高压阀门铸件的工艺设计与应用.pdf

应用与试验 2 0 1 3 年 第4 期 第2 6 卷， 总 第1 2 6 期 机械 研究与应用 高压阀门铸件的工艺设计与应用 郑繁华 兰州黄河石化机械设备有限责任公 司， 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 摘要 重点介绍 了加氢裂化装置止回阀铸件 的生产 工艺设计和具体 生产过程 ， 通过对铸件 生产 过程的铸造 工艺、 冶 炼工艺及热处理 工艺的再设计 ， 在较低 成本下生产 出满足客 户要 求的高质量产品 。 关键词 高压 阀门； 铸钢件 工艺设计 ； 应用 中图分类号 T Hl 6 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 3 O 4 一 O 1 0 6 0 2 Te c h no l o g y De s i gn a n d App l i c a t i o n o n Hi gh Pr e s s ur e Va l v e S t e e l Ca s t i n g ZHENG Fa n h u a L a n z h o u Y e l l o w R i v e r P e t r o l e u m C h e mi c a l Me c h a n i c a l E q u i p m e n t C o ． ， L t d ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s a r t i c l e ， t h e t e c h n o l o g y d e s i g n a n d ma n u f a c t u r i n g p r o c e s s o n t h e c h e c k v a l v e c a s t i n g s t e e l o f t h e h y d r o g e n a t i o n c r a c k i n g u n i t a r e ma i n l y i n t r o d u c e d ，a f t e r t h e r e d e s i g n o f c a s t i n g p r o c e s s ，s me l t i n g t e c h n o l o g y a n d h e a t t r e a t me n t p r o c e s s d n r i n g a c t u a l o p e r a t k m ， t h e h i g h q u a l i t y p r o d u c t s wh i c h me e t s t h e n e e d s o f c u s t o me r a r e p r o d u c e d wi t h a l o w c o s t ． Ke y wor dshi g h pr e s s ur e v a l v e；t e c h no l o g y d e s i g n O n s t e e l c a s t i n g；a p pl i c a t i o n 1 引 言 国际市场重燃料油需求量减少 ， 中馏分油特别是 柴油馏分需求量大幅度增加的情况下， 以及有关运输 燃料环境法规的 日益严格 ， 炼厂迫切的需要新的石油 炼化工艺及设备来实现这一 目标。随着 U O P公司首 先将加氢技术用于 【艺生产， 经过几十年的发展 ， 高 压加氢工艺已发展成为石油炼制深加工 的一个重要 工艺措施 ， 它既能捉高原油 的轻油回收率 ， 义能提高 燃料油的质量 ， 减轻燃油对环境的污染 ， 从而提高炼 油厂的整体经济效益和社会效益。高压加氢装置还 能为石油化工装置提供优质的原料 ， 也是油品脱硫的 理想装置。我国 2 0世纪 9 0年代开始 了高压加氢装 置的建设 ， 以此来提高高硫油 的炼制质量 、 能力和效 益。因此 ， 高压加氢装置的建设将是我国石油炼制行 业的重点和热点。 高压加氢装置中的阀门承压部件 ， 其功能虽与普 通阀门虽无较大区别 ， 但需要具有抗高温蠕变 、 耐高 温腐蚀 ， 耐高压 、 耐疲劳 、 防氢脆等特点 ， 特别是在高 温高压条件小 ， 因氢分子很小 ， 容易进入金属晶格 ， 造 成极大内应力， 降低材料性能 。因此 ， 需采用具有 抗氢腐蚀和抗硫化氢腐蚀的材料进行制造 ， 通常选用 奥氏体不锈钢[ 2 - 4 ] 。因生产难度较大 ， 国内 目前尚缺 乏成套供应的能 力 主要原 因在于阀门制造厂与用 户 尤其是工程设计部门沟通联系不够 ， 不了解 阀 门的使用条件和要求 ， 缺少一套与介质条件相适应的 技术文件 、 模具和 纸等 ， 而且缺少工业化批量生产 的经验。基于此 ， 开发高压加氢装置中的阀门， 不仅 能降低阀门价格， 而且可减少供货周期 ， 方便补充订 货 ， 同时又能推动阀门行业的发展。 2 阀体设计要求 2 ． 1 阀体结构 公司承接中石化 2 4 0万吨／ 年加氢裂化装置止 回 阀， 该产品型号 D N 4 0 0 2 5 0 0 1 b ， 材料为 C F 8 C， 属高温 高压超低磷硫阀门， 用于硫酸介质环境 ， 铸件毛重 4 3 0 0 k g ， 外形尺寸 1 6 0 0 mmx 9 0 0 minx 1 4 0 0 m m， 铸件 结构如图 1所示。 图 1 C F 8 C止 回阀图示 2 ． 2 主要技术参数及要求 基于该阀门使用环境 ， 设计采用 C F 8 C不锈钢材 料对阀体铸件进行浇注。其材料成分与 A S T M A 3 5 1 标准基本相 同， 只是 S 、 P限制为 S≤0 ． 0 1 5 ， P≤0 ． 0 2 0 ， 较 A 3 5 1 标准要求更高。该材料力学性能要求 抗拉强度 MP a ／4 8 5 ； 屈服强度 MP a ≥2 0 5 ； 延 收稿 日期 2 0 l 3 0 6 1 1 作者简介 郑繁华 I 9 6 2 一 ， 男 ， 浙江文成人 ， 工程帅 ， 主要从事铸锻件方面的工作 1 06 机械 研究 与应 用 2 0 1 3 年 第4 期 第2 6 卷， 总 第1 2 6 期 应用与试验 伸率 L 4 d ≥3 0 ％ ， 并 附加金相组织及侵蚀试验 要求 ， 试验按 A S T M E 3 8 1 执行 ， 结果符合下列要求硫 化物 ≤1 ． 0级 ， 硅酸盐 ≤1 ． 5级 ， 氧化 铝 ≤1 ． 0级 ， 球 化氧化物 ≤2级 ， 总级别数 ≤5级 ， 不允许有尺寸大于 A S T M E 4 5标 准的 2 ． 5级 的偏析和带状不均匀组织 ， 不允许有条状夹渣和裂纹。 所有铸件需逐件进行射线探伤检查 ， 检查范围符 合 A S ME B 1 6 ． 3 4， 检查方法按 MS S S P 5 4标准进行 ； 按 A S T M E 1 6 5标准逐件 1 0 0 ％进行液体渗透检查 ； 每 批铸件均应抽检一次进行敏化态晶间侵蚀试验 ， 试验 方法和试验结果应符合 A S T M A 2 6 2 E法的要求。 3阀体制造工艺 3 ． 1 铸造工艺 目前 国内生产 的加氢裂化高压阀门在工程使用 中主要存在 以下 问题 阀体泄漏 铸造 阀体砂 眼、 裂 纹等 、 阀门密封面内漏 、 填料 函密封泄漏 、 阀盖与 阀 体连接处泄漏 及 阀杆断裂 等。因此 ， 需严格 制造工 艺。该阀体铸件整体结构为三通管状 ， 铸件全体积 1 0 0 ％着色探伤 ， 同时管 口及管 口内腔止 回阀加工 面 1 0 0 ％进行射线探伤。 由于不锈钢铸件体收缩大 ， 易产生缩孔 、 缩松 、 裂 纹等缺陷， 为满足射线探伤要求 ， 防止缩松、 裂纹等缺 陷的产生 ， 工艺设计力求达到顺序凝 固， 最大 限度保 证铸件致密度。为保证铸件表面质量 ， 对于局部厚大 部位施放虚热系数较大的铬矿砂激冷 ， 砂型和型芯表 面涂刷耐火度较高的镁砂粉醇基涂料 ， 并保证足够的 涂层厚度 。此外 ， 为保证铸件外表 面质量 ， 满足着色 探伤要求 ， 采用 间接外冷铁 加快铸件局部 热节 的冷 却 ， 加强顺序凝固， 防止缩松和裂纹 。 由于 C F 8 C钢液含铬量高 ， 在浇注过程 中钢液表 面易产生氧化铬膜 ， 使得流动降低 ， 氧化铬膜还使铸 件易产生冷隔 、 表面皱皮和夹渣 等现象 ， 钢液温度愈 低浇注时间愈长时 ， 氧化现象愈严重。因此需适 当提 高浇注温度并缩短浇注时间。 为 了保证铸件能 良好充型 ， 防止铸件缩孔 ， 裂纹 等缺陷的产生 ， 在 阀体开模试 制前 ， 工艺人员首先根 据铸件结构进行尽可能多的虚拟方案试验 ， 减少在现 场反复的模具试制 ， 同时也减少了修改模具造成的时 间浪费和模具费损失 ， 减少铸造缺陷 ， 提高工艺 出品 率。通过优化工艺方案 ， 降低了铸造工艺设计运用于 实际风险。 3 ． 2 冶炼工艺 按照 A S T M A 3 5 1标准 C F 8 C化学成分 为 P≤0 ． 0 4 0 ％ ， S ≤0 ． 0 4 0 ％ ， 基于客户对化学成分的苛刻要求 S ≤0 ． 0 1 5 ％ ， P≤0 ． 0 2 0 ％ ， 采用电弧炉氧化法冶炼 A O D精炼工艺可满足成品 P要求， 但生产成本较 高 ， 劳动强度大 ， 且不能满足客户较低报价 成本 要 求 ； 采用 电弧炉返 回法冶炼 A O D精炼 工艺成本较 低 ， 但要求 返 回料 中 P的含量低 ， 目前 ， 市场可采 购 的返回料中 P含量一般在 0 ． 0 4 0 ％左右 ， 所 以， 采购 到含 P量 0 ． 0 3 0 ％返回料是实现电弧炉返 回法冶炼 A O D精炼操作 的前提 ， 在此基础上 ， 通过配入适量 的低 P钢和使 用较廉价的铬铁 等， 可在较 低成本下 生产出满足客户要求 的高质量产 品。钢水经 电弧炉 初炼及 A O D精炼深度脱 s ， 可使成品 S ≤0 ． 0 1 0 ％ ， 确 保客户成品 S ≤0 ． 0 1 5 ％ 的要求。 A O D A r g o n O x y g e n D e c a r h u r i z a t i o n 精炼炉即实 施氩一氧脱碳 ， 去气 、 夹 杂物较彻底 ， 可 冶炼超低碳 C 0 ． 0 3 ％ 和超低硫 S 0 ． 0 0 3 ％ 的钢水 ， 钢水纯 净度高 、 气体含量低 ， 同时可准确控制钢水 中碳及合 金元素含量 ， 达到理想的 c r 、 当量 比， 使后序热处 理过程得到奥氏体 适量铁素体组织 4 ％ ～ 1 6 ％ ， 当钢中含有适量 的 6铁素体时， 可以改善奥氏体不锈 钢的晶问腐蚀倾 向， 保证了阀体使用性能。 3 ． 3热处 理工 艺 奥氏体类不锈钢铸件 的铸态是奥氏体 碳化物 或奥氏体 铁素体两相组织 ， 为了使钢具有最佳的抗 腐蚀性 ， 该类铸钢件均需施行 固溶处理 即将铸件加 热到 9 5 0 1 1 7 5 c ， 使碳化物完全溶解 ， 保温后淬入 水中， 控制水介质初始温度 5 0℃ 和冷却速度 ， 从 而得到奥氏体组织 与适量的铁素体组织。为 了提高 该不锈铸钢的抗 晶界腐蚀性能 ， 在固溶处理后 ， 尚须 进行稳定化处理 将铸件重新加热到 8 5 0～9 3 0 o C空 冷 ， 因 N b与 C的结合能力更强 J ， 这样首先形成稳 定的 N b C ， 保证奥氏体中足够的铬含量 ， 尽量减少铬 形成碳化物 C r ， C 沿奥 氏体晶体界析出， 使晶界附 近贫铬 ， 以防止晶间腐蚀 ， 改善钢的使用性能。 4 实物检测 目前 已试制该 阀体铸件 3件 ， 经性能处理后 ， 力 学性能完全合格 ； 通 过金相检测 ， 夹杂物等级及铁素 体含量均满足要求 。R T检验一次通过， P T检测未发 现超标缺陷。 5 结 论 1 开模试制前 ， 通过华铸 C A E数值模拟 ， 切实 有效的减少了现场反复的模具试制 ， 同时也减少了修 改模具造成 的时间浪费 和模具 费损失 ， 减少铸造 缺 陷， 提高工艺出品率， 交付产品质量达标， 并得到客户 认可 。 2 通过电弧炉返回法 A O D精炼的冶炼方式， 降低了钢液中 P 、 S及气体的含量， 提高了钢液的纯 净度 ， 有效减少了气孔等缺陷的产生。浇注温度的适 下转第 1 1 2页 1 0 7 设计与制造 2 0 1 3 年 第4 期 第2 6 卷， 总 第1 2 6 期 机械研究与应 用 结合 T R I Z 理论创新软件 P r o ／ I ， 受到专利热收缩 将管固定在壁 中 的启发 ， 可使用热收缩树脂 制作 照明模块的外壁， 并将光源做成柱状。将待固定的光 源插入活动靠背两侧 的预留孑 L 中。靠背侧 面上孔的 周围有凸出部分 。用一段长度较短 的热收缩柱形件 将凸出部分和一部分插入管包覆起来 。在相对较低 的温度下加热热收缩柱形件。在所提供的热 的作用 下 ， 柱形件发生热收缩， 即其尺寸减小 。柱形件被压 缩 ， 在壁 内将照明模块与凸出部分连结起来 。这样， 便将照明模块 固定在了床上活动靠背上。 此安装方式简单轻便 ， 占用很小的空间， 且比传 统 的插入式安装要牢固很多。 另外 ， 传统的照明模块或者床头台灯的光线分布 不均匀 ， 易被遮挡且不适合 阅读。要解决这个 问题， 运用 S o l u t i o n K B软件对专利进行检索 ， 如图 6所示 ， 图 6 光片均匀分布光线 运用光片使光线均匀且充分地分布到整个空间 上接第 1 0 7页 当提高 ， 提高了钢液的流动性 ， 使其 良好充型 ， 保证了 铸件质量。 3 通过固溶化 稳定化的热处理工艺 ， 保证 了 铸件的机械性能 ， 结合冶炼 时钢液 C r ／ N i 当量控制 ， 使夹杂物等级也均低于标准要求 ， 铁素体含量 约为 8 ％左右 ， 产品性能一次合格。 参考文献 [ 1 ] 朱飞．P A T装置加 氢反应 器出料控 制 阀国产化 改造 的探讨 1 l 2 上 ， 当活动靠背的用户为病人 、 老年人时， 这项设计使 光线更加柔合， 起到保护眼睛的作用 ， 适合用户使用。 4 评价各方案 由 T R I Z专家 分析 ， 总结 问题解 决过 程及 方案 解 ， 将角度调节部分与椅背设计部分所得结果结合 ， 可得相对最优解 角度调节处使用图3 中的长度可调 带， 靠背支架部分增加弹簧缓冲， 且靠背分为两部分 ， 加强下半部分对腰部 的支撑， 且靠背采用多孔材料 ， 增加透气性 。 对于采用调角器或者采用电控的方案， 可根据使 用者的要求不同， 采用权值计算法 ， 确定最终解。 5 结 语 本文运用 T R I Z理论 ， 对于现有活动靠背所存在 的一些缺陷 ， 提 出针对性 的解决方法 ， 改进 的方 案可 以完善所存在的缺陷 ， 综合考虑， 获取最优解_ 9 。 参考文献 张建荣 ， 王凡 ， 党晶， 等．应用 T R I Z理论改进作业实验的研 究[ J ] ． 机械研究 与应用 ， 2 0 1 3 1 7 - 9 ． 戚荣成 床上活动靠背[ P ] ． 专利号 2 0 0 5 2 0 0 9 7 4 6 0 ． 7 ． 阮汝祥 技术创新方法基础 [ M]北京 高等教育出版社， 2 0 0 9 ． 章曲， 谷林． 人体工程 学[ M] ． 北 京 北京理工 大学出版社 ， 2 o o 5 ． 左春柽 ． 人 机工程 与造 型设 计 [ M] ． 北 京 化 学 工业 出版社 ， 2 0 0 7． 潘承怡 ， 张简一． 基 于 T R I Z理论 的多功 能异 形架 椅创新 设计 [ J ] ． 林业机械与木工设备 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 0 2 9 - 3 1 U S U I K o k u s a i S a n g y o K a i s h a L t d ． J P ．M e t h o d o f F i x i n g a P i p e b y Me a n s o f a C l a m p B o d y [ P ] ．N O ． 4 9 8 0 9 6 0 3 M I n n o v a t i v e P r o p e i e s C o m p a n y S t ．P a u l ， MN ． O p t i c a l S h e e t s S u i t a b l e f o r S p r e a d i n g L ig h t [ P ] ． N O ． 6 4 5 6 4 3 7 ． 檀润华． T R I Z及应用[ M]北京 高等教育 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ J ] ． 中国仪器仪表 ， 2 0 0 8 1 0 4 8 5 1 ． [ 2 ] [ 美 ] 唐纳德皮克纳 ，I ．M．伯恩斯坦．不锈钢手册 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 7 ． [ 3 ] 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 ，1 9 9 1 ． [ 4 ] 吴伟阳 ， 乐 精华．高压加 氢装 置 阀门 的工 况要 求 及技术 分析 [ J ] ． 阀门， 2 0 0 6 6 3 3～3 7 ． [ 5 ] 吴承建， 陈国良． 金属材料学[ M] ． 第 2 版． 北京 冶金工业出版 社 ， 2 0 0 9 ． j 1 {] j