閥門主體零件用鋼及合金的適宜工作溫度
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作者:
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余雯鈺（中廣核工程有限公司）
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樂精華（蘭州高壓閥門有限公司）
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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(guī)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(yè)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(guī)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(guī)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(yè)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(huán)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
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牌號
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鑄材
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軋材
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板材
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棒材
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0Cr25-Ni5-Mo-Cu
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A8901A
〔CD4MCu〕
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00Cr22-Ni5-Mo3-N
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A8904A
〔CD3MN〕
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A182
F51
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A240
S31803
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A479
S31803
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00Cr25-Ni7-Mo4-N
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A8905A
〔CE3MN〕
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A182
F53
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A240
S32750
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A479
S32750
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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(yǎng)(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(yōu)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(yōu)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(fā)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(tǒng)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(yè)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(yè)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(yǎng)
（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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)（N-7M）。哈氏合金的材質代號閥門行業(yè)尚無規(guī)定，哈氏合金B(yǎng)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(yǎng)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(yōu)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(wěn)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(xiàn)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(guī)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(yōu)異的耐蝕性能。
鈦在沸點以下且濃度≤80%的硝酸中均具有優(yōu)異的耐蝕性。而在發(fā)煙硝酸中當NO2含量超過2%而含水量不足時，鈦與發(fā)煙硝酸反應會發(fā)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(yè)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(yōu)異的耐蝕性，但有機酸中含水量過低（<0.1%）時鈦易發(fā)生點腐蝕。
鈦在碳氫化合物和氯化碳氫化合物中有優(yōu)異的耐蝕性。鈦在干氯氣中能發(fā)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(wěn)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(fā)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(qū)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(yōu)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?yōu)镻I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(qū)域，此時金屬處于塑性變形區(qū)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(jié)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(guī)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(jù)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(fā)展的今天，閥門的主體材料日趨多樣化，高參數(shù)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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