閥門(mén)主體零件適宜工作溫度介紹
閥門(mén)主體零件適宜工作溫度介紹
1概述
閥門(mén)設計和選材時(shí)必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一是閥門(mén)的工作溫度。為了規范閥門(mén)主體材料的適宜工作溫度，從各種類(lèi)型的閥門(mén)用鋼和合金牌號的材料性能方面對我國石油化工、化工、化肥、電力及冶金等行業(yè)用的閥門(mén)主體材料的適宜工作溫度及相關(guān)要求作出了明確的規定，供閥門(mén)產(chǎn)品設計、制造及檢驗時(shí)用。另外，從技術(shù)管理和生產(chǎn)管理及物資采購等方面考慮，對每種類(lèi)型的鋼應選用綜合性能良好的，不宜選用過(guò)多的鋼號和合金牌號，以防造成混亂。
2低溫工況
2.1超低溫閥門(mén)材料
超低溫閥門(mén)〔-254(液氫)～-101℃(乙烯)〕主體材料必須選用面心立方晶格的奧氏體不銹鋼、銅合金或鋁合金，其熱處理后的低溫力學(xué)性能，特別是低溫沖擊韌性必須達到標準的要求。
下列奧氏體不銹鋼可用于制造超低溫閥門(mén)。ASTM A351 CF8M、CF3M、CF8和CF3，ASTM A182 F316、F316L、F304和F304L，ASTM A433 316、316L、304、304L和CF8D(蘭州高壓閥門(mén)廠(chǎng)設計，工廠(chǎng)標準代號GFQ81-93)。超低溫閥門(mén)的閥體、閥蓋、閘板或閥瓣等在精加工前，必須在液氮(-196℃)中進(jìn)行深冷處理。
2.2低溫閥門(mén)材料
適用于低溫閥門(mén)(-100～-30℃)的主體材料有低溫奧氏體不銹鋼和低溫承壓件用鐵素體和馬氏體鋼。
低溫用奧氏體不銹鋼有ASTM A351 CF8M、CF3M、CF8和CF3，ASTM A182 F316、F316L、F304和F304L，ASTM A433 316、316L、304、304L和CF8D。
低溫承壓件用鐵素體和馬氏體鋼有ASTM A352 LCA(-32℃)、LCB、LCC(-46℃)、LC1(-59℃)、LC2、LC211(-73℃)和LC3(-100℃)。
ASTM A352標準中的材料初級價(jià)格較低，但是其冶煉時(shí)化學(xué)成分必須有可靠且要求十分嚴格的工廠(chǎng)內控標準。其熱處理工藝復雜，需要多次作調質(zhì)處理，方能達到標準要求的低溫沖擊韌性的要求，生產(chǎn)周期長(cháng)。低溫沖擊韌性達不到標準要求時(shí)，不允許投料作低溫鋼使用。因此，只有在生產(chǎn)批量大，并且可成爐冶煉時(shí)才采用，而在一般情況下選用奧氏體不銹鋼。
3非腐蝕工況
閥門(mén)工作介質(zhì)為水、蒸汽、空氣和油品等非腐蝕性物質(zhì)時(shí)，一般采用碳素鋼。閥門(mén)用碳素鋼系指ASTM A216標準中的WCB、WCC鑄鋼和ASTM A105鍛鋼。閥門(mén)用碳素鋼適宜工作溫度為-29～425℃。但是為了安全，考慮到介質(zhì)的工作溫度有可能波動(dòng)，因此，一般碳素鋼的使用溫度不應超過(guò)400℃。
4腐蝕工況
4.1鉻-鉬系高溫鋼
閥門(mén)選用的Cr-Mo高溫鑄鋼主要是采用ASTM A217標準中的WC6、WC9和C5(ZG1Cr5Mo)，其對應的軋材分別為ASTM A182中的F11、F22和F5。
?、诺豌t級鉻-鉬鋼
低鉻級鉻-鉬鋼有WC6、WC9、F11和F22，其適用的工作介質(zhì)為水、蒸汽和氫氣，不宜用于含硫油品。WC6和F11適宜工作溫度為-29～540℃，WC9和F22適宜工作溫度為-29～570℃。
?、沏t五鉬高溫鋼
鉻五鉬高溫鋼有C5(ZG1Cr5Mo)和F5，其適用的工作介質(zhì)為水、蒸汽、氫氣和含硫油品等。
C5(ZG1Cr5Mo)如果用于水蒸汽時(shí)，其最高工作溫度為600℃。用于含硫油品等工作介質(zhì)時(shí)，其最高工作溫度為550℃。因此，規定C5(ZG1Cr5Mo)的工作溫度為≤550℃。
4.2不銹耐酸鋼
不銹耐酸鋼是指用于石化及化工、化肥行業(yè)中抗硝酸、硫酸、醋酸及有機酸等耐腐蝕性的鉻鎳或鉻鎳鉬不銹耐酸鋼。不銹耐酸鋼鑄鋼主要是采用ASTM A743或ASTM A744標準中CF8、CF8M、CF3、CF3M、CF8C、CD-4MCu和CN7M等，其對應的軋材分別為ASTM A182標準中的F304、F316、F304L、F316L、F347、F53及美國UNS N08020。
?、臗r-Ni不銹鋼
Cr-Ni類(lèi)不銹耐酸鋼有CF8、CF3、F304、F304L、CF8C和F347，其適用于工作介質(zhì)為硝酸等氧化性酸。其最高工作溫度≤200℃。
?、艭r-Ni-Mo不銹鋼
Cr-Ni-Mo類(lèi)不銹耐酸鋼有CF8M、CF3M、F316和F316L，其適用于工作介質(zhì)為醋酸等還原性酸。
CF8M，CF3M等可以代替CF8和CF3，但CF8、CF3不能代替CF8M和CF3M。所以，美國等國家不銹耐酸鋼閥門(mén)主要用CF8M、CF3M，其最高工作溫度≤200℃。
?、荂N7M合金
CN7M合金具有較好的全面耐蝕性，它廣泛地應用于苛刻的腐蝕條件下，包括硫酸、硝酸、氫氟酸和稀鹽酸、苛性堿、海水及熱的氯化物鹽溶液等，特別是可用于各種濃度和溫度≤70℃范圍的硫酸中。CN7M和UNS N08020合金使用溫度為-29～450℃。
?、入p相不銹鋼
雙相不銹耐蝕鋼(表1)為沉淀硬化不銹鋼，它們是在鐵素體的基體中含35%～40%的奧氏體，其屈服強度約為19Cr-9Ni奧氏體不銹鋼的2倍，并具有高硬度及良好的塑性和沖擊韌性。特別適合在既有磨蝕又有沖刷的腐蝕工作條件下使用，因而廣泛地應用于在氧化和還原的強酸工況中，在有氯的環(huán)境中有特殊的抗應力腐蝕開(kāi)裂的性能。CD-4MCu、CD3MN、CE3MN和F53雙相不銹鋼使用溫度為-29～316℃。
表1雙相不銹鋼材料牌號對照
牌號
鑄材
軋材
板材
棒材
0Cr25-Ni5-Mo-Cu
A8901A
〔CD4MCu〕
00Cr22-Ni5-Mo3-N
A8904A
〔CD3MN〕
A182
F51
A240
S31803
A479
S31803
00Cr25-Ni7-Mo4-N
A8905A
〔CE3MN〕
A182
F53
A240
S32750
A479
S32750
4.3耐蝕鎳基合金
耐蝕鎳基合金閥門(mén)主要是選用ASTM A494標準中的鑄造蒙乃爾合金(M35-1)、鑄鎳合金(CZ-100)、英康乃爾合金(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)。
用于耐蝕蒙乃爾合金閥門(mén)的蒙乃爾合金軋材主要為UNS N04400(Monel 400)和UNS N05500(Monel K500)。鑄鎳合金無(wú)對應的軋材，英康乃爾合金的軋材為Inconel 600和Inconel 625等。
?、琶赡藸柡辖?/p>
蒙乃爾合金(Monel)具有較高的強度和韌性，特別是具有優(yōu)異的抗還原酸及強堿介質(zhì)和海水等腐蝕的性能。因此，通常用于制造輸送氫氟酸、鹽水、中性介質(zhì)、堿鹽及還原性酸等介質(zhì)的設備和閥門(mén)，也適用于干燥氯氣、氯化氫氣、425℃高溫氯氣及450℃高溫氯化氫氣等介質(zhì)，但不抗含硫介質(zhì)和氧化性介質(zhì)(如硝酸及含氧高的介質(zhì))的腐蝕。整體是蒙乃爾合金的閥門(mén)材料代號為MM，內件是蒙乃爾合金的閥門(mén)，殼體為碳素鋼時(shí)閥門(mén)材料代號為C/M、殼體為CF8時(shí)閥門(mén)材料代號為P/M、殼體為CF8M時(shí)閥門(mén)材料代號為R/M。蒙乃爾合金M35-1、Monel 400和Monel K500合金的適宜工作溫度為-29～480℃。
?、畦T鎳合金
鑄鎳合金(CZ-100)的化學(xué)成分為95%Ni和1.00%C，其無(wú)對應的軋材。當CZ-100用于高溫高濃度或無(wú)水堿溶液中時(shí)，具有優(yōu)異的耐蝕性能。CZ-100常用于在高腐蝕濃度(包括熔融無(wú)水苛性鈉)的氯堿生產(chǎn)中以及用于不能有銅和鐵等金屬污染產(chǎn)品的場(chǎng)合。鑄鎳合金CZ-100閥門(mén)的材料代號為Ni。CZ-100合金適宜工作溫度為-29～316℃。
?、怯⒖的藸柡辖?/p>
英康乃爾合金(Inconel)CY-40和Inconel 600(ASTM
B564 N06600)等主要用于抗應力腐蝕，尤其適用于高濃度的氯化物介質(zhì)，當Ni含量≥45%時(shí)，對氯化物的應力腐蝕具有“免疫”效果。此外，它還能抗沸濃硝酸、發(fā)煙硝酸、含硫和釩的高溫氣體及燃燒物的腐蝕。
Inconel合金已廣泛用于制造核動(dòng)力工廠(chǎng)的鍋爐給水系統的部件，因為它比不銹鋼的安全性更高。同時(shí)，它還適用于需要高強度、高壓密封的高抗蝕性能，以及在高溫下具有抗機械磨損和抗氧化能力的工業(yè)生產(chǎn)中。如大化肥廠(chǎng)用Inconel 600或Inconel 625合金(為哈氏合金CW-6MC的軋材牌號)制造高壓(600～1500
LB)高濃度氧氣閥門(mén)等。CY-40和Inconel 600合金閥門(mén)的材料代號為In。適宜工作溫度為-29~650℃。
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哈氏合金(Hastelloy)是商業(yè)名稱(chēng)，它包括有一系列的合金牌號，用于耐蝕閥門(mén)上的主要是哈氏合金B
(Hastelloy B)和哈氏合金C(Hastelloy C)這兩類(lèi)。
哈氏合金B(Hastelloy B)的鑄造合金牌號在A(yíng)STM A494標準中為N-12MV(N-12M-1)及N-7M(有的資料稱(chēng)之為N-12M-2，也稱(chēng)它為Chlorimet2合金)，其軋材牌號為ASTM B335標準中的UNS N10665。哈氏合金B對各種濃度的鹽酸均耐蝕，對非氧化性鹽及酸亦耐蝕。哈氏合金B的耐蝕閥門(mén)，從耐蝕性及抗晶間腐蝕性考慮宜選用低碳級的哈氏合金B(N-7M)。哈氏合金的材質(zhì)代號閥門(mén)行業(yè)尚無(wú)規定，哈氏合金B閥門(mén)的材質(zhì)代號，可直接用其鑄造合金牌號來(lái)表示。哈氏合金B適宜工作溫度為-29℃～425℃。
哈氏合金C(Hastelloy C)的鑄造合金牌號為CW-12MW(有的資料稱(chēng)之為CW-12M-1)和CW-7M(CW-12M-2，也稱(chēng)它為Chlorimet3合金)及Hastelloy C-276合金，其鑄造合金牌號為CW-6MC和Hastelloy C-4合金，其鑄造合金牌號為CW-2M。鑄造哈氏合金CW-7M、CW-12MW、CW-6MC和CW-2M其對應的軋材牌號分別是UNS N10001、UNS N10003、UNS N10276和UNS N06455。哈氏合金C對氧化性溶劑、低濃度常溫的鹽酸和硝酸耐腐蝕。
第一代Hastelloy C(0Cr16Ni60Mo16W4)的特點(diǎn)是在強腐蝕的氧化性和還原性酸介質(zhì)中，具有優(yōu)良的耐蝕性能，但由于高鎳耐蝕合金為奧氏體組織，因為Ni降低了C在奧氏體中的固溶度等原因。所以，Ni-Mo系Hastelloy B和Ni-Mo-Cr系的Hastelloy C合金均存在較嚴重的晶間腐蝕傾向或敏感性，在高溫時(shí)還會(huì )導致應力腐蝕和縫隙腐蝕。為了克服晶間腐蝕，于是推出了第二代哈氏合金——Hastelloy C-276(C由0.03%降低到0.02%)及第三代哈氏合金C——Hastelloy C-4，其特點(diǎn)是低Si(Si≤0.08%)和超微C(C≤0.015%)，并降低了Fe和W的含量，加入了穩定化的合金元素Ti等。
哈氏合金C的耐蝕閥門(mén)，從耐蝕性及抗晶間腐蝕性考慮，宜選用哈氏合金C-276(CW-6MC)及哈氏合金C-4(CW-2M)。哈氏合金C閥門(mén)的材料代號多，且性能和工作溫度差別大，所以CW-12MW、CW-7M、CW-6MC和CW-2M分別用HC-12、HC-7、HC-276和HC-4表示，或直接用其鑄造合金牌號來(lái)表示。
哈氏合金CW-7M和UNS N10001合金的適宜工作溫度為-29～425℃，哈氏合金CW-12MW和UNS N10003合金的適宜工作溫度為-29～700℃，哈氏合金CW-6MC和UNS N10276合金的適宜工作溫度為-29～676℃，哈氏合金CW-2M和UNS N06455合金的適宜工作溫度為-29～425℃。
4.4鈦合金
鈦(Ti)具有強度高，質(zhì)量輕，足夠高的抗熱性和低溫韌性及良好的加工性能和焊接性能。用于閥門(mén)生產(chǎn)中主要是鑄造純鈦和鍛造純鈦ZTA2。
鈦對腐蝕性介質(zhì)因溫度等工況的不同而表現出耐蝕、不耐蝕甚至起火、爆炸等。因此，訂貨和設計選用時(shí)應對使用介質(zhì)的性質(zhì)(濃度、溫度等)給予明確的規定。
鈦材質(zhì)的閥門(mén)在多種氧化性強腐蝕性介質(zhì)和中性介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性能。
鈦在沸點(diǎn)以下且濃度≤80%的硝酸中均具有優(yōu)異的耐蝕性。而在發(fā)煙硝酸中當NO2含量超過(guò)2%而含水量不足時(shí)，鈦與發(fā)煙硝酸反應會(huì )發(fā)生爆炸，因此，鈦一般不用于含量80%以上的高溫硝酸。
鈦在硫酸中不耐蝕，鈦在鹽酸中具有中等的耐蝕性。一般認為，工業(yè)純鈦可用于室溫時(shí)濃度7.5%、60℃時(shí)濃度3%及100℃時(shí)濃度0.5%的鹽酸中，鈦還可用于35℃時(shí)濃度30%、60℃時(shí)濃度10%及100℃時(shí)濃度3%的磷酸中。
鈦在HF(氫氟酸)中不耐蝕，鈦在酸性氟化物溶液中也不耐蝕，鈦在硼酸和鉻酸中耐蝕，在氫碘酸和氫溴酸中可以使用。
鈦可用于60℃10%硫酸和90%硝酸的混酸，沸騰的1%鹽酸和5%硝酸的混酸以及室溫王水(注：王水是3體積的濃鹽酸和1體積的濃硝酸的混合物)中。
鈦在室溫下各種濃度的氫氧化鋇、氫氧化鈣、氫氧化鎂、氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液中完全耐蝕，但不能用于沸騰的氫氧化鈉和氫氧化鉀中。堿中含氨會(huì )加劇鈦的腐蝕。
鈦在自來(lái)水、河水和空氣中最高工作溫度為300℃。鈦可用于海水中最高流速達20m/s，鈦在溫度≤120℃海水中有很高的耐蝕性，若溫度高于120℃，可能會(huì )產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕。
鈦除了蟻酸、草酸和較濃的檸檬酸(濃度≥50%)外，鈦對所有的有機酸均具有優(yōu)異的耐蝕性，但有機酸中含水量過(guò)低(<0.1%)時(shí)鈦易發(fā)生點(diǎn)腐蝕。
鈦在碳氫化合物和氯化碳氫化合物中有優(yōu)異的耐蝕性。鈦在干氯氣中能發(fā)生劇烈反應生成TiCl4，并有著(zhù)火的危險，但鈦在濕氯(含水量在0.3～1.5%)中具有很好的耐蝕性。
鈦在20～160℃干燥的HCl中是穩定的，但在濕氯化氫中鹽酸對鈦造成腐蝕。
鈦在氯化物溶液中的點(diǎn)蝕電位較不銹鋼高，鈦抗氯離子的點(diǎn)蝕性能比不銹鋼好，因而鈦在氯化物溶液中獲得了廣泛的應用。
在溫度≤80℃時(shí)鈦一般不會(huì )產(chǎn)生點(diǎn)蝕，但在高溫中等濃度的氯化物溶液(如100℃的25%氯化鋁溶液、175℃的70%氯化鈣溶液、200℃的25%氯化鎂溶液和200℃的75%氯化鋅溶液)中較易發(fā)生點(diǎn)蝕。
5高溫工況
高溫工況閥門(mén)主要是指煉油廠(chǎng)用的高溫閥門(mén)。
5.1亞高溫
亞高溫是指閥門(mén)的工作溫度在325～425℃區域。如果介質(zhì)是水和蒸汽時(shí)，主要用WCB、WCC、A105、WC6和WC9。如果介質(zhì)是含硫油品時(shí)，主要用具有抗硫化物腐蝕的C5、CF8、CF3、CF8M和CF3M等。它們多用在煉油廠(chǎng)的常減壓裝置和延遲焦化裝置上，此時(shí)CF8、CF8M、CF3及CF3M材質(zhì)的閥門(mén)不是用于抗酸溶液腐蝕，而是用于含硫油品及油氣管路上。在此工況中，CF8、CF8M、CF3和CF3M的最高工作溫度上限為450℃。
5.2高溫Ⅰ級
閥門(mén)的工作溫度為425～550℃時(shí)為高溫Ⅰ級(簡(jiǎn)稱(chēng)PI級)。PI級閥門(mén)的主體材料為ASTM A351標準中的CF8為基形的“高溫Ⅰ級中碳鉻鎳稀土鈦優(yōu)質(zhì)耐熱鋼”。因PI級是特定的稱(chēng)呼，在這里包含了高溫不銹鋼(P)的概念。因此，如果工作介質(zhì)為水或蒸汽時(shí)，雖然也可用高溫鋼WC6(t≤540℃)或WC9(t≤570℃)，在含硫油品時(shí)雖然也可用高溫鋼C5(ZG1Cr5Mo)，但在這里不能稱(chēng)它們?yōu)镻I級。
5.3高溫Ⅱ級
閥門(mén)的工作溫度為550～650℃，定為高溫Ⅱ級(簡(jiǎn)稱(chēng)為PⅡ級)。PⅡ級高溫閥門(mén)主要用于煉油廠(chǎng)的重油催化裂化裝置，它包含用在三旋噴嘴等部位的高溫襯里耐磨閘閥。PⅡ級閥門(mén)的主體材料為ASTM A351標準中的CF8為基形的“高溫Ⅱ級中碳鉻鎳稀土鈦鉭強化型耐熱鋼”。
5.4高溫Ⅲ級
閥門(mén)的工作溫度為650～730℃，定為高溫Ⅲ級(簡(jiǎn)稱(chēng)為PⅢ級)。PⅢ級高溫閥門(mén)主要是用在煉油廠(chǎng)的大型重油催化裂化裝置上。PⅢ級高溫閥門(mén)主體材料為ASTM A351標準中的CF8M為基形的“高溫Ⅲ級中碳鉻鎳鉬稀土鈦鉭強化型耐熱鋼”。
5.5高溫Ⅳ級
閥門(mén)的工作溫度為730～816℃，定為高溫Ⅳ級(簡(jiǎn)稱(chēng)為PⅣ級)。將PⅣ級閥門(mén)的工作溫度上限定為816℃是因為閥門(mén)設計選用的標準ASME B16.34壓力-溫度等級中提供的最高溫度為816℃(1500℉)。另外，工作溫度超過(guò)816℃以后，鋼就接近進(jìn)入了鍛造溫度區域，此時(shí)金屬處于塑性變形區間，金屬的可塑性好，難以承受高的工作壓力和沖擊力而保持不變形。PⅣ級閥門(mén)的主體材料為ASTM A351標準中的CF8M為基形“高溫Ⅳ級中碳鉻鎳鉬稀土鈦鉭強化型耐熱鋼”。CK-20及ASTM A182標準中F310(其中C含量≥0.050%)及F310H等耐熱不銹鋼。
5.6高溫Ⅴ級
閥門(mén)的工作溫度>816℃以上，稱(chēng)為高溫Ⅴ級(簡(jiǎn)稱(chēng)為PⅤ級)。PⅤ級高溫閥門(mén)(作切斷用閥門(mén)，而非調節型蝶閥類(lèi)的閥門(mén))必須采用特殊的設計手段，如襯隔熱襯里或通水或氣冷卻等，方能保證閥門(mén)的正常工作。所以，對PⅤ級高溫閥門(mén)的工作溫度上限不作規定，這是因為控制閥門(mén)的工作溫度不是僅靠材料，而是用特殊的設計手段來(lái)解決的，而設計手段的基本原理是一樣的。PⅤ級高溫閥門(mén)可根據其工作介質(zhì)和工作壓力及采用的特殊設計方法等，選用合理的、能滿(mǎn)足該閥門(mén)的材料。在PⅤ級高溫閥門(mén)中，通常煙道插板閥或蝶閥的插板或蝶板常選用ASTM A297標準中的HK-30，HK-40高溫合金，它們能在1150℃以下抗氧化和還原性氣體中耐蝕，但不能承受沖擊和高壓載荷。
6結語(yǔ)
在技術(shù)快速發(fā)展的今天，閥門(mén)的主體材料日趨多樣化，高參數化。閥門(mén)所對應的工作介質(zhì)也更加復雜，工作溫度要求更高。了解各類(lèi)閥門(mén)用鋼及合金的性能及其適宜的工作溫度，是設計、制造、采購及使用閥門(mén)的有關(guān)科技人員和操作者必須掌握的知識。特別是材料的使用溫度不能超過(guò)其適宜工作溫度，否則會(huì )引起可怕的嚴重事故。
