高温阀门的高温等级和主体材料.pdf
文章编号 100225855 2003 0620010205 作者简介乐精华1942 - ,男,湖北浠水人,高级工程师,部级科技专家,长期从事铸钢阀门的铸造及合金材料研究工作。 高温阀门的高温等级和主体材料 乐精华 兰州高压阀门厂,兰州 730060 摘要 介绍了高温阀门的高温等级划分方法及各温度等级高温阀门的主体材料。 关键词 高温阀门;高温等级;主体材料 中图分类号 TG142173 文献标识码 B Grade of high temperature and materials of mainbody for high temporature valves YUE Jing2hua Lanzhou High Pressure Valve Factory , Lanzhou 730060 , China Abstract This text introduction to the grade of divide and reason for high temperature valves , and choice of the materials of mainbody for different tempereture of valves. Key words high temperature valve ; grade of high temperature ; materials of mainbody 1 概述 在一般资料中将阀门工作温度t 450℃ 的阀门称为高温阀门。然而,仅以工作温度t 450℃ 是很难详细地区分各种温度的高温阀 门的。低温阀门通常按低温介质和与之相匹配 的阀门主体材料分为- 46℃级液态丙烷、 - 73℃ 级液态丙烯、液态硫化氢、- 101℃ 级液态乙烯、- 196℃级液氮和- 254℃ 级液氢。其中- 46℃ 级阀门主体材料 可用LCB和LCC ,- 73℃级可用LC2 ,- 101℃ 级可用CF8、CF8C和LC3 ,- 196℃级 可用CF8、CF8M和LC9 ,- 254℃级可用 CF3M和CF8M等。与此相同的是不同温度级 别的高温阀门也同低温阀门一样,它所用的阀 门主体材料及内件材料是不同的,甚至设计理 念和方法也是有区别的。所以,为了确保高温 阀门能按其所对应的高温工况,科学合理地设 计和选材,划分阀门的高温等级是完全必要的。 目前阀门行业对高温阀门的高温等级划 分,尚无相关的标准规范。我厂根据几十年生 产高温阀门的经验将高温等级划分为5级。将 阀门的工作温度t 425~550℃ 800 ~ 1000υ定为高温 Ⅰ 级,简称PⅠ级。阀门工 作温度t 550~650℃1000~1200υ定为 高温 Ⅱ 级,简称PⅡ级。阀门工作温度t 650 ~730℃1200~1350υ定为高温 Ⅲ级,简 称PⅢ级。阀门工作温度t 730~816℃ 1350~1500υ , 称其为高温 Ⅳ级,简称PⅣ 级。阀门的工作温度t 816℃1500υ以上 的温度区域,称为阀门的最高温度级,即高温 Ⅴ 级,简称PⅤ级。 2 分级方法 阀门的高温等级符号用P表示,是因为 在20世纪70年代,我厂开发PⅠ级和PⅡ级高 温 阀 门 时,阀 门 的 主 体 材 料 用 的 是 ZG1Cr18Ni9Ti不锈耐热钢,而该材料代号是 用P来表示的。因此,用P加注罗马数字脚 码表示高温阀门的高温等级。PⅢ级的上限温 01 阀 门 2003年第6期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 度定在730℃ 是因为炼油厂目前所用的阀门最 高工作温度为730℃,所以,就以730℃ 为PⅢ 级高温阀门的上限温度。将PⅣ级的上限温度 定为816℃ 是因为阀门设计时选用的基础标准 ASME B16134的压力2温度等级中提供参数的 最高工作温度为1500υ 816 ℃ , 再高无标准 的参数可选用。另外,温度超过816℃以后, 钢就接近进入了锻造温度区域了,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,故将 PⅣ级高温阀门的上限温度定为816℃。从PⅠ 级~PⅣ级,以华氏温度表示时, PⅠ级 800~ 1000υ, PⅡ级 1000~1200υ, PⅠ级~PⅡ级 每一级的温度差均为200υ 。PⅢ级 1200~ 1350υ, PⅣ级 1350~1500υ, PⅢ级~PⅣ级 每一级的温度差均为150υ 。应用于PⅤ级高 温的阀门必须采用特殊的设计手段,方能保证 阀门作切断用阀门,而非调节型蝶阀类的阀 门在此温度区域正常工作。在816℃以上, 阀门的工作温度的高低已不是关键参数了,因 为采用的特殊设计手段的原理基本上是一样 的,所以,对PⅤ级高温阀门的工作温度不设 上限温度。 “严格定义”的高温阀门,其阀门的工作 温度高于425℃,主体材料采用高温合金钢或 不锈耐热钢或Cr2Ni耐热合金。但在实际应用 中,还经常说到阀门主体材料为WCB 或 A105的高温球阀、高温旋塞或高温蝶阀等。 需要指出它们是相对于用聚四氟乙烯和橡胶作 密封圈时讲的。例如,当球阀的工作温度高于 150~180℃时,就不能用聚四氟乙烯做阀座 了,这时就要用对位聚苯工作温度t≤ 320℃或金属阀座了,此时称该球阀为“高 温球阀”。同样,金属硬密封蝶阀相对于用橡 胶或聚四氟乙烯做密封圈的软密封蝶阀来讲, 它们耐温高于用橡胶或聚四氟乙烯做密封圈的 蝶阀,因而称其为“高温蝶阀” 。所以,工作 温度t≤425℃时的高温球阀、高温旋塞或高 温蝶阀,只是说它们是相对于软密封时为高 温,而不是“严格定义”上的高温阀门。 3 高温阀门的主体材料 从表1中可以看出,在PⅠ级时, 321和 321H型不锈耐热钢的压力2温度额定值数据最 高。在PⅡ级也是321和321H型不锈耐热钢 的压力2温度额定值数据最高。所以从选优的 角度,首选应是321和321H型不锈耐热钢。 然而321和321H均是轧材,而且在美国没有 与之相对应的铸造合金的牌号。因为321其对 应的铸造合金的牌号应是CF8Ti , CF8Ti是指 C≤0108 的CF8型加钛Ti的不锈钢,它 相当于我国的ZG0Cr19Ni11Ti。321H其对应 的铸造合金的牌号应是CF10Ti , CF10Ti是指 C≤0110 的CF10型加钛的高碳级不锈耐热 钢,其相当于我国的ZG1Cr18Ni9Ti。但由于 美国既是贫钛国,又是用钛大国钛合金具有 质量轻、强度高、耐高温及耐腐蚀等一系列优 点,因而被广泛地用于高性能战斗机和火箭等 军事装备上,所以,美国的稳定型铸造不锈 耐热钢只用其较富有的合金元素铌Nb ,有 时也用Cb表示 , 即ASTM A351中的CF8C CF8C中的C表示Cb , 而没有含Ti的铸造 不锈耐热钢。在不锈钢及不锈耐热钢中加钛和 铌的作用是一样的,都是用Ti或Nb稳定C , 从而减少C与Cr反应生成Cr23C6,并起细化 晶粒,降低钢中的有害杂质和气体等作用。 CF8C其对应的轧材钢号为347。我国是贫铌 富钛国,又因铌的价格比钛高,但Nb抗烧损 性优于Ti ,故我国含Nb的不锈钢及不锈耐热 钢主要用于制作不锈钢及不锈耐热钢的焊条。 在其他场合,很少用含Nb的不锈钢及不锈耐 热钢,而广泛用的是含Ti的不锈钢及不锈耐 热钢。因此PⅠ级和PⅡ级高温阀门的主体材料 可选用ZG0Cr19Ni11Ti、ZG1Cr18Ni9Ti、321 和321H。 但含Ti的不锈钢及不锈耐热钢的铸造性 能差, Ti又易形成碳硫化钛夹杂物,降低钢的 塑性和冲击韧性,并易形成刀口腐蚀等,所 以,现在美国很少生产含Ti的321型不锈钢。 有资料介绍,美国尽管仍保留了低碳级的 0Cr19Ni11 Ti 321 ,但其产量仅占其不锈钢 112003年第6期 阀 门 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m 表1 常用的不锈耐热钢的压力2温度额定值比较〔 1〕 工作温度材料 各磅级的工作压力,磅/平方英寸表压 150300400600900150025004500 800υ 427 ℃CF8 ,304 ,304H804055408051210201533606050 CF8M ,316 ,316H804205658451265211035206335 321 ,321H804506009001355225537606770 CK220 ,310 ,310H804355808751310218536406550 1000υ 538 ℃CF8 ,304 ,304H20320430640965160526254815 CF8M ,316 ,316H203504657001050175029155245 321 ,321H203554757151070178529705350 CK220 ,310 ,310H203454606851030172028655155 1200υ 650 ℃CF82,3042,304H20115520531046577012852315 CF8M2,3162316H20 1 18524537055592515452775 3212, 321H20 1 18524536555592515452775 CK2202,3102,310H20 1 13518527541068511452055 1350υ 732 ℃CF82,3042,304H2016080125185310515925 CF8M2,3162,316H20 1 951301902904808001440 3212,321H20 1 851151702554307151285 CK2202,3102,310H20 1 6080115175290485875 1500υ 816 ℃CF82,3042,304H10125355580135230410 CF8M2,3162,316H20 1 405585125205345620 3212,321H20 1 405075115190315565 CK2202, 3102, 310H10 1 25355075130215385 注 1 仅用于焊连接阀门,法兰连接的额定值温度为1000υ; 2在温度超过1000℃ 工况,仅当碳含量等于高于0104 时才使用。 的017 ~115 。因此, PⅠ级和PⅡ级通常选 用CF8、304和304H型不锈耐热钢。 表2中列出了阀门生产中所用的几种型号 的Cr2Mo高 温 钢 在800~1000υ 427 ~ 538℃时,即高温 Ⅰ 级 P Ⅰ区间的压力2温 度 额 定 值。从 表2中 可 见,在1000υ 538 ℃时,铸钢WC9的压力2温度额定值最 高,铸钢WC6次之。用作阀门主体材料时, 又由于它们的工作温度较其他 钢 号 的 高 WC1≤450℃; WC4≤480℃; WC5 ≤500℃; WC6≤540℃; WC9≤570℃。所以,在阀门 设计和生产时主要采用ASTM A217标准中 WC6和WC9这两种低Cr的Cr2Mo高温铸钢, 而其他型号的低铬或低铬和镍的Cr2Mo 铸钢较少使用。但因WC6和WC9的含Cr量 较低,不具有抗硫腐蚀的性能,所以,仅适用 于工作介质为水和蒸汽的工况中。 C5 ASTM A217中铸钢铬五钼钢号,相 当于我国的ZG1Cr5Mo具有一定的抗氧化、 抗硫腐蚀及抗氢腐蚀的功能。在原苏联国家标 准 Г О С Т2176277的“推荐附录”中提出了 20Х5ΜЛ原苏联的铸钢铬五钼的钢号,相当 表2 常用的铬2钼高温钢的压力2温度额定值比较〔 1〕 工作温度钢 号 各磅级的工作压力,磅/平方英寸表压 150300400600900150025004500 800υ 427 ℃WC4 ,WC5 ,F28051067510151525254042307610 WC6 ,F11C112 ,F12C1128051067510151525254042307610 WC9 ,F22C1138051067510151525254042307610 C5 ,F58051067510151525254042307610 1000υ 538 ℃WC4 ,WC5 ,F220200270405605101016853035 WC6 ,F11C112 ,F12C11220215290430650108018003240 WC9 ,F22C11320260345520780130521703910 C5 ,F52020026540059599516552985 21 阀 门 2003年第6期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m 于我国的ZG2Cr5Mo的主要性能是在含有硫 化物热石油介质中耐蚀耐热600℃ 以下。该标 准又在其用途举例中明确指出它用于 “在 550℃ 以下承压的石油介质中工作的石油加工 设备配件、炉具、阀门以及其他零件” 。这是 对铸钢铬五钼阀门工作介质和工作温度及性能 在标准中所作出的最全面的权威叙述。由于铬 五钼具有上述的功能,加之其成本较高铬镍的 不锈耐热钢低,所以,在阀门生产中铸钢铬五 钼是在Cr2Mo系高温铸钢中应用最多的钢号。 因此, WC6、WC9 用于介质为水和蒸 汽和 C5 用于介质为水和蒸汽及油品等 也是PⅠ级高温阀门的主体材料之一。 在PⅢ级和PⅣ级温度下, CF8M、316和 316H型不锈耐热钢的压力2温度额定值数值最 高表1 ,所以, PⅢ级和PⅣ级高温阀门的主 体材料可选用CF8M、316和316H型不锈耐 热钢。CK220、310和310H型高Cr、Ni不锈 耐热钢Cr25Ni20 ,由于其Cr、Ni含量高, 在高温时其抗腐蚀和抗氧化性能均优于其他不 锈耐热钢,同时其在高温下抗蠕变性能及抗高 温断裂的应力等也优于其他的不锈耐热钢。但 在1500υ时, 310的“不加火压力容器”的最 大许用应力最低表3 ,材料价格高。通常 军工及科研用PⅣ级高温阀门多倾向选用CK2 20、310和310H型高Cr、Ni不锈耐热钢。 表3 常用的不锈耐热钢在1500υ816℃ 时高温力学性能〔 2〕 钢 号304316321347310 屈服强度MPa781611214941511311 极限抗拉强度MPa14418172141411316812 弹性模量 E 抗压 GPa12418131171311713318131 G 剪切 GPa5151174949164716 在10000h内产生1 伸长的平均应力MPa10131615101313182017 在100h产生断裂的平均应力MPa 816℃48136211481362117518 871℃271641144813 在1000h产生断裂的平均应力MPa 816℃27164813271627164114 871℃201720172716 在10000h内导致断裂的平均应力MPa22142515151720 在100000h内导致断裂的平均应力MPa151913148181314 在1600υ 871 ℃的断裂特性MPa 100h3415310S4515 1000h1816310S2716 10000h917310S1712 不加火 3压力容器的最大许用应力抗拉数值 MPa 5121013619619114 3在美国“不锈钢手册”的原译文 中翻译为 “不受热”。 以上介绍了各高温等级的阀门主体材料选 用的钢号等,然而各高温等级的阀门内件、紧 固连接件及填料和垫片等又有严格的要求且有 很大的差异。 高温阀门用不锈耐热钢包括用于高温阀 门的铬2钼高温铸钢的化学成分设计和控制 工厂的内控标准 , 其铸造、冶炼及热处理技 术是关键,高温阀门的质量主要是所用的材料 的质量。在石化工业中使用的高温不锈耐热 钢,应采用电弧炉冶炼。在电弧炉冶炼时,应 对高温不锈耐热钢进行充分地脱硫和脱磷,除 渣及除气精炼、净化晶界和细化晶粒,提高抗 高温蠕变等功能。通常用于防腐蚀的未采用抗 高温的特殊冶炼工艺措施的CF8和CF8M不 锈钢,不宜用作抗高温的耐热不锈钢 〔4〕。 4 结语 高温阀门的高温等级共分五级,即阀门工 作温度t 425~550℃ 为PⅠ级,工作温度t 550~650℃为PⅡ级,工作温度t 650~ 730℃ 为PⅢ级,工作温度t 730~816℃为 PⅣ级,工作温度t 816℃为PⅤ级。PⅠ级和 PⅡ级 高 温 阀 门 的 主 体 材 料 可 选 用 ZG0Cr19Ni11Ti、ZG1Cr18Ni9Ti、321和 321H或CF8、304和304H等不锈耐热钢。 312003年第6期 阀 门 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m PⅠ级高温阀门若用于介质为水和蒸汽时,可 选用WC6和WC9。若用于介质为水和蒸汽及 油品时,可选用C5 ZG1Cr5Mo等Cr2Mo高 温钢。PⅢ和PⅣ级可选用CF8M、316和316H 不锈耐热钢。PⅣ级也可选用CK220、310和 310H高铬镍不锈耐热钢。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的设计 方法等选用合理的能满足该阀门使用的材料。 但高温阀门使用的Cr2Mo系铸钢及不锈耐热 钢应采用电弧炉冶炼,并应采用抗高温的冶炼 工艺。 参考文献 〔1〕 ASME B16. 34 - 1996 ,法兰、螺纹和焊连接的阀门 〔S〕. 〔2〕 美不锈钢手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 1987. 〔3〕 康喜范.我国低碳、超低碳奥氏体不锈钢的主要进展 〔J〕.重庆特钢. 1993. 1 . 〔4〕 吴国健,乐精华.国际通用的阀门主体用铸钢材料 〔J〕.阀门. 2001. 1 . 〔5〕 杨源泉.阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版 社, 1992. 〔6〕 Г О С Т2176277特殊性能的高合金钢铸件牌号与技术要 求 〔S〕. 收稿日期 20031051 05 诚聘 本公司为新注册成立的外资企业,专业从事高品质工业自动阀门的研发、生产及销售,现诚 聘相关专业技术人才。 岗 位数额要 求主要工作内容 销售工程师6名 工业自动化专业或相关专业大专以上学历,从事本专业工作 3年以上,具有销售经验,熟练使用计算机,有英文或日文 阅读能力 工程项目跟踪洽 谈;产 品 销 售;售 后服务 阀门结构设计 工程师 2名 流体机械或机械专业本科以上学历,从事本专业工作5年以 上,具有蝶阀或球阀设计经验,熟悉各种标准,精通计算机制 图,有英文阅读能力,年龄40岁以下 蝶阀或球阀的研 发 机械加工工艺 工程师 1名 机械专业大专以上学历,从事本专业工作5年以上,具有蝶 阀或球阀机械零件加工和检验经验,熟悉各种标准,精通计算 机制图,有英文阅读能力,年龄45岁以下 阀门的加工工艺 设计及产品检验 铸造工程师1名 铸造及热处理专业大专以上学历,从事本专业工作5年以 上,具有蝶阀或球阀机械零件加工和检验经验,熟悉各种标 准,精通计算机制图,有英文阅读能力,年龄45岁以下 阀门的加工工艺 设计及产品检验 自动控制工程 师 1名 过程自动化专业本科以上学历,从事本专业工作5年以上, 熟悉各种电动执行器和气动执行器及附件,精通计算机制图, 有英文阅读能力,年龄40岁以下 电动执行器和气 动执行器及附件的 选型及调试 技术工人若干名专科以上学历,从事本专业工作3年以上,会计算机制图,能 简单阅读英文或日文资料。年龄35岁以下 自动阀门的生产及 售后服务 有意者请邮寄个人简历附近照1张及求职说明详细说明个人的能力及成绩,同时说明爱好 及希望得到的待遇等等至马小姐收。所寄资料如未经录用恕不退还,恕不接待来电来访。 北 京 华 蝶 阀 门 有 限 公 司 通信地址北京朝阳区大屯路科学园邮电局10号信箱 邮 编 100105 FAX 010 - 64830113 41 阀 门 2003年第6期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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