋼の熱膨張係数 (11.12×10-5 / 度) より大きいため、装置が加熱されます。フランジの膨張がボルトの膨張より小さい場合、変形調整後、ボルトの伸びの減少によってボルト力が緩和され、フランジ接合部の漏れにつながる可能性があります。そのため、高温機器のフランジとパイプフランジ接合部、特にフランジとボルト材質の熱膨張係数が異なる場合は、2 つの材料の熱膨張係数をできる限り近づけます。
（1）から、304と316オーステナイト系ステンレス鋼の機械的強度が低く、304の常温での降伏強度はわずか205MPa、316はわずか210MPaであることがわかります。そのため、ボルトの耐弛緩性と耐疲労性を向上させるには、取り付けボルトの力を向上させる対策を講じる必要があります。たとえば、最大取り付けボルト力については後述しますが、取り付けボルトの応力はボルト材料の降伏強度の70％に達する必要があるため、ボルト材料の強度を向上させる必要があり、高強度または中強度合金鋼ボルト材料を使用します。鋳鉄、非金属フランジ、ゴム製ガスケットに加えて、圧力グレードやガスケット応力が高い半金属および金属ガスケットの場合、304、316などの低強度材料のボルトは、ボルト力が不十分なため、シール要件を満たすことができないことは明らかです。
ここで特に注意する必要があるのは、304 と 316 には、米国のステンレス鋼ボルト材料規格で 2 つのカテゴリ、つまり 304 の B8 Cl.1 と B8 Cl.2、および 316 の B8M Cl.1 と B8M Cl.2 があることです。Cl.1 は炭化物固溶体処理が施され、Cl.2 は固溶体処理に加えてひずみ強化処理が施されています。 B8 Cl.2とB8 Cl.1の耐化学腐食性には基本的な違いはありませんが、B8 Cl.2の機械的強度はB8 Cl.1に比べて大幅に向上しています。たとえば、直径3/4インチのB8 Cl.2ボルト材料の降伏強度は550MPaです。B8Cl.1ボルト材料のすべての直径の降伏強度はわずか205MPaで、両者の差は2倍以上です。国内のボルト材料規格06Cr19Ni10（304）、06Cr17Ni12Mo2（316）、およびB8Cl.1とB8M Cl.1は同等です。[注：GB / T 150.3「圧力容器パートIII設計」のボルト材料S30408はB8 Cl.2に相当し、S31608はB8M Cl.1に相当します。
上記の理由から、GB/T 150.3 および GB/T38343「フランジジョイント設置技術規則」では、圧力機器フランジおよびパイプフランジ用の通常の 304 (B8 Cl.1) および 316 (B8M Cl.1) 材質のボルトは、特に高温および激しいサイクル条件では推奨されないと規定されています。取り付けボルトの力が低下するのを避けるために、B8 Cl.2 (S30408) および B8M Cl.2 を交換する必要があります。
注意すべき点は、304や316などの低強度ボルト材料を使用すると、取り付け段階でも、トルク管理が不十分なためにボルトが材料の降伏強度を超えたり、破損したりする可能性があるということです。当然、圧力テストや運転開始時に漏れが発生した場合、ボルトを締め続けてもボルト力が上がらず、漏れを防ぐことはできません。また、これらのボルトは取り外した後に再利用できません。ボルトが永久変形を起こし、ボルト断面のサイズが小さくなり、取り付け時に破損しやすくなるためです。