国际通用的阀门主体用铸钢材料.pdf

2 0 0 1 年第 1 辫 阀 门 文章缠号 1 0 0 2 - 5 8 5 5 【 2 0 0 1 1 0 1 0 0 2 1 0 4 国际通 用的阀门主体 用铸钢材料 昊国健 ． 乐精华 1 ． 仪征化纤公司设 备动力邮江苏仪征2 1 1 9 0 0 ；2 ． 兰州高压 阀门厂甘肃兰州7 3 0 0 6 0 摘要详 细地介 绍 了国际通 用的采 用先进技 术标 准的 阀门主体材料 用碳素 铸钢、铬 钼 高温铸钢 、铸 造不镑耐酸 钢 、低温铸钢 、高温不镑耐 热铸钢 等材 料及 其性能． 并进行 j铸钢 和轧材性 能的对 比分 析。 关键词国际通用；阀门主体 ；钳钢材料 中 围 分类号 T G1 4 2 文 献标识 码 A I nt e r na t i o na l c o mm o n c a s t s t e e l f o r v a l v e bo dy W U Gu o - j i a n ．LE J i n g - h u 1 ． Y h e n g C h e mi c al F i b r e C o ． ，Lt d ， Y h e n g 2 1 1 9 0 0．C h i n a 2 ． L a n z l Hi g h P r e 酉u r e Va l v e F a c t o r y L 伽7 3 0 0 6 0 C t n a Ab s t r a c t I n t r o d u c i n g t he c h a r a c t e r i s t i o f i n t e r n a t i o n a l o 0 1a l l n o t l e a s t s t eel f o r v a l v e b o d y ． S u c h a s c a r b o n c a s t s t e e l ， mo l y b d e nu m c h r o mi u m e a s t s t e e 1 ． aci d _ p r o o f a nd s t a i n l e s s e a s t s t ee l ， c a 3 “ o g e n i e c a s t s t e e l ， o x i d a t i o n a nd h e a t r e s i s t a n t c a s t s t e e l ， e t c ． Ad v an e e d t e c hn i c a l s t a n d a r d s a r e a d o p t e df o rt h e s ema t e r i a l s ． Th e c h a r a e t e fis dea bo t h o f e a s tan dt O l i e d s t e e l a r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d i n a l l d e t a s ． Ke y wo r d s I n t e r n a t i o n a l c o mmo n； v alv e b o d y； c a s t s t e e 1 ． 阀 门 广泛 应 用 于 石 油 、化 工 、冶 金 、 电 力 、矿 山、轻工 、国 防及科 研等领域 ，是流体 控制的手段。而钢制 阀门常用于输送高温、高 压 、低温和 强腐蚀 等介质 。阀门用铸 钢的生产 和材料选用，是阀门质量的关键因素。随着我 国工业现代化和对外开放进程的加快及我国即 将加入 WTO， 阀 门工业 不 可避 免 地 要加 快 与 世 界先进 技术接轨 。因此 ，研 究和 实旋 阀门主 体材 料的 国际先进 技 术，是我 国 阀门生产和使 用单 位广大 科 技人员 的重要职 责。 1 铬钢阀门主体材料 1 ． 1 铸造碳 素钢 碳 钢 铸钢和 锻钢 阀门 约占高 中压阀门 产量的 9 0 ％。国 际 上 碳 素铸 钢 阀 门采 用 美 国 As 1 M A2 1 6 ／ A2 1 6 M 一8 9的 wC B 和 WC C， 其化学 成分及机械 性能 见表 1 。碳 钢 阀 门的最 裹 1 WC B、w0c化学成分麓帆械 性能 注 规定的量高古碳量每峨步 O 0 1 ％．允许量高古锰量增加 O 0 4 ％．直到其量大古量选 1 ． 2 8 ％。 规定的量高音碳量每峨少 O ． 0 1 ％，允许最高古锰增加O ． 0 4 ％。直到其量大古量选 1 ． 4 ％。 怍者俺介 是国健， 1 9 7 1 一 ． 男 ． 甘肃夭水人． 工学磺士． 工程师。 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 阀 门 2 0 0 1 年第 1 期 高 工 作 温 度 在ANS I BI 6 ． 3 4 1 9 9 6 和 S H3 0 6 4 - -9 4中 规 定 ．WC B 、WC C 的 适 用 温 度 范 围为 一2 9 ～4 2 5 ℃ 。 我国碳 钢 阀 门现在 已不 用 GBI 1 3 5 2 8 9中 的 Z G2 3 0 ． 4 5 0 ，其原因可 以从与 AS TM A 21 6 ／ A2 1 6 M- 8 9的 WC B 比较 中看 出。 Z G2 3 0 4 5 0 钢 主 要 突 出 其 屈 服 强 度 ≥ 2 3 0 MP a 。抗 拉强 度 ≥4 5 0 MP 丑 。而 WC B突 出 了用于 高温 时强度 和焊 接性 能 。AS TM A2 1 6 ／ A2 1 6 M- 8 9中 明 确 指 出，本 规 范 包 括 高 温 用 ， 并能与其他铸锕或锻钢件熔焊成组件 的阀门、 法 兰 、管件 或其他承 压件的碳紊钢 铸件 。铸钢 阀 门的应用 工况多 为高温高压 ，因此不能视为 一 般 工 程 用 铸 造 碳 钢 件 ， 故 阀 门 不 宜 用 GBI 1 3 5 2 8 9中的 Z G 2 3 0 - 4 5 0 。 WE B钢的 Mn和 等合金元素 的含量 比 7 Z l Z 3 0 - 4 5 0的高 ，屈 服强度≥2 5 0 Ⅶ 抗拉强度 ≥4 8 5 Ⅱ 控制锕中的残留元素含量。主要 目 的就是改善钢 的焊接 性能。G B 1 1 3 5 2 - 8 9中规定。 7 _ G7 ． 3 0 - 4 5 0的残余元素总 含量不 超过 1 ． 0 0 ％．如 需方无要求，残余元素可不进行分析。而 A S T M A 2 1 6 ／ A 2 1 6 M- 8 9规定 ．不管需方有无要求．必须 同时检测各残留元素。 WC B钢 的中文含义是 强 度 适 中 B级 的可焊接的铸锕。对于 P N≥3 2 ． 0 MP a的碳钢 我国 已将 AS TM A 2 1 6 ／ A 2 1 6 M． 8 9转 化为 GB ／ T1 2 2 2 9 1 9 8 9。 1 ． 2铬钼 铸钢 国 际 上 铬 钼 高 温 阀 门 主 体 材 料 执 行 A S T M A 2 1 7 ／ A 2 1 7 M- 9 1标 准。该 标 准 中 有 W C 1， W C A ． W C5 ， W C 6， W C9 ， W C1 1 ， C 5 ．C 1 2 ．C AI 5等 9种钢号。锕号 中 w 表示 可焊接 ．c表示铸钢 ．后面 的数字 表示钢 的工 作温度 高低排序 。以介质 为水和蒸汽 为例 ，其 最高 使用 温 度分 别 是 WC I ≤ 4 5 5 ℃ WC A ≤ 5 4 0 ℃ wC 5 ≤ 5 6 5 ℃ WC 6 ≤5 9 5 ℃WC 9 ≤6 0 0 ℃等。广泛用于 阀门的锕号是 wc 6 、wC 9和 C 5 我 国称铬 5 钼铸钢 。这 3种 钢 的化 学 成 分 和机 械性 能 见 表 2 。 阀门用铬 钼铸钢我 国 尚无 标准 。 诗钢 铬 5钼 Z GC r 5 Mo 。适 用于 含硫 化 物热态石 油介 质 ． 同时还 具 有抗 氢 腐蚀 性 能 。 因此铸钢 铬 5钼 高温 阀 门广泛用于石 油炼制 及 乙烯 生 产 等 含 硫 介 质 的 高 温 工 况 中。WC 6 、 wC 9等铬钼 钢 高温 阀门 广 泛用 于 电力 或热 力 系统等介质为水和蒸汽的高温高压工况中。用 于工作介 质为油 品或蒸汽 的 阀门，应有足够 安 全可 靠 性 ，通 常 规 定 c 5 z Gc r 5 Mo 阀 门 的工 作 温 度 ≤ 5 5 0 ℃ ，W C 6 介 质 为 水 和 蒸 汽 阀门工作 温 度 ≤ 5 4 0 ℃ ；wC 9 介 质 为 水 阀门应 采 用 强 度 高 的 C 级 WC C钢 制 作 。 和蒸汽 阀门工作 温度≤ 5 7 0 2。 衰 2阀 门 主 体材 料 用 C r - Mo膏江 并 铜 铬钼 钢耐高 温的机理 主要是 ①铁 中加入 cr 后 ，可提 高 O 出现 的温 度 ，而 且 可形 成 具有 良好保护性能的 C r 2 0 3 合金氧化膜。保护 金属 不 被继 续氧 化 。② c r和 Mo等 中强 碳 化 物形成元素能形成合金渗碳体或特殊碳化物， 如 F e Mo a C ，M晚c等 。这类 锕在淬火或高温 回火时 ，即析 出 Mo 2 C等碳化 物 。其 质点很 细 小，不易聚集长大。由其造成的沉淀强化使钢 保持较高的蠕变强度，它们能阻止 相的再结 晶， 因而 起着 固溶强 化 的作 用 。 1 ． 3 不锈耐酸 铸钢 不锈耐酸锕是指在强腐蚀介质中腐蚀速度 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 0 0 1 年第 1 期 阀 门 一 2 3 一 较低的钢。腐 蚀速 度小于 0 ． 1 mm ／ a ．为 “ 完 全 耐 蚀 ” 。腐 蚀 速 度 小 于 1 ． 0 mm／ a ，为“ 耐 蚀” 。不锈钢的腐蚀主要属于电化学腐蚀，如 均匀腐 蚀 、晶间腐 蚀 、应力腐蚀 、点腐蚀 、缝 隙腐蚀和射线腐蚀等等．其中晶问腐蚀危害最 大 。常 温 时， 碳 在 奥 氏 体 的 溶 解 度 仅 为 0 ． 0 2 ％一0 ． O 4 ％。剩 余 的碳为 过饱和碳 。晶 问 腐蚀是由于不锈钢奥氏体中过饱和碳在晶间与 铬生 成 c c6 及 C r F e 2 3 c 6或 C r F e Mo 2 3 c 6 析出相，且 呈连续 网状分布于 晶界。由于 C r 幽 ； 中铬 含 量 高 达 9 5 ％，当 它 析 出 时 。周 围奥氏体区铬含量就降低，又由于铬原子扩散 速度低于碳原子的扩散速度，因而在短时间内 不能由晶内的铬扩散来补充，通常形成 了厚度 约 1 0 c m 的贫铬 区。当贫 铬 区 的铬含 量 低于 抗酸极限含量 1 2 ％时，在许多介质 如高温 稀硝 酸 、浓硝 酸 、硫 酸 、尿素熔 融介 质、工业 醋酸、草酸、铬酸、蚁酸、乳酸、磷酸、亚硫 酸 、氢氟 酸、氨基 磺酸 、氯化 铁溶液 、硫 酸氢 钠溶液、乙二酸及海水等 贫铬 区成为微 阳 极，C r 2 3 c 6 及 C r F e 2 3 c 6 等和其他奥 氏体成 为 阴极，造 成“ 晶间腐 蚀 ” 。产 生 严重 晶 间 腐蚀”的工件。可用手指碾碎为粉末。 为了克服碳对不锈钢耐蚀性 的危害，要求 耐蚀不锈钢中碳含量越低越好。当不锈钢中碳 含量达到碳在奥氏体中的溶解度 固溶 时， 就可避免 “ 晶问腐蚀”的发生，如 c ≤0 ． 0 3 ％ 的超低碳不锈耐蚀钢 。 尽管不锈耐蚀钢 目前有几十种之多．但阀 门主 体材 料 用 不锈 钢 国际 上 主要 采 用 的是 AS TM A3 5 1 ／ A3 5 t M- 1 9 9 3中 的 C F 8 、C F S M 、 C F 3和 C F 3 M 等 表 3 。 除 A S TM A 3 5 1 ／ A 3 5 1 M- 1 9 9 3外 。有 时 用 户 还 会 要 求 执 行 A S T M A7 4 3 ／ A 7 4 3 M． 1 9 9 5 或A盯 M A7 4 4 ／ A7 4 4 M- 1 9 9 6 中 的 a 。 CF 8 M． C F 3 。 a M 等。这些 标准 中的 CF 8 ，CF S M，C F 3 ，∞M 的 化 学 成 分 和 机 械 性 能 与 A S T M A 3 5 1 ／ A3 5 1 M． 1 9 9 3相同 。仅对 铸 件焊 朴 及焊 补君 热 处理要 求 有 差 别，其 中 A A7 4 4 ／ A 7 4 4 M一 1 9 9 6要求最 严格 ，因为它要保 证用于 恶劣条 寰 3 ∞。C l aM。C F 3 ．C F 3 M 的化学成分置机蟪性格 A S TM A 3 5 1 、A 7 4 3 A7 4 4 ． 件下 的耐 蚀性能 。 1 ． 4 低温铸钢 低温钢质量的好坏．在很大程度上取决于 使用温度下钢的冲击韧性大小。当温度降至某 一 临界值 即 “ 冷脆性转变温度” 以下，钢 材将完全失去韧性，发生脆性断裂。这种低温 脆断 曾多次使位于寒冷地 带的钢铁桥梁、船 体、容器等发生突然断裂的重大事故。所 以。 低温阀门的质量好坏，取决定作用的是合理选 用低 温锕 。 低温阀门主体材料用铸钢。国际上是选用 美 国A盯 M A3 5 2 ／ A 3 5 2 M- 1 9 9 3 和AS TM A 3 5 1 ／ A3 5 1 M- 1 9 9 3 标准 。 AS TM A3 5 2 ／ 3 5 2 MJ 9 9 3 标 准 中 U强、 u 可 用 于 一 4 6 ℃， L C 1可 用 于 一5 9 ℃ 。 L C 2可 用 于 一 7 3 ℃，L C 3 可用于 一1 0 1 ℃。但 由于 Ni 钢热处 理工艺 复杂 ，生产 周 期 长 等原 因．较 少 采用 。 一 般为保证阀门安全以及便于组织生产，国内 外多甩 AS TM A3 5 1 ／ A3 5 1 M． 1 9 9 3中奥 氏体 不 锈钢 C F 8或 C F S M 代 替 Ni 钢。在 A S T M A 3 5 2 ／ A 3 5 2 M． 1 9 9 3中，用于生产低 温阀门最 常用的钢是 L C B和 L C C 表 4 、表 5 。 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 一 2 4 一 阀 门 2 0 0 1 年第 1 期 注 古碳量在量丈规定 值下砖步 O ． O 1 ％，允 许量高 古譬量增加 0 ． 0 4 ％，直 至量丈 古量 L C B 到 1 ． 2 s ％i L C C 到 1． 40％ 衰 5 L CB ．L C C机械 性隹 一 1 0 1 ℃ 以下 的低温 阀门 ． 国内外 均是 采 用AS T M A3 5 1 ， A3 5 1 M． 1 9 9 3 中C F 8 或 C F S M。因为 C F 8和 C F S M 是 十分优 良的低温 钢， C F 8可 用 于 一 1 9 6 ℃ ， C F 8 M 可 用 于 一 2 5 3 ． 8 ℃ 液氧等超低温状态中。 1 ． 5 高温不锈耐热铸钢 在室温 和 低 温 下 工 作 的钢 件原 子扩 散 缓 慢 ．而 在高 温下工作 的钢 件会发 生剧烈 的原子 扩 散 。所以对耐热钢 和耐热台 金的使用性 能最 基 本的要求 有① 良好 的高 温强度和 高温疲 劳强 度以及与之相适应的塑性。 良好的高温化学 稳 定性 。③ 良好 的铸 造、锻造 、焊 接及机 加工 等工 艺性 能 。 在石化工业 中使用 的高温不锈 耐热钢 阀门 的耐热不锈钢，应采用 电弧炉冶炼。在 电孤炉 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，防止铸钢件在长期高温状态下晶粒粗化． 提高抗高温蠕变等功能。因为碳能显著提高钢 的强度，扩大钢的奥氏体区域．稳定奥氏体组 织，所以对耐热不锈钢要保证 含碳量不低于 0 ． 0 4 5 ％。这就是说 通 常 用 于 防腐 蚀 的 未 采 用抗 高温的特 殊 冶炼 工 艺 措施 的 C F 8 ．C F S M 不锈钢不宜用作抗高温的耐热不锈钢，C F 3 ， CF 3 M 更 不 能 用 于 高 温 工 况 ． 因 为 C F 3 ． c F 3 M 使用温度 范禺是 一2 5 4 ℃ ～4 2 5 ℃ 。 2 铸造合金 与变形 合金 轧材 J 铸造合金 和轧材 的使用性能相 同 ．而 且材 料相互间可 以替代，但 在化学成 分上略有差 别。以 3 0 4 、3 1 6与 C F 8 、C F S M 为侧．在成 分上 可 以看 出它 们 间的差 异 表 6 。 因为 轧 材 要求塑性好 ，便 于 轧制。铸 件则 要求 有较 好 的铸造性 能。化学 成分不 同，则金相 组织也 不 同，3 0 4和 3 1 6不镑钢组织为奥氏体，C F 8和 C F S M 组织 为 奥 氏 体 一铁 索 体 。 因此 3 0 4和 3 1 6不锈钢通常无磁性，而 C F 8和 C b “ S M 带有 磁性 。 了解阀门主体材料用的铸造台金与变形舍 金 轧材 牌号 间 的 对 照 关 系 表 7 ，是 掌 握钢制 阀门材料所 必须 的。 衰 6 铸遗不锯铜与对应轧材化学成分比较 ％ 下转 3 6页 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 一 3 6 一 阀 门 2 0 0 1 年第 1 期 阀盖上半部分。⑥S a v e - p L r t a s 建一新文件 名 供 有 限元 分析用 。 4 ． 2 建立物理模型及力学模型 对模 型加 阿格 。边界条 件及材 料等进行 解 算处 理。 4． 3后置处 理 运用 其 动 画 显 示及 云 图 ，达 到 了 使 用 目 的，求出了工作压力下阀体 、阀盖及螺栓内部 所产生的最大应力值，为设计提供了充分的理 论依 据。 阀门的工作状 态类 似于压 力容器 ，在 中高 压阀 门的设 计 中，这 一功能解决 了阀门设 计中零部件受力分析的难题 。 4． 4 检查静 态干 涉 在装 配 中利 用 i n [ o[ n t e r [ e r e e 检 查 相 邻 两零件 间 的干涉 情况 ，如 有干涉可 生成干涉条 或高 亮 显 示 。利 用 生成 干 涉 条 方 法及“ i n [ o ” 其尺 寸，据 此对 主模型进行 相应 的改动，消 除 阀体与闸板或阀体与蠊板等的静态干涉。 4． 5 机构 分析 动态干涉 利用 UG ／ Me e h a n i s m 建 立 机 构 模 型 ，使 装 配中 阀杆 、闸板或 阀体与螵板 等成 连杆 ，并 对其 加 滑 动副 。固定 到地 fi x e d t o g r o u n d ． 并 给出其运动 方 向，输入运动 速度 ，即可进行 动 画显示及检 查动态干 涉 了。 实际工作中通过检查闸板与阀体和 阀盖、 阀体与蝶板 、阀座与球体等 的动态干涉情况， “ I n f o ”了干涉条 的尺寸 ，对 主模型进行 了相 应的修改，消除了干涉。 4 ． 6 重 量计算 在工程设 计 中，对形状复 杂，且不 规则 的 铸件及加工件的重量计算，是一件很繁琐的事 情 ，而且误 差较 大 ，使 原 材料 消耗 计 算 不 准。 使用 i n f o ／ ma 1 y 8 e I ml蠲，这一过 程就变 得简单 且 准确 了。 5 结语 使用 UG软件 ，可提高工作效率 ，缩短产 品开 发周期 ，提高产 品设计 可靠性 ． 降低产 品 开发 成本 。该 软件可操 作性 强 ，具 有一 定工 作 经验及 英语基 础的设计 人员可在短 时 间内达 到 应用 水平 。 收稿 日期 2 0 0 0． 4 ． 3 l 上接 2 4页 衰 7钳 造合 盘 与 对应 壹 形合 盘牌 号 置 标准 *遗合盒标准厦喜 j 号 变形合盒标准爰镑号 3 镶基耐蚀合金 诗造 阀 门 主 体 材 料 还 有 C N 7 M 合 金 HM A7 4 4 ／ A 7 4 4 M- 1 9 9 6 和 镍 基耐 蚀合 金 A s T M A 4 9 4 ／ A 4 9 4 M- 1 9 9 1 ，如 蒙乃 尔合 金 M3 5 1 、悴镍合金 c z 1 0 0 、英康乃尔高温 镍合金 c Y一4 0 及哈氏合金等等， 由于它 们用量 较 小 ，工 况 较特 殊 ，限 于篇 幅 的关 系． 在此 不作介 绍。 参考文献 C i A 吼M 2 l 6 ／ A 2 1 6 M- 8 9 ．高温用可熔焊碳镑静件标准 规范[ s 】 ． C 2 A b l S T B 1 6 ． 3 4 1 9 9 6 ．法兰和对焊蜡翻门[ s 】 ． 臼 】 S H 3 0 6 4 ． 1 9 9 4 ．石 化喜 j 制适 用 翻 门选 用 检 验与 验收 [ S ． 【 4 】 G B 1 1 3 5 2 1 9 8 9 ．一般工程*镑件【 s ． [ 5 】 G B ／ T 1 2 2 2 9 - 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