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    閥門主體零件適宜工作溫度介紹

    來源:疏水閥  發布時間:2017-06-22 16:44:42

      1概述
      閥門設計和選材時必須重點考慮的問題之一是閥門的工作溫度。為了規范閥門主體材料的適宜工作溫度,從各種類型的閥門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、電力及冶金等行業用的閥門主體材料的適宜工作溫度及相關要求作出了明確的規定,供閥門產品設計、制造及檢驗時用。另外,從技術管理和生產管理及物資采購等方面考慮,對每種類型的鋼應選用綜合性能良好的,不宜選用過多的鋼號和合金牌號,以防造成混亂。
      2低溫工況
      2.1 超低溫閥門材料
      超低溫閥門〔-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。ASTM A351 CF8M、CF3M、CF8和CF3,ASTM A182 F316、F316L、F304和F304L,ASTM A433 316、316L、304、304L和CF8D(蘭州高壓閥門廠設計,工廠標準代號GFQ81-93)。超低溫閥門的閥體、閥蓋、閘板或閥瓣等在精加工前,必須在液氮(-196℃)中進行深冷處理。
      2.2 低溫閥門材料
      適用于低溫閥門(-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格較低,但是其冶煉時化學成分必須有可靠且要求十分嚴格的工廠內控標準。其熱處理工藝復雜,需要多次作調質處理,方能達到標準要求的低溫沖擊韌性的要求,生產周期長。低溫沖擊韌性達不到標準要求時,不允許投料作低溫鋼使用。因此,只有在生產批量大,并且可成爐冶煉時才采用,而在一般情況下選用奧氏體不銹鋼。
      3非腐蝕工況
      閥門工作介質為水、蒸汽、空氣和油品等非腐蝕性物質時,一般采用碳素鋼。閥門用碳素鋼系指ASTM A216標準中的WCB、WCC鑄鋼和ASTM A105鍛鋼。閥門用碳素鋼適宜工作溫度為-29~425℃。但是為了安全,考慮到介質的工作溫度有可能波動,因此,一般碳素鋼的使用溫度不應超過400℃。
      4腐蝕工況4.1 鉻-鉬系高溫鋼
      閥門選用的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。
      ⑴ 低鉻級鉻-鉬鋼
      低鉻級鉻-鉬鋼有WC6、WC9、F11和F22,其適用的工作介質為水、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℃。
      ⑵ 鉻五鉬高溫鋼
      鉻五鉬高溫鋼有C5(ZG1Cr5Mo)和F5,其適用的工作介質為水、蒸汽、氫氣和含硫油品等。
      C5(ZG1Cr5Mo)如果用于水蒸汽時,其最高工作溫度為600℃。用于含硫油品等工作介質時,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。
      ⑴ Cr-Ni不銹鋼
      Cr-Ni類不銹耐酸鋼有CF8、CF3、F304、F304L、CF8C和F347,其適用于工作介質為硝酸等氧化性酸。其最高工作溫度≤200℃。
      ⑵ Cr-Ni-Mo不銹鋼
      Cr-Ni-Mo類不銹耐酸鋼有CF8M、CF3M、F316和F316L,其適用于工作介質為醋酸等還原性酸。
      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主要用CF8M、CF3M,其最高工作溫度≤200℃。
      ⑶ CN7M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℃。
      ⑷ 雙相不銹鋼
      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,在有氯的環境中有特殊的抗應力腐蝕開裂的性能。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)。鑄鎳合金無對應的軋材,英康乃爾合金的軋材為Inconel 600和Inconel 625等。
      ⑴ 蒙乃爾合金
      蒙乃爾合金(Monel)具有較高的強度和韌性,特別是具有優異的抗還原酸及強堿介質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、堿鹽及還原性酸等介質的設備和閥門,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,但不抗含硫介質和氧化性介質(如硝酸及含氧高的介質)的腐蝕。整體是蒙乃爾合金的閥門材料代號為MM,內件是蒙乃爾合金的閥門,殼體為碳素鋼時閥門材料代號為C/M、殼體為CF8時閥門材料代號為P/M、殼體為CF8M時閥門材料代號為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℃。
      ⑵ 鑄鎳合金
      鑄鎳合金(CZ-100)的化學成分為95%Ni和1.00%C,其無對應的軋材。當CZ-100用于高溫高濃度或無水堿溶液中時,具有優異的耐蝕性能。CZ-100常用于在高腐蝕濃度(包括熔融無水苛性鈉)的氯堿生產中以及用于不能有銅和鐵等金屬污染產品的場合。鑄鎳合金CZ-100閥門的材料代號為Ni。CZ-100合金適宜工作溫度為-29~316℃。
      ⑶ 英康乃爾合金
      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,當Ni含量≥45%時,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力工廠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,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生產中。如大化肥廠用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)高濃度氧氣閥門等。CY-40和Inconel 600合金閥門的材料代號為In。適宜工作溫度為-29~650℃。
      ⑷ 哈氏合金
      哈氏合金(Hastelloy)是商業名稱,它包括有一系列的合金牌號,用于耐蝕閥門上的主要是哈氏合金B
      (Hastelloy B)和哈氏合金C(Hastelloy C)這兩類。
      哈氏合金B(Hastelloy B)的鑄造合金牌號在ASTM A494標準中為N-12MV(N-12M-1)及N-7M(有的資料稱之為N-12M-2,也稱它為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,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)。哈氏合金的材質代號閥門行業尚無規定,哈氏合金B閥門的材質代號,可直接用其鑄造合金牌號來表示。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(有的資料稱之為CW-12M-1)和CW-7M(CW-12M-2,也稱它為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)的特點是在強腐蝕的氧化性和還原性酸介質中,具有優良的耐蝕性能,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,在高溫時還會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,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。用于閥門生產中主要是鑄造純鈦和鍛造純鈦ZTA2。
      鈦對腐蝕性介質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,訂貨和設計選用時應對使用介質的性質(濃度、溫度等)給予明確的規定。
      鈦材質的閥門在多種氧化性強腐蝕性介質和中性介質中具有優異的耐蝕性能。
      鈦在沸點以下且濃度≤80%的硝酸中均具有優異的耐蝕性。而在發煙硝酸中當NO2含量超過2%而含水量不足時,鈦與發煙硝酸反應會發生爆炸,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,工業純鈦可用于室溫時濃度7.5%、60℃時濃度3%及100℃時濃度0.5%的鹽酸中,鈦還可用于35℃時濃度30%、60℃時濃度10%及100℃時濃度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。堿中含氨會加劇鈦的腐蝕。
      鈦在自來水、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℃,可能會產生點腐蝕和縫隙腐蝕。
      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異的耐蝕性,但有機酸中含水量過低(<0.1%)時鈦易發生點腐蝕。
      鈦在碳氫化合物和氯化碳氫化合物中有優異的耐蝕性。鈦在干氯氣中能發生劇烈反應生成TiCl4,并有著火的危險,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蝕電位較不銹鋼高,鈦抗氯離子的點蝕性能比不銹鋼好,因而鈦在氯化物溶液中獲得了廣泛的應用。
      在溫度≤80℃時鈦一般不會產生點蝕,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)中較易發生點蝕。
      5高溫工況
      高溫工況閥門主要是指煉油廠用的高溫閥門。
      5.1 亞高溫
      亞高溫是指閥門的工作溫度在325~425℃區域。如果介質是水和蒸汽時,主要用WCB、WCC、A105、WC6和WC9。如果介質是含硫油品時,主要用具有抗硫化物腐蝕的C5、CF8、CF3、CF8M和CF3M等。它們多用在煉油廠的常減壓裝置和延遲焦化裝置上,此時CF8、CF8M、CF3及CF3M材質的閥門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
      閥門的工作溫度為425~550℃時為高溫Ⅰ級(簡稱PI級)。PI級閥門的主體材料為ASTM A351標準中的CF8為基形的“高溫Ⅰ級中碳鉻鎳稀土鈦優質耐熱鋼”。因PI級是特定的稱呼,在這里包含了高溫不銹鋼(P)的概念。因此,如果工作介質為水或蒸汽時,雖然也可用高溫鋼WC6(t≤540℃)或WC9(t≤570℃),在含硫油品時雖然也可用高溫鋼C5(ZG1Cr5Mo),但在這里不能稱它們為PI級。
      5.3 高溫Ⅱ級
      閥門的工作溫度為550~650℃,定為高溫Ⅱ級(簡稱為PⅡ級)。PⅡ級高溫閥門主要用于煉油廠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
      閥門的工作溫度為650~730℃,定為高溫Ⅲ級(簡稱為PⅢ級)。PⅢ級高溫閥門主要是用在煉油廠的大型重油催化裂化裝置上。PⅢ級高溫閥門主體材料為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
      閥門的工作溫度為730~816℃,定為高溫Ⅳ級(簡稱為PⅣ級)。將PⅣ級閥門的工作溫度上限定為816℃是因為閥門設計選用的標準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816℃以后,鋼就接近進入了鍛造溫度區域,此時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
      閥門的工作溫度>816℃以上,稱為高溫Ⅴ級(簡稱為PⅤ級)。PⅤ級高溫閥門(作切斷用閥門,而非調節型蝶閥類的閥門)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,方能保證閥門的正常工作。所以,對PⅤ級高溫閥門的工作溫度上限不作規定,這是因為控制閥門的工作溫度不是僅靠材料,而是用特殊的設計手段來解決的,而設計手段的基本原理是一樣的。PⅤ級高溫閥門可根據其工作介質和工作壓力及采用的特殊設計方法等,選用合理的、能滿足該閥門的材料。在PⅤ級高溫閥門中,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
      在技術快速發展的今天,閥門的主體材料日趨多樣化,高參數化。閥門所對應的工作介質也更加復雜,工作溫度要求更高。了解各類閥門用鋼及合金的性能及其適宜的工作溫度,是設計、制造、采購及使用閥門的有關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其適宜工作溫度,否則會引起可怕的嚴重事故。

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