阀门主体零件用钢及合金的适宜工作温度.pdf

文章编号 100225855 2008 0120026204 作者简介余雯钰1974 - ,女,甘肃庆阳人,工程师。从事阀门设计及采购等技术方面工作。 阀门主体零件用钢及合金的适宜工作温度 余雯钰1,乐精华2 1 1 中广核工程有限公司,广东 深圳518124; 21 兰州高压阀门有限公司,甘肃 兰州730060 摘要 介绍了石化、化工和电力等行业用超低温阀门、低温阀门及各类高温阀门的钢及合金 钢制主体零件材料的适宜工作温度。 关键词 阀门;主体材料;适宜工作温度 中图分类号 TH134 文献标识码 A Appropriate working temperature for steel andalloy used for main parts of valves YU Wen2yu1, YUE Jing2hua2 1. China Nuclear Power Engineering Co. Ltd , Shenzhen 518124 , China ; 2. Lanzhou High Pressure Valve Co. Ltd , Lanzhou 730060 , China Abstract expatiates appropriate working temperature for steel and alloy parts of super2cryogenic valves , cryogenic valves and kinds of high temperature valves used in the fields of petrochemical , chemical industry and electrical power industry. Key words valve ; main body material ; appropriate working temperature 1 概述 阀门设计和选材时必须重点考虑的问题之一是 阀门的工作温度。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 211 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。 212 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ASTM A352 LCA - 32℃、LCB、LCC - 46℃、LC1 - 59℃、LC2、LC211 - 73℃和LC3 - 100℃。ASTM A352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 62 阀 门 2008年第1期 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 ASTM A216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 411 铬-钼系高温钢 阀门选用的Cr - Mo高温铸钢主要是采用 ASTMA217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℃。 412 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 - CuA8901A〔CD4MCu〕 00Cr22 - Ni5 - Mo3 - NA8904A〔CD3MN〕A182F51A240S31803A479S31803 00Cr25 - Ni7 - Mo4 - NA8905A〔CE3MN〕A182F53A240S32750A479S32750 413 耐蚀镍基合金 耐蚀镍基合金阀门主要是选用ASTM A494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UNS N05500 Monel K500。铸镍合金无对应的轧材,英康乃 尔合金的轧材为Inconel 600和Inconel 625等。 722008年第1期 阀 门 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、Monel 400和Monel K500合金的适宜工作温度为- 29～480℃。 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Inconel 600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 HastelloyC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Chlorimet 3 合金及Hastelloy C - 276合金,其铸造合金牌号 为CW - 6MC和Hastelloy C - 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、UNS N10276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Hastelloy B和Ni - Mo - Cr系的Hastelloy C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 Hastelloy C - 276 C由0112 降低到 6 及第三代哈氏合 金C Hastelloy C - 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UNS N10001合金的适宜工作温度为- 29～ 425℃,哈氏合金CW - 12MW和UNS N10003合 金的适宜工作温度为- 29～700℃,哈氏合金CW - 6MC和UNS N10276合金的适宜工作温度为- 29～676℃,哈氏合金CW - 2M和UNS N06455合 金的适宜工作温度为- 29～425℃。 82 阀 门 2008年第1期 414 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715 、60℃时浓度3 及 100℃ 时浓度015 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 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ASTM A297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 〔1〕 ASME B16134 - 2004 ,法兰、螺纹和焊接阀门 〔S〕. 〔2〕 ASTM A890 ,铸造Fe - Cr - Ni - Mo双相耐蚀不锈钢规范 〔S〕. 〔3〕 ASTM A494 ,铸造镍及镍合金规范 〔S〕. 〔4〕 黄嘉琥,吴剑.耐腐蚀铸锻材料应用手册 〔M〕.北京机 械工业出版社, 1991. 〔5〕 乐精华.对工作温度在425℃以下的阀门温度分级的建议 〔J〕.阀门, 2004 5 41 - 42. 〔6〕 乐精华.高温阀门的高温等级和主体材料 〔J〕.阀门, 2003 6 10 - 14. 〔7〕 乐精华.CN - 7M合金的性能及应用 〔J〕.阀门, 1998 2 13 - 14. 〔8〕 乐精华.耐蚀阀门用蒙乃尔合金 〔J〕.阀门, 2002 6 37 - 39. 〔9〕 乐精华.耐蚀阀门用哈氏合金 〔J〕.阀门, 2003 1 34 - 36. 〔10〕 乐精华.英康乃尔和英康洛依合金及其应用 〔J〕.阀门, 2005 4 21 - 23 - 45. 收稿日期 20071091 23 542008年第1期 阀 门