| Марка | Материал | Мин. прочность, МПа (ksi) | Мин. текучесть, МПа (ksi) | Твёрдость макс. | Темп. диапазон, °C |
|---|---|---|---|---|---|
| B7 | Хром-молибденовая сталь AISI 4140 | 860 (125) | 720 (105) | 35 HRC / 321 HBW | -29 до +454 |
| B7M | Хром-молибденовая сталь | 690 (100) | 517 (75) | 235 HBW / 99 HRB | -29 до +454 |
| B16 | Хром-молибден-ванадиевая сталь | 860 (125) | 720 (105) | 34 HRC / 319 HBW | -29 до +593 |
| B8 Class 1 | Нержавеющая сталь AISI 304 | 515 (75) | 205 (30) | 96 HRB / 223 HBW | -198 до +816 |
| B8 Class 2 | AISI 304 деформ. упрочн. | 860 (125) | 690 (100) | 35 HRC / 321 HBW | -198 до +427 |
| B8M Class 1 | Нержавеющая сталь AISI 316 | 515 (75) | 205 (30) | 96 HRB / 223 HBW | -198 до +816 |
| B8M Class 2 | AISI 316 деформ. упрочн. | 690 (100) | 345 (50) | 35 HRC / 321 HBW | -198 до +427 |
| Марка | Материал | Proof stress, МПа (ksi) | Твёрдость | Применение с болтами | Термообработка |
|---|---|---|---|---|---|
| 2H | Углеродистая/легированная сталь | 1210 (175) | 24-38 HRC | B7, B7M | Закалка + отпуск ≥455°C |
| 2HM | Углеродистая/легированная сталь | 1035 (150) | B159-B237 | B7M | 100% контроль твёрдости |
| 7 | Хром-молибденовая сталь | 1210 (175) | 24-38 HRC | B16 | Закалка + отпуск |
| 8 Class 1 | Нержавеющая AISI 304 | 550 (80) | B126-B300 | B8 Class 1 | Аустенизация |
| 8 Class 2 | AISI 304 деформ. упрочн. | 860 (125) | ≤321 HBW | B8 Class 2 | Аустенизация + наклёп |
| 8M Class 1 | Нержавеющая AISI 316 | 550 (80) | B126-B300 | B8M Class 1 | Аустенизация |
| 8M Class 2 | AISI 316 деформ. упрочн. | 690 (100) | ≤321 HBW | B8M Class 2 | Аустенизация + наклёп |
| Тип применения | Болты/шпильки ASTM A193 | Гайки ASTM A194 | Классы фланцев | Температурные ограничения, °C |
|---|---|---|---|---|
| Стандартные высокотемп. | B7 | 2H | Любые (150-2500) | -29 до +454 |
| Кислые среды H₂S | B7M | 2HM | Любые (150-2500) | -29 до +454 |
| Сверхвысокотемпературные | B16 | 7 | Любые (150-2500) | -29 до +593 |
| Коррозионностойкие | B8 Class 1 | 8 Class 1 | Любые (150-2500) | -198 до +816 |
| Высокопрочные коррозионн. | B8 Class 2 | 8 Class 2 | 900 и выше | -198 до +427 |
| Хлоридные среды | B8M Class 1 | 8M Class 1 | Любые (150-2500) | -198 до +816 |
| Хлор., высокопрочные | B8M Class 2 | 8M Class 2 | 900 и выше | -198 до +427 |
Область применения высокотемпературного крепежа
Крепёжные изделия для эксплуатации при повышенных температурах и давлениях представляют критически важные элементы технологических установок нефтегазопереработки, химической промышленности и энергетики. Болты, шпильки и гайки, изготовленные в соответствии со спецификациями ASTM A193 и ASTM A194, обеспечивают надёжность фланцевых соединений трубопроводов, сосудов давления, арматуры и теплообменного оборудования при температурах от криогенных значений до 816 градусов Цельсия.
Номенклатура высокотемпературного крепежа включает легированные стали с хромом и молибденом для работы при температурах до 454 градусов, хром-молибден-ванадиевые композиции для диапазона до 593 градусов, а также аустенитные нержавеющие стали классов 304 и 316 для применения в коррозионных средах. Каждый класс материалов характеризуется специфическими механическими свойствами, определяемыми химическим составом и режимами термообработки согласно требованиям спецификаций.
Критические параметры выбора
Выбор марки крепежа определяется рабочей температурой металла, расчётным давлением в системе, наличием агрессивных компонентов в рабочей среде, требованиями к низкотемпературной ударной вязкости и классом прочности фланцевого соединения по ASME B16.5. Неправильный подбор материала приводит к потере предварительного натяжения, разгерметизации соединений и аварийным ситуациям.
Спецификация ASTM A193: марки болтов для критических условий
Марка B7: основной класс для высокотемпературных применений
Марка B7 представляет собой термообработанную хромомолибденовую сталь, типичный состав которой соответствует AISI 4140, 4142 или 4145. Для диаметров до 63 миллиметров минимальная прочность на растяжение составляет 860 МПа, предел текучести 720 МПа, максимальная твёрдость ограничена значением 35 HRC. Термическая обработка включает закалку в жидкой среде с последующим отпуском при температуре, определяемой требуемыми свойствами материала.
Рабочий температурный диапазон марки B7 составляет от минус 29 до плюс 454 градусов Цельсия по данным производителей крепежа. Фактические температурные пределы для конкретных применений устанавливаются инженерными кодами ASME B31.1, B31.3 и ASME BPVC Section VIII. При температурах выше 260 градусов необходимо учитывать начало области ползучести материала, что требует корректировки расчётных напряжений согласно применимым нормам проектирования.
Марка B7M: модификация для сероводородных сред
Марка B7M обладает идентичным с B7 химическим составом, но отличается пониженными требованиями к механическим свойствам и обязательным стопроцентным контролем твёрдости всех изделий партии. Минимальная прочность составляет 690 МПа, предел текучести 517 МПа, максимальная твёрдость ограничена 235 HBW или 99 HRB. Пониженная твёрдость обеспечивает сопротивление сульфидному и хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением в присутствии сероводорода.
Финальная термообработка болтов B7M, которой может являться операция отпуска при температуре не менее 620 градусов Цельсия, выполняется после всех механических операций, включая накатку или нарезку резьбы. Допускается применение стали AISI 4130 или 4130H при условии обеспечения требуемых механических характеристик для данных размеров поперечного сечения.
Марка B16: высокотемпературная хром-молибден-ванадиевая сталь
Марка B16 содержит дополнительно легирующий элемент ванадий в составе хромомолибденовой основы. Механические свойства аналогичны марке B7 при стандартной температуре, однако добавка ванадия и повышенная температура отпуска позволяют сохранять микроструктуру и прочностные характеристики при рабочих температурах до 593 градусов Цельсия. Для подтверждения характеристик проводится испытание на длительную прочность при 595 градусах Цельсия и напряжении 140 МПа с минимальной продолжительностью до разрушения 25 часов.
Марка B16 не обладает коррозионной стойкостью в отсутствие защитных покрытий, что требует применения цинкования, кадмирования или иных антикоррозионных обработок. Применяется преимущественно в паровых турбинах, котельных установках и высокотемпературных технологических аппаратах нефтехимических производств.
Марки B8 и B8M: аустенитные нержавеющие стали
Марка B8 изготавливается из аустенитной нержавеющей стали типа AISI 304, содержащей 18 процентов хрома и 8 процентов никеля. Марка B8M использует сталь AISI 316 с добавлением 2-3 процентов молибдена, что обеспечивает повышенную коррозионную стойкость в хлоридсодержащих средах. Каждая марка подразделяется на классы в зависимости от термообработки и наличия деформационного упрочнения.
Класс 1 характеризуется карбидной аустенизацией материала с минимальной прочностью 515 МПа и пределом текучести 205 МПа. Класс 2 дополнительно подвергается деформационному упрочнению. Для марки B8 Class 2 минимальная прочность составляет 860 МПа и предел текучести 690 МПа. Для марки B8M Class 2 минимальная прочность составляет 690 МПа и предел текучести 345 МПа. Класс 2 рекомендуется для фланцев высоких классов давления 900 и выше в случаях больших диаметров соединений.
Температурные ограничения аустенитного крепежа
Аустенитные стали класса 1 работоспособны в диапазоне от минус 198 до плюс 816 градусов Цельсия. Деформационно упрочнённые материалы класса 2 ограничены верхним пределом 427 градусов из-за рекристаллизации структуры при более высоких температурах. Для криогенных применений ниже минус 200 градусов требуется проведение испытаний на ударную вязкость по методу Шарпи.
Спецификация ASTM A194: требования к гайкам
Спецификация ASTM A194 регламентирует производство гаек из углеродистой, легированной и нержавеющей стали для применения совместно с болтами и шпильками по ASTM A193 в условиях высокого давления и температуры. Номинальные диаметры резьбы охватывают диапазон от 6 до 100 миллиметров. Форма гаек определяется стандартом ANSI B18.2.2, предусматривающим тяжёлую шестигранную серию.
Механические свойства гаек характеризуются испытательным напряжением proof stress, представляющим собой напряжение, при котором гайка не должна разрушаться при испытаниях на специальной конической оправке. Это отличается от обычных испытаний на растяжение, применяемых для болтов.
Марка 2H: высокопрочные гайки для легированного крепежа
Марка 2H представляет собой углеродистую или легированную сталь, подвергнутую закалке и отпуску при температуре не менее 455 градусов Цельсия. Испытательное напряжение proof stress составляет 1210 МПа, твёрдость находится в диапазоне 24-38 HRC. Гайки 2H являются стандартным выбором для использования с болтами B7 и B7M в соединениях трубопроводной арматуры и фланцев из углеродистых и низколегированных сталей.
Широкое распространение марки 2H обусловлено хорошей доступностью изделий различных диаметров и покрытий на рынке крепежа. В отдельных случаях гайки 2H применяются в качестве замены гаек ASTM A563 марки DH, характеризующихся ограниченной номенклатурой типоразмеров и антикоррозионных исполнений.
Марка 7: гайки для высокотемпературных болтов B16
Марка 7 изготавливается из хромомолибденовой стали и обладает механическими характеристиками, сопоставимыми с маркой 2H. Применяется эксклюзивно совместно с болтами марки B16 для обеспечения совместимости температурных коэффициентов расширения и механических свойств болтового соединения при температурах до 593 градусов Цельсия. Для низкотемпературных применений ниже минус 29 градусов требуется проведение испытаний на ударную вязкость методом Шарпи.
Марки 8 и 8M: аустенитные нержавеющие гайки
Марка 8 производится из нержавеющей стали AISI 304, марка 8M из стали AISI 316 с добавлением молибдена. Класс 1 характеризуется карбидной аустенизацией с испытательным напряжением 550 МПа. Класс 2 дополнительно упрочнён пластической деформацией до испытательного напряжения 860 МПа для марки 8 и 690 МПа для марки 8M.
Применение гаек 8 и 8M предпочтительно в химическом, пищевом и фармацевтическом оборудовании, морских и прибрежных установках, где критична коррозионная стойкость соединений. Марка 8M обеспечивает улучшенную стойкость в хлоридных растворах, морской воде и кислотных средах по сравнению с маркой 8.
Термическая обработка и микроструктура
Легированные стали марок B7, B7M, B16 и гаек 2H, 7 подвергаются закалке и отпуску для формирования мартенситной или мартенситно-бейнитной структуры с заданным уровнем прочности и вязкости. Закалка осуществляется нагревом до аустенитного состояния с последующим охлаждением в жидкой среде, обеспечивающим скорость, достаточную для мартенситного превращения. Отпуск проводится при температурах, определяемых требуемой твёрдостью и микроструктурой.
Для марки B16 нагрев под закалку проводится в интервале температур 925-955 градусов Цельсия с последующей закалкой в масле. Минимальная температура отпуска регламентируется спецификацией в зависимости от диаметра изделия. Марка B7M требует финальной термообработки после всех механических операций для обеспечения структурной однородности и исключения зон повышенной твёрдости, склонных к коррозионному растрескиванию.
Аустенитные стали марок B8, B8M, 8, 8M подвергаются карбидной аустенизации, заключающейся в нагреве до температур 1040-1120 градусов Цельсия с последующей быстрой закалкой в воде или ином охлаждающем агенте. Цель обработки состоит в растворении карбидов хрома и получении однофазной аустенитной структуры с максимальной коррозионной стойкостью. Деформационное упрочнение класса 2 выполняется холодной пластической деформацией после аустенизации, что увеличивает плотность дислокаций и повышает прочностные характеристики.
Применение в фланцевых соединениях по ASME B16.5
Стандарт ASME B16.5 регламентирует размеры, материалы и номинальные давления фланцев и фланцевой арматуры диаметром от 12,7 до 610 миллиметров в классах давления 150, 300, 400, 600, 900, 1500 и 2500. Стандарт содержит требования к болтовым соединениям, прокладкам и методам монтажа фланцевых узлов. Крепёжные материалы классифицируются на высокопрочные, среднепрочные и низкопрочные в зависимости от допускаемых напряжений.
Высокопрочный крепёж категории, включающей марки B7, B7M, B16, применим для всех классов фланцев и типов прокладочных материалов. Среднепрочные болты с предельной прочностью текучести не менее 206 МПа допускаются к применению в классах 150 и 300 при условии верификации достижения требуемого предварительного натяжения и герметичности соединения.
Болты марки B7 комбинируются с гайками 2H или 2HM для углеродистых и низколегированных фланцев в температурном диапазоне до 454 градусов. Марка B7M с гайками 2HM применяется при наличии сероводорода в рабочей среде. Болты B16 используются с гайками марки 7 для высокотемпературных применений до 593 градусов, типичных для паровых линий и технологических аппаратов каталитического крекинга.
Контроль качества и эксплуатационные требования
Входной контроль крепежа включает верификацию маркировки, геометрических размеров, чистоты резьбы и отсутствия поверхностных дефектов. Выборочный контроль механических свойств и химического состава проводится в соответствии с требованиями спецификаций и плана контроля проекта. Для марки B7M обязателен стопроцентный контроль твёрдости всех изделий партии индентационным методом или электромагнитным методом с верификацией образцами.
Применение защитных покрытий на крепеже из легированных сталей обеспечивает коррозионную стойкость при хранении и монтаже. Цинковые покрытия ограничены температурой применения 210 градусов Цельсия, кадмиевые покрытия 160 градусами. Покрытия должны быть совместимы с температурой эксплуатации и не вызывать водородного охрупчивания высокопрочных материалов. После нанесения покрытий может требоваться термообработка для снятия водородного наводороживания.
Длительная эксплуатация высокотемпературного крепежа сопровождается релаксацией предварительного натяжения вследствие ползучести материала, окисления поверхности и взаимодействия с рабочей средой. Периодический контроль герметичности соединений и подтяжка болтов являются элементами системы технического обслуживания оборудования.
