螺栓不用304材料？这背后不为人知的“猫腻”你知道吗？

（1）304、304L、316 和 316L 材料的基本区别

304、304L、316 和 316L 是法兰接头（包括法兰、密封元件和紧固件）中常用的不锈钢材料。

这些材料是美国材料标准（ANSI 或 ASTM）中的不锈钢种代号，属于奥氏体不锈钢的 300 系列。与国内材料标准（GB/T）对应的牌号分别是：06Cr19Ni10（304）、

022Cr19Ni10（304L）、06Cr17Ni12Mo2 （316）、022Cr17Ni12Mo2（316L）。通常将这类不锈钢统称为 18 - 8 不锈钢。

从表 1 可以看出，由于加入的合金元素及其含量不同，304、304L、316 和 316L 的理化和机械性能存在差异。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，但由于 304L 的含碳量比 304 低，所以其抗晶间腐蚀能力更强。316 和 316L 是含钼不锈钢，因添加了钼元素，其耐蚀性和耐热性比 304

 和 304L 更优异。同理，316L 的含碳量比 316 低，其抗晶间腐蚀能力也更优良。此外，304、304L、316 和 316L 一类奥氏体不锈钢的力学强度较低，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 各材料含碳量、室温屈服强度及推荐使用温度

（2）为什么法兰接头不应采用 304 和 316 等一类材料的螺栓

如前文所述，法兰接头存在两种可能导致泄漏失效的情况。一是因内压力作用使两法兰密封面分离，进而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，

导致螺栓力松弛，同样会使垫片应力下降，致使法兰接头发生泄漏失效。

在实际运行中，螺栓力松弛是不可避免的，初始拧紧的螺栓力总会随时间推移而有所降低。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

常常会超过 50%，并且会随着时间延续和温度升高而持续衰减。

当法兰和螺栓采用不同材料，尤其是法兰为碳钢、螺栓为不锈钢时，由于螺栓和法兰材料的热膨胀系数不同（例如，在 50℃下，不锈钢的热膨胀系数为 16.51×10⁻⁵／℃，碳钢

的热膨胀系数为 11.12×10⁻⁵／℃），装置升温后，若法兰的膨胀量小于螺栓的膨胀量，在变形协调后，螺栓伸长量减小，会引起螺栓力松弛，这可能导致法兰接头发生泄漏。

因此，在高温的设备法兰和管法兰接头中，特别是当法兰和螺栓材料的热膨胀系数不同时，应尽可能使两者材料的热膨胀系数相近。

由前文可知，304 和 316 一类奥氏体不锈钢的力学强度较低，304 的室温屈服强度仅为 205MPa，316 也只有 210MPa。为了提高螺栓抗松弛和抗疲劳的能力，通常会采取提高

安装螺栓力的措施。例如，在后续内容中将会提到，采用临界安装螺栓力时，要求安装螺栓应力达到螺栓材料屈服强度的 70%，这就要求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。显然，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，由于螺栓力不足，

无法达到密封要求。

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。其中，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 的力学强度有显著提高。例如，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／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下，应更换为 B8 Cl.2(S30408) 和 B8M Cl.2，以避免因安装螺栓力不足而出现问题。

值得注意的是，当采用 304、316 这类低强度螺栓材料时，甚至在安装阶段，由于没有对扭矩进行有效控制，螺栓可能已超过材料屈服强度，甚至发生断裂。自然，若在耐压试验或

开始运行时就已经出现泄漏，即使继续拧紧螺栓，螺栓力也难以提升，无法阻止泄漏。此外，这些螺栓拆卸后不能重复使用，因为螺栓已经产生了变形，螺栓截面尺寸变小，再次

安装时容易发生拧断。