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调节阀阀体零件用钢及合金的适宜工作温度

1 引言

调节阀设计和选材时必须重点考虑的问题之一是调节阀的工作温度。为了规范阀门主体材料的适宜工作温度,从各种类型的阀门用钢和合金牌号的材料性能方面对我国石油化工、化工、化肥、电力及冶金等行业用的阀门主体材料的适宜工作温度及相关要求作出了明确的规定,供阀门产品设计、制造及检验时用。另外,从技术管理和生产管理及物资采购等方面考虑,对每种类型的钢应选用综合性能良好的,不宜选用过多的钢号和合金牌号,以防造成混乱。

2 低温工况

2.1 超低温阀门材料

超低温阀门(-254(液氢)~-101℃(乙烯))主体材料必须选用面心立方晶格的奥氏体不锈钢、铜合金或铝合金,其热处理后的低温力学性能,特别是低温冲击韧性必须达到标准的要求。下列奥氏体不锈钢可用于制造超低温阀门。ASTM A351 CF8M、CF3M、CF8和CF3,ASTM A182 F316、F316L、F304和F304L,ASTM A433 316、316L、304、304L和CF8D(兰州高压阀门厂设计,工厂标准代号GFQ81-93)。超低温阀门的阀体、阀盖、闸板或阀瓣等在精加工前,必须在液氮(-196℃)中进行深冷处理。

2.2 低温阀门材料

适用于低温阀门(-100~-30℃)的主体材料有低温奥氏体不锈钢和低温承压件用铁素体和马氏体钢。低温用奥氏体不锈钢有ASTM A351 CF8M、CF3M、CF8和CF3,ASTM A182 F316、F316L、F304和F304L,ASTM A433 316、316L、304、304L和CF8D。低温承压件用铁素体和马氏体钢有ASTMA352LCA(-32℃)、LCB、LCC(-46℃)、LC1(-59℃)、LC2、LC211(-73℃)和LC3(-100℃)。ASTMA352标准中的材料初级价格较低,但是其冶炼时化学成分必须有可靠且要求十分严格的工厂内控标准。其热处理工艺复杂,需要多次作调质处理,方能达到标准要求的低温冲击韧性的要求,生产周期长。低温冲击韧性达不到标准要求时,不允许投料作低温钢使用。

因此,只有在生产批量大,并且可成炉冶炼时才采用,而在一般情况下选用奥氏体不锈钢。

3 非腐蚀工况

阀门工作介质为水、蒸汽、空气和油品等非腐蚀性物质时,一般采用碳素钢。阀门用碳素钢系指ASTMA216标准中的WCB、WCC铸钢和ASTM A105锻钢。阀门用碳素钢适宜工作温度为-29~425℃。但是为了安全,考虑到介质的工作温度有可能波动,因此,一般碳素钢的使用温度不应超过400℃。

4 腐蚀工况

4.1 铬-钼系高温钢

阀门选用的Cr-Mo高温铸钢主要是采用ASTM A217标准中的WC6、WC9和C5(ZG1Cr5Mo),其对应的轧材分别为ASTM A182中的F11、F22和F5。

(1)低铬级铬-钼钢 低铬级铬-钼钢有WC6、WC9、F11和F22,其适用的工作介质为水、蒸汽和氢气,不宜用于含硫油品。WC6和F11适宜工作温度为-29~540℃,WC9和F22适宜工作温度为-29~570℃。

(2)铬五钼高温钢 铬五钼高温钢有C5(ZG1Cr5Mo)和F5,其适用的工作介质为水、蒸汽、氢气和含硫油品等。C5(ZG1Cr5Mo)如果用于水蒸汽时,其最高工作温度为600℃。用于含硫油品等工作介质时,其最高工作温度为550℃。因此,规定C5(ZG1Cr5Mo)的工作温度为≤550℃。

4.2 不锈耐酸钢

不锈耐酸钢是指用于石化及化工、化肥行业中抗硝酸、硫酸、醋酸及有机酸等耐腐蚀性的铬镍或铬镍钼不锈耐酸钢。不锈耐酸钢铸钢主要是采用ASTM A743或ASTM A744标准中CF8、CF8M、CF3、CF3M、CF8C、CD-4MCu和CN7M等,其对应的轧材分别为ASTM A182标准中的F304、F316、F304L、F316L、F347、F53及美国UNS N08020。

(1)Cr-Ni不锈钢 Cr-Ni类不锈耐酸钢有CF8、CF3、F304、F304L、CF8C和F347,其适用于工作介质为硝酸等氧化性酸。其最高工作温度≤200℃。

(2)Cr-Ni-Mo不锈钢 Cr-Ni-Mo类不锈耐酸钢有CF8M、CF3M、F316和F316L,其适用于工作介质为醋酸等还原性酸。CF8M,CF3M等可以代替CF8和CF3,但CF8、CF3不能代替CF8M和CF3M。所以,美国等国家不锈耐酸钢阀门主要用CF8M、CF3M,其最高工作温度≤200℃。

(3)CN7M合金 CN7M合金具有较好的全面耐蚀性,它广泛地应用于苛刻的腐蚀条件下,包括硫酸、硝酸、氢氟酸和稀盐酸、苛性碱、海水及热的氯化物盐溶液等,特别是可用于各种浓度和温度≤70℃范围的硫酸中。CN7M和UNS N08020合金使用温度为-29~450℃。

(4)双相不锈钢 双相不锈耐蚀钢(表1)为沉淀硬化不锈钢,它们是在铁素体的基体中含35%~40%的奥氏体,其屈服强度约为19Cr-9Ni奥氏体不锈钢的2倍,并具有高硬度及良好的塑性和冲击韧性。特别适合在既有磨蚀又有冲刷的腐蚀工作条件下使用,因而广泛地应用于在氧化和还原的强酸工况中,在有氯的环境中有特殊的抗应力腐蚀开裂的性能。CD-4MCu、CD3MN、CE3MN和F53双相不锈钢使用温度为-29~316℃。

表1 双相不锈钢材料牌号对照

牌号

铸材

轧材

板材

棒材

0Cr25-Ni5-Mo-Cu
00Cr22-Ni5-Mo3-N

A8901A〔CD4MCu〕
A8904A〔CD3MN〕

A182F51

A240S31803

A479S31803

00Cr25-Ni7-Mo4-N

A8905A〔CE3MN〕

A182F53

A240S32750

A479S32750

4.3 耐蚀镍基合金

耐蚀镍基合金阀门主要是选用ASTMA494标准中的铸造蒙乃尔合金(M35-1)、铸镍合金(CZ-100)、英康乃尔合金(CY-40)、哈氏合金B(N-12MV、N-7M)及哈氏合金C(CW-12MW、CW-7M、CW-6MC、CW-2M)。

用于耐蚀蒙乃尔合金阀门的蒙乃尔合金轧材主要为UNS N04400(Monel 400)和UNSN 05500(Monel K500)。铸镍合金无对应的轧材,英康乃尔合金的轧材为Inconel600和Inconel625等。

(1)蒙乃尔合金 

蒙乃尔合金(Monel)具有较高的强度和韧性,特别是具有优异的抗还原酸及强碱介质和海水等腐蚀的性能。因此,通常用于制造输送氢氟酸、盐水、中性介质、碱盐及还原性酸等介质的设备和阀门,也适用于干燥氯气、氯化氢气、425℃高温氯气及450℃高温氯化氢气等介质,但不抗含硫介质和氧化性介质(如硝酸及含氧高的介质)的腐蚀。整体是蒙乃尔合金的阀门材料代号为MM,内件是蒙乃尔合金的阀门,壳体为碳素钢时阀门材料代号为C/M、壳体为CF8时阀门材料代号为P/M、壳体为CF8M时阀门材料代号为R/M。蒙乃尔合金M35-1、Monel400和MonelK500合金的适宜工作温度为-29~40℃。

(2)铸镍合金 

铸镍合金(CZ-100)的化学成分为95%Ni和1100%C,其无对应的轧材。当CZ-100用于高温高浓度或无水碱溶液中时,具有优异的耐蚀性能。CZ-100常用于在高腐蚀浓度(包括熔融无水苛性钠)的氯碱生产中以及用于不能有铜和铁等金属污染产品的场合。铸镍合金CZ-100阀门的材料代号为Ni。CZ-100合金适宜工作温度为-29~316℃。

(3)英康乃尔合金 

英康乃尔合金(Inconel)CY-40和Inconel 600(ASTM B564 N06600)等主要用于抗应力腐蚀,尤其适用于高浓度的氯化物介质,当Ni含量≥45%时,对氯化物的应力腐蚀具有“免疫”效果。此外,它还能抗沸浓硝酸、发烟硝酸、含硫和钒的高温气体及燃烧物的腐蚀。Inconel合金已广泛用于制造核动力工厂的锅炉给水系统的部件,因为它比不锈钢的安全性更高。同时,它还适用于需要高强度、高压密封的高抗蚀性能,以及在高温下具有抗机械磨损和抗氧化能力的工业生产中。如大化肥厂用Inconel 600或Inconel 625合金(为哈氏合金CW-6MC的轧材牌号)制造高压(600~1500LB)高浓度氧气阀门等。CY-40和Inconel600合金阀门的材料代号为In。适宜工作温度为-29~650℃。

(4)哈氏合金 

哈氏合金(Hastelloy)是商业名称,它包括有一系列的合金牌号,用于耐蚀阀门上的主要是哈氏合金B(Hastelloy B)和哈氏合金C(Hastelloy C)这两类。

哈氏合金B(Hastelloy B)的铸造合金牌号在ASTM A494标准中为N-12MV(N-12M-1)及N-7M(有的资料称之为N-12M-2,也称它为Chlorimet 2合金),其轧材牌号为ASTM B335标准中的UNS N10665。哈氏合金B对各种浓度的盐酸均耐蚀,对非氧化性盐及酸亦耐蚀。哈氏合金B的耐蚀阀门,从耐蚀性及抗晶间腐蚀性考虑宜选用低碳级的哈氏合金B(N-7M)。哈氏合金的材质代号阀门行业尚无规定,哈氏合金B阀门的材质代号,可直接用其铸造合金牌号来表示。哈氏合金B适宜工作温度为-29℃~425℃。

哈氏合金C(Hastelloy C)的铸造合金牌号为CW-12MW(有的资料称之为CW-12M-1)和CW-7M(CW-12M-2,也称它为Chlorimet3合金)及HastelloyC-276合金,其铸造合金牌号为CW-6MC和HastelloyC-4合金,其铸造合金牌号为CW-2M。铸造哈氏合金CW-7M、CW-12MW、CW-6MC和CW-2M其对应的轧材牌号分别是UNS N10001、UNS N10003、UNSN10276和UNS N06455。哈氏合金C对氧化性溶剂、低浓度常温的盐酸和硝酸耐腐蚀。第一代Hastelloy C(0Cr16Ni60Mo16W4)的特点是在强腐蚀的氧化性和还原性酸介质中,具有优良的耐蚀性能,但由于高镍耐蚀合金为奥氏体组织,因为Ni降低了C在奥氏体中的固溶度等原因。所以,Ni-Mo系HastelloyB和Ni-Mo-Cr系的HastelloyC合金均存在较严重的晶间腐蚀倾向或敏感性,在高温时还会导致应力腐蚀和缝隙腐蚀。为了克服晶间腐蚀,于是推出了第二代哈氏合金———HastelloyC-276(C由0112%降低到6%)及第三代哈氏合金C———HastelloyC-4,其特点是低Si(Si≤0108%)和超微C(C≤01015%),并降低了Fe和W的含量,加入了稳定化的合金元素Ti等。哈氏合金C的耐蚀阀门,从耐蚀性及抗晶间腐蚀性考虑,宜选用哈氏合金C-276(CW-6MC)及哈氏合金C-4(CW-2M)。哈氏合金C阀门的材料代号多,且性能和工作温度差别大,所以CW-12MW、CW-7M、CW-6MC和CW-2M分别用HC-12、HC-7、HC-276和HC-4表示,或直接用其铸造合金牌号来表示。哈氏合金CW-7M和UNSN10001合金的适宜工作温度为-29~425℃,哈氏合金CW-12MW和UNSN10003合金的适宜工作温度为-29~700℃,哈氏合金CW-6MC和UNSN10276合金的适宜工作温度为-29~676℃,哈氏合金CW-2M和UNSN06455合金的适宜工作温度为-29~425℃。

4.4 钛合金

钛(Ti)具有强度高,质量轻,足够高的抗热性和低温韧性及良好的加工性能和焊接性能。用于阀门生产中主要是铸造纯钛和锻造纯钛ZTA2。钛对腐蚀性介质因温度等工况的不同而表现出耐蚀、不耐蚀甚至起火、爆炸等。因此,订货和设计选用时应对使用介质的性质(浓度、温度等)给予明确的规定。

钛材质的阀门在多种氧化性强腐蚀性介质和中性介质中具有优异的耐蚀性能。钛在沸点以下且浓度≤80%的硝酸中均具有优异的耐蚀性。而在发烟硝酸中当NO2含量超过2%而含水量不足时,钛与发烟硝酸反应会发生爆炸,因此,钛一般不用于含量80%以上的高温硝酸。钛在硫酸中不耐蚀,钛在盐酸中具有中等的耐蚀性。一般认为,工业纯钛可用于室温时浓度7.5%、60℃时浓度3%及100℃时浓度0.5%的盐酸中,钛还可用于35℃时浓度30%、60℃时浓度10%及100℃时浓度3%的磷酸中。钛在HF(氢氟酸)中不耐蚀,钛在酸性氟化物溶液中也不耐蚀,钛在硼酸和铬酸中耐蚀,在氢碘酸和氢溴酸中可以使用。钛可用于60℃ 10%硫酸和90%硝酸的混酸,沸腾的1%盐酸和5%硝酸的混酸以及室温王水(注:王水是3体积的浓盐酸和1体积的浓硝酸的混合物)中。钛在室温下各种浓度的氢氧化钡、氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化钠和氢氧化钾溶液中完全耐蚀,但不能用于沸腾的氢氧化钠和氢氧化钾中。碱中含氨会加剧钛的腐蚀。钛在自来水、河水和空气中最高工作温度为300℃。钛可用于海水中最高流速达20m/s,钛在温度≤120℃海水中有很高的耐蚀性,若温度高于120℃,可能会产生点腐蚀和缝隙腐蚀。钛除了蚁酸、草酸和较浓的柠檬酸(浓度≥50%)外,钛对所有的有机酸均具有优异的耐蚀性,但有机酸中含水量过低(<011%)时钛易发生点腐蚀。钛在碳氢化合物和氯化碳氢化合物中有优异的耐蚀性。钛在干氯气中能发生剧烈反应生成TiCl4,并有着火的危险,但钛在湿氯(含水量在013~115%)中具有很好的耐蚀性。钛在20~160℃干燥的HCl中是稳定的,但在湿氯化氢中盐酸对钛造成腐蚀。钛在氯化物溶液中的点蚀电位较不锈钢高,钛抗氯离子的点蚀性能比不锈钢好,因而钛在氯化物溶液中获得了广泛的应用。在温度≤80℃时钛一般不会产生点蚀,但在高温中等浓度的氯化物溶液(如100℃的25%氯化铝溶液、175℃的70%氯化钙溶液、200℃的25%氯化镁溶液和200℃的75%氯化锌溶液)中较易发生点蚀。

5 高温工况

高温工况阀门主要是指炼油厂用的高温阀门。

5.1 亚高温

亚高温是指阀门的工作温度在325~425℃区域。如果介质是水和蒸汽时,主要用WCB、WCC、A105、WC6和WC9。如果介质是含硫油品时,主要用具有抗硫化物腐蚀的C5、CF8、CF3、CF8M和CF3M等。它们多用在炼油厂的常减压装置和延迟焦化装置上,此时CF8、CF8M、CF3及CF3M材质的阀门不是用于抗酸溶液腐蚀,而是用于含硫油品及油气管路上。在此工况中,CF8、CF8M、CF3和CF3M的最高工作温度上限为450℃。

5.2 高温Ⅰ级

阀门的工作温度为425~550℃时为高温Ⅰ级(简称PI级)。PI级阀门的主体材料为ASTMA351标准中的CF8为基形的“高温Ⅰ级中碳铬镍稀土钛优质耐热钢”。因PI级是特定的称呼,在这里包含了高温不锈钢(P)的概念。因此,如果工作介质为水或蒸汽时,虽然也可用高温钢WC6(t≤540℃)或WC9(t≤570℃),在含硫油品时虽然也可用高温钢C5(ZG1Cr5Mo),但在这里不能称它们为PI级。

5.3 高温Ⅱ级

阀门的工作温度为550~650℃,定为高温Ⅱ级(简称为PⅡ级)。PⅡ级高温阀门主要用于炼油厂的重油催化裂化装置,它包含用在三旋喷嘴等部位的高温衬里耐磨闸阀。PⅡ级阀门的主体材料为ASTMA351标准中的CF8为基形的“高温Ⅱ级中碳铬镍稀土钛钽强化型耐热钢”。

5.4 高温Ⅲ级

阀门的工作温度为650~730℃,定为高温Ⅲ级(简称为PⅢ级)。PⅢ级高温阀门主要是用在炼油厂的大型重油催化裂化装置上。PⅢ级高温阀门主体材料为ASTMA351标准中的CF8M为基形的“高温Ⅲ级中碳铬镍钼稀土钛钽强化型耐热钢”。

5.5 高温Ⅳ级

阀门的工作温度为730~816℃,定为高温Ⅳ级(简称为PⅣ级)。将PⅣ级阀门的工作温度上限定为816℃是因为阀门设计选用的标准ASMEB16134压力-温度等级中提供的最高温度为816℃(1500υ)。另外,工作温度超过816℃以后,钢就接近进入了锻造温度区域,此时金属处于塑性变形区间,金属的可塑性好,难以承受高的工作压力和冲击力而保持不变形。PⅣ级阀门的主体材料为ASTMA351标准中的CF8M为基形“高温Ⅳ级中碳铬镍钼稀土钛钽强化型耐热钢”。CK-20及ASTMA182标准中F310(其中C含量≥01050%)及F310H等耐热不锈钢。

5.6 高温Ⅴ级

阀门的工作温度>816℃以上,称为高温Ⅴ级(简称为PⅤ级)。PⅤ级高温阀门(作切断用阀门,而非调节型蝶阀类的阀门)必须采用特殊的设计手段,如衬隔热衬里或通水或气冷却等,方能保证阀门的正常工作。所以,对PⅤ级高温阀门的工作温度上限不作规定,这是因为控制阀门的工作温度不是仅靠材料,而是用特殊的设计手段来解决的,而设计手段的基本原理是一样的。PⅤ级高温阀门可根据其工作介质和工作压力及采用的特殊设计方法等,选用合理的、能满足该阀门的材料。在PⅤ级高温阀门中,通常烟道插板阀或蝶阀的插板或蝶板常选用ASTMA297标准中的HK-30,HK-40高温合金,它们能在1150℃以下抗氧化和还原性气体中耐蚀,但不能承受冲击和高压载荷。

6 结语

在技术快速发展的今天,阀门的主体材料日趋多样化,高参数化。阀门所对应的工作介质也更加复杂,工作温度要求更高。了解各类阀门用钢及合金的性能及其适宜的工作温度,是设计、制造、采购及使用阀门的有关科技人员和操作者必须掌握的知识。特别是材料的使用温度不能超过其适宜工作温度,否则会引起可怕的严重事故。

参考文献

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