鑄鋼閥門主體常用材料

鑄鋼閥門主體常用材料

                                上海申弘閥門有限公司

前言

    閥門是管路附件中十分重要的裝置，根據不同的閥門類型和結構，它的功能是接通或截斷流體通路、改變流體方向、調節流體的流量和壓力、阻止流體倒流以及釋放過剩壓力等。為了保證閥門能有效的實現這些功能，必須滿足許多條件。例如選擇合適的閥門類型、結構、材料等。其中材料的選擇是保證閥門使用功能的關鍵因素之一。由于各工業領域的特性不同，至使流體的溫度、壓力、物理化學性質等均有各自的特點，從而使閥門材料的選擇十分復雜。可供制造閥門零件的材料，包括各種鑄鐵、鋼材、有色金屬及其合金，各種非金屬材料等等。為了減少供應和儲備上的困難，在一定范圍內使用的通用閥門材料已有了標準化的規定。例如JB/T 5300《通用閥門 材料》、SH 3064《石油化工鋼制通用閥門選用、檢驗及驗收》中對通用閥門的主要零件應選用何種牌號材料作了具體規定，某些產品標準中根據產品的適用條件對一些閥門零件應選用何種類型的材料作了原則的規定。但是工業生產的各個領域其工況條件、介質特性十分復雜，對于特殊工況條件，閥門材料的選擇還必須與用戶的使用經驗相結合或通過試驗、驗證，確定合適的材料。

由于各工業領域的特殊性以及考慮流體的溫度、壓力、特性、腐蝕以及材料的資源、制造的工藝性等情況，所以材料的選擇原則總的有三個方面，即：滿足使用功能的要求，有良好的工藝性（冷、熱加工性能），有良好的經濟性。經濟性即是要用盡可能低的成本制造出符合閥門功能的產品。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。應用在礦山井下供水系統中。以上三個原則中滿足使用功能要求是主要的，也就是說工藝性和經濟性要服從使用功能的要求，在保證使用功能的前題下力求有良好的工藝性和經濟性。十全十美的材料是沒有的。因此，選擇材料要根據具體情況綜合考慮，解決主要矛盾。

*章 鋼制閥門主體和內件材料

    閥門的主體是指承受介質壓力的閥體、閥蓋（或端蓋）、閘板（或閥瓣）。其中，閥體和閥蓋（端蓋）是承受介質壓力的承壓件，閘板（閥瓣）是控制介質流動的控壓件。

    內件是指接觸介質的閥桿和閘板(閥瓣)、閥座兩者的密封面。

    承壓件的定義是：一旦它們失效，其所包容的介質會釋放到大氣中的零件。因此，所用的材料必須能在規定的介質溫度、壓力作用下達到相應的力學性能、耐腐蝕性和良好的冷、熱加工工藝性。

    大多數閥門的閥體、閥蓋（端蓋）、閘板（閥瓣）形狀比較復雜，因此采用鑄件較多，只有某些小口徑閥門根據閥類的不同或特殊工況的要求采用鍛件。

*節 鋼制閥門的主體材料

1、碳素鋼

    碳素鋼適用于非腐蝕性介質，在某些特定的條件下，例如某些有腐蝕性的介質在一定范圍內的溫度濃度條件下也可采用碳素鋼。

碳素鋼的適用溫度范圍：-29~425℃。中石化標準SH 3064《石油化工鋼制通用閥門選用、檢驗及驗收》規定碳素鋼制閥門的適用溫度范圍為-20~425℃，其下限定為-20℃的依據是GB 150《鋼制壓力容器》。但當以WCB、WCC這兩種鋼作閥體、閥蓋、閘板（閥瓣）、支架時，這兩種鋼的適用溫度下限為-29℃。

常用的碳素鋼鑄件和鍛件材料見表1-1。

                           常用的碳素鋼鑄件、鍛件材料                        表1-1

注：

（1）表1中WCA、WCB、WCC是按美國標準表示的牌號，ZG 205-415、ZG 250-485、ZG 275-485是按GB/T 5631鑄鋼牌號表示方法分別對應WCA、WCB、WCC的牌號。UNS J02502、UNS J03002、UNS J02503是以美國金屬與合金統一系統編號方法，分別對應WCA、WCB、WCC的牌號。

（2）表1中常用的是WCB鋼，其標準含碳量≤0.30%，但為了獲得優良的焊接性能和力學性能，其含碳量應控制在0.25%左右。

（3）殘留元素Cr、Ni、Mo、V、Cu也是必須控制并達標，其殘留元素總量應≤1%，但有碳當量（CE）要求時此條不適用。

（4）當閥門的連接端為焊連接時必須控制碳總量。ASTM A 216補充要求中規定了使用于不同場合的碳素鋼鑄件碳當量的要求。但不同的產品標準根據其工況條件，對碳當量的要求也不同，如API 6D則要求爐前分析CE≤0.43，成品分析CE≤0.45。同樣為了保證焊接性能API 6D對焊接端的碳素鋼鑄件含碳量也作了規定，爐前分析CE≤0.23%，成品分析CE≤0.25%，硫磷含量≤0.035。碳當量CE=C%+Mn%/6+（Cr+Mo+V）%/5+（Ni+Cu）%/15。

（5）ASTM A 105并不是我國的25號鋼或25Mn鋼，雖然其主要化學成分相當于我國的25Mn鋼，但ASTM A 105對雜質元素Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb的控制以及C、Mn含量的關系和材料的熱處理都有控制要求。

（6）鍛鋼閥門是否需要進行材料的力學性能檢測是根據產品設計要求決定的，對于低碳鋼只要化學成分合格，正火的熱處理工藝正確，其力學性能就是一定的，不像中碳鋼和高碳鋼可以按淬火后的不同回火溫度得到不同的力學性能。對于鍛造高壓閥門如PN16.0MPa、PN32.0MPa或更高壓力的鍛鋼閥由設計決定采用的材料應達到的力學性能。根據所要求的力學性能確定回火溫度以達到材料的性能符合設計要求。

2、不銹鋼

2.1奧氏體不銹鋼

閥門中常用的不銹鋼是奧氏體不銹鋼，適用溫度范圍很廣，低溫可用于-296℃（液氦），高溫可達到816℃，常用的溫度范圍為-196℃（液氮）至700℃。

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、高溫抗氧化性和耐低溫性能。因此，奧氏體不銹鋼廣泛用于制作耐腐蝕閥門、高溫閥門和低溫閥門。

    奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性是相對的，不是什么樣的腐蝕介質它都能承受。金屬的腐蝕現象或所謂的耐腐蝕性是根據腐蝕性介質的種類、濃度、溫度、壓力、流速等環境條件，以及金屬本身的性質，即含有成分、加工性、熱處理等諸因素的差異而分別有不同的腐蝕狀態和腐蝕速度。例如不銹鋼具有優良的耐腐蝕性能，可是因為腐蝕環境或使用條件的不同，也可能發生意想不到的腐蝕破壞事故。因此，應充分地了解腐蝕介質和耐腐蝕材料，才能選擇合適的耐腐蝕材料。

2.1.1金屬的腐蝕形態

金屬的腐蝕形態可分為兩大類：均勻（全面）腐蝕和局部腐蝕，均勻（全面）腐蝕包括全面成膜腐蝕和無膜腐蝕。

（1）全面成膜腐蝕：腐蝕在金屬的全部或大部分面積上進行，而且生成保護膜，具有保護性。例如：碳素鋼在稀硫酸中腐蝕很快，當硫酸濃度大于50%時，腐蝕率達到大值，此后濃度再繼續增大腐蝕率反而下降。這是由于濃硫酸的強氧化性，在鋼鐵的表面生成一層組織致密的鈍化膜，這種鈍化膜不溶于濃硫酸，從而起到了阻礙腐蝕作用。

（2）無膜腐蝕：無膜全面腐蝕很危險，因為它保持一定速度全面進行腐蝕。

    （3）局部腐蝕：局部腐蝕的形態有十三種，如縫隙腐蝕、脫層腐蝕、晶間腐蝕與應力腐蝕等等。據調查，化工裝置中局部腐蝕約占70%。在諸多局部腐蝕的形態中與閥門制造有關且常見的是晶間腐蝕。

    一般對均勻腐蝕的程度用腐蝕率表示，但如何評價則有不同規定。

    按《石油化工企業管道設計器材選用通則》規定，介質對金屬材料的腐蝕速率，管道金屬材料的耐腐蝕能力可分為下列四類：

年腐蝕率不超過0.05mm的材料為充分耐腐蝕性材料；

    年腐蝕率在0.05~0.1mm的材料為耐腐蝕性材料；

    年腐蝕率在0.1~0.5mm的材料為尚耐腐蝕性材料；

    年腐蝕率超過0. 5mm的材料為不耐腐蝕性材料。

    《腐蝕數據手冊》對均勻（全面）腐蝕的耐蝕性用均勻腐蝕率來評價，見表1-2。

                             耐蝕性能的評價                        表1-2

據《金屬防腐蝕手冊》（中國腐蝕與防護學會）對金屬材料耐腐蝕性規定見表1-3。

                          金屬材料耐腐蝕性的10級標準                表1-3

（4）晶間腐蝕：局部地沿著結晶粒子邊界向深度方向腐蝕的形式稱晶間腐蝕。這種腐蝕，外面看不出腐蝕跡象。嚴重的晶間腐蝕可以穿過整個機體厚度。

    產生晶間腐蝕的原因是由于沿晶粒邊界析出碳化鉻Cr23C6或FeCr化合物——稱σ相，使晶界周圍貧格，在適合的腐蝕介質（產生晶間腐蝕的介質）中，就形成碳化鉻（陰極）——貧鉻區（陽級）電池，使晶界貧鉻區產生腐蝕。

    由上述可看出晶間腐蝕是有條件的。其內因是必須有碳化鉻或σ相沿晶界析出使晶界貧鉻。其外因是必須有腐蝕貧鉻區的介質。水和一些中性溶液并不腐蝕貧鉻區，所以即使存在貧鉻區也不會產生晶間腐蝕。如果晶界不貧鉻，即使有產生晶間腐蝕的介質也不會產生晶間腐蝕。所以產生晶間腐蝕的內因、外因缺一不可。

    產生貧鉻的原因：一是鋼水化學成分不合格，如碳高、鉻低或含鈦、鈮的不銹鋼中碳鈦比或碳鈮比不夠。二是熱處理工藝不正確或焊接或加工時加熱至碳化物析出溫度，而在900℃至400℃冷卻速度不夠快而析出碳化物造成貧鉻。

2.1.2控制晶間腐蝕的方法

    控制奧氏體不銹鋼晶間腐蝕有三種方法：

    （1）執行正確的熱處理工藝，將鋼加熱至1100℃水淬（急冷）使碳化物向固溶體中溶解。但是，

不同牌號的奧氏體不銹鋼其淬火加熱溫度不完全都是1100℃，執行中要按標準規定。

（2）加入固定碳的元素鈦或鈮；

    （3）采用含碳量≤0.03%的超低碳不銹鋼。

2.1.3晶間腐蝕檢驗

晶間腐蝕檢驗的前題是試樣的化學成分合格并經固溶處理。晶間腐蝕檢驗用的試片是80×18×3（長×寬×厚），上下兩平面磨至Ra0.8的薄片，并分為敏化狀態試片和交貨產品狀態試片兩種。

敏化試片：將試片在650℃下加熱，保溫2小時（壓力加工件）或1小時（鑄件）空冷。之所以在650℃加熱是因為奧氏體不銹鋼在500~700℃碳化鉻易沿晶界析出造成晶界貧鉻從而在產生晶間腐蝕的介質中發生晶間腐蝕。

交貨產品試片：即試片經固溶處理，實際上是和鑄件一同處理的試樣上取下來的試片。

判別：試片在酸中浸泡后彎曲90°（鑄件）或180°（鍛件）若有裂紋則不合格。不合格時鑄件要重新處理，然后再作試驗，但固溶處理的次數不得超過兩次。

奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕是很嚴重的，因此一定要按合同要求或按執行的標準來生產不銹鋼閥門。

常用奧氏體不銹鋼鑄件、鍛件材料見表1-4。

2.1.4奧氏體不銹鋼作高溫鋼用

高溫是指溫度超過350℃以上，高溫用鋼是指在高溫下具有較高強度的鋼材。在石油化工裝置里，高溫并伴有腐蝕的場合就必須使用既耐高溫又耐腐蝕的材料。不銹鋼18Cr—8Ni、25Cr—20Ni的高溫強度高，特別是18—8Ti、18—8Nb等合金元素影響使耐高溫性能更為*。一般在沒有耐腐蝕性問題的場合，在規定范圍內，含碳量高的不銹鋼，其高溫強度也高。若在18—8鋼內添加Mo、Nb、Ti等元素可強化基體，Nb、Ti則形成碳化物，從而可改善高溫強度。具體何種牌號的不銹鋼其高使用的溫度值，要查材料的溫壓表。

2.2馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼是一種鉻不銹鋼，其金相組織為馬氏體，可通過熱處理進行強化，具有良好的力學性能和高溫抗氧化性。該鋼種在大氣、水和弱腐蝕介質如加鹽水溶液、稀硝酸及某些濃度不高的有機酸，在溫度不高的情況下均有良好的耐腐蝕性。但該鋼種不耐強酸如硫酸、鹽酸、濃硝酸等的腐蝕，常用于水、蒸汽、油品等弱腐蝕性介質。由于鉻不銹鋼可通過熱處理強化，因此為了避免強度過高產生脆性，應采用正確的熱處理工藝。如ASTM A 217 CA15規定其低回火溫度為595℃。

常用馬氏體不銹鋼鑄件、鍛件材料見表1-5。

2.3奧氏體——鐵素體雙相不銹鋼

雙相不銹鋼耐應力腐蝕破壞性好，適用于含氯離子環境的腐蝕，并具有較高的強度，常用于化肥、煉油、海上采油、海水淡化等工況條件。

目前制造閥門主體（承壓件）的雙相不銹鋼材料大多采用美國材料，常用的奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼鑄件、鍛件材料見表1-6。

3、鉻—鉬鋼和鉻—鉬—釩鋼

鉻—鉬鋼和鉻—鉬—釩鋼主要用在高溫、高壓的場合，要求鋼在高溫下具有較好的抗蠕變強度和抗高溫氧化性，適用溫度-29~650℃，主要用于火力發電的高溫、高壓蒸汽，煉油企業的石油裂解、催化裂化、加氫等含有硫化物、氫腐蝕的石油介質。例如催化系統采用5Cr—0.5Mo鋼，加氫系統溫度較低的采用1.25Cr—0.5Mo鋼，溫度較高的加氫裂化、加氫脫硫煤液化等裝置中采用2.25Cr—1Mo鋼。

在Cr—Mo鋼中需要說明的是ZG1Cr5Mo，過去稱鑄鋼鉻5鉬（ZGCr5Mo）用該鋼制作的閥門習慣上都稱鉻5鉬閥，可是鑄鋼鉻5鉬這個牌號在1999年以前即無國家標準也無專業標準，以來各制造廠均參照前蘇聯標準來制訂自己的工廠標準其牌號為ZGCr5Mo，其含碳量為0.15~0.25%，因此實際牌號應定為ZG2Cr5Mo。中石化在制訂SH 3064-94《石油化工鋼制通用閥門選用、檢驗及驗收》標準時參照JIS G 5151中的SCPH61、BS 3100中的B5、ASTM A 217中的C5及我國GB/T 1221中的1Cr5Mo的化學成分將這種材料定為ZG1Cr5Mo，但同樣只有牌號并無相關標準規定它的化學成分、力學性能、熱處理規范等。70年代末引進裝置中這類閥門的材料為ASTM A 217 C5，從化學成分上看相當鑄鋼1鉻5鉬，故建議用ASTM A 217 C5來制造這類閥門，一直到1999年在制訂JB/T 9625《鍋爐管道附件承壓鑄鋼件 技術條件》時才將ZG1Cr5Mo納入該標準中。

ZG1Cr5Mo稱5Cr—0.5Mo鋼，這種鋼具有良好的抗石油裂化過程介質腐蝕的性能，對含有硫化物的熱石油介質耐蝕性良好，具有抗氫腐蝕的能力，并有良好的熱強性。

ZG1Cr5Mo制造工藝性較差，易產生鑄造裂紋，焊接時熱影響區會出現馬氏體組織而產生明顯的脆化，所以要制訂正確的焊接工藝，焊前需進行預熱，焊后需進行熱處理，一般預熱溫度300~400℃，焊后熱處理溫度740~760℃。

常用的鉻—鉬、鉻—鉬—釩鋼鑄件、鍛件材料見表1-7。

表1-4                                              常用奧氏體不銹鋼鑄件、鍛件材料

續表1-4                                             常用奧氏體不銹鋼鑄件、鍛件材料     

表1-5                                                  常用馬氏體不銹鋼鑄件、鍛件材料       

表1-6                                                  常用奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼鑄件、鍛件材料             

表1-7                                                    常用鉻-鉬鋼、鉻鉬釩鋼鑄件、鍛件材料                

4、低溫鋼

   一般低溫指小于-29～-196℃范圍內，小于-196～-269℃為超低溫范圍。石化企業規定低于-20℃就算低溫。一般碳素鋼、低合金鋼、鐵素體鋼在低溫下韌性急劇下降，脆性上升，這種現象稱材料的冷脆現象。為了保證材料的使用性能，不僅要求材料在常溫時有足夠的強度、韌性、加工性能以及良好的焊接性能，而且要求材料在低溫下也具有抗脆化的能力。另外材料在低溫時會發生收縮，各個零件收縮率不同是致使某些密封部位發生泄漏的原因。此外，奧氏體不銹鋼在馬氏體轉變溫度時，部分奧氏體轉變成馬氏體而引起體積變化導致閥門泄漏也是一個重要原因。因此，要研究閥門各部位零件的材料、結構特點以防止低溫時產生間隙而泄漏。

4.1常用氣體的液化溫度

幾種常用氣體的液化溫度（一個大氣壓下的沸點）見表1-8

表1-8                              常用氣體的液化溫度 

4.2美國標準的低溫鑄鋼、鍛鋼

適用于低溫下的鋼材要求在低溫下有足夠的韌性，衡量其韌性的指標是在低溫下的沖擊能量，不同類型（或牌號）的低溫鋼適用于不同的低溫溫度。低溫閥門按適用的溫度劃分，分為-46℃、-70℃、-101℃、-196℃四個等級，不同溫度等級的閥門所選用的鋼材必須在其所適用的溫度下達到標準規定的沖擊能量才是安全可靠的。

4.2.1  美國標準的低溫鑄鋼（鑄件）

美國低溫鑄鋼采用的標準是ASTM A 352《低溫受壓零件用鐵素體和馬氏體鑄件技術規范》。該標準規定的材料牌號、適用溫度及沖擊能量要求見表1-8和表1-9。

表1-8                          低溫鑄鋼件材料牌號和適用溫度 

表1-9                     低溫鑄鋼件材料夏比V型切口沖擊能量要求 

ASTM A 352中共有十個低溫鑄鋼牌號，其中常用的三個牌號分別是用于-46℃的LCB、LCC，用于的-101℃的LC3。對于低于-101℃以下至-196℃的工況條件下一般采用奧氏體鋼鑄件，如CF8、CF8M，其低溫沖擊能量要求在JB/T 7749《低溫閥門技術條件》中規定，在試驗溫度為-196℃條件下夏比V型切口沖擊能量三個試樣小平均值為20~27牛頓每米（焦耳），三個試樣中一個試樣的小值為10~20牛頓每米（焦耳）。

4.2.2 美國標準的低溫鍛鋼（鍛件）材料

    美國低溫鍛鋼采用的標準是ASTM A 350《要求進行缺口韌性試驗的管道部件用碳素鋼與低合金鋼鍛件技術規范》，該標準規定的材料牌號，適用溫度及沖擊能量要求見表1-10。

表1-10             低溫鍛件材料牌號適用溫度、夏比V型切口沖擊能量     

ASTM A 350中共有七個低溫鍛鋼牌號，其中兩個常用的牌號分別是用于-46℃的LF2和用于-101℃的LF3。對于-101℃以下至-196℃工況條件下一般采用奧氏體鋼鍛件，如F304、F316。

4.3中國低溫閥門用的低溫鋼鑄件和鍛件材料

我國低溫鑄鋼（鑄件）材料采用的標準是JB/T 7248《閥門用低溫鋼鑄件技術條件》，該標準中只規定了LCB、LC1、LC2、LC3四個牌號，等同采用ASTM A 352中相應牌號與要求。至于低溫鋼鍛件目前尚無閥用低溫鋼鍛件的標準，因此鍛造的低溫閥門其材料可直接采用ASTM A 350中的材料及技術要求。

4.4低溫沖擊試驗

由于鋼材在低溫下韌性降低，特別是用鐵素體鋼如LCA、LCB、LCC、LC3等制造的低溫閥門承壓件，在低溫下有明顯的低溫脆性，若在低溫下使用，必須達到一定的韌性指標才能使用。因此，這些材料要進行低使用溫度下的沖擊試驗，其試驗方法按GB/T 4159《金屬低溫夏比沖擊試驗方法》或ISO 148《鋼-夏比沖擊試驗（V型切口）》或ASTM A 370《鋼制品機械測試的標準試驗方法和定義》的規定。有的產品標準規定（如API 6D）所有用于設計溫度低于-29℃的碳鋼、低合金鋼承壓部件都應按ISO 148 或ASTM A 370進行V型切口的沖擊試驗。

4.5深冷處理

深冷處理是減少材料由于溫差和在低溫下金相組織改變而產生變形，從而提高閥門在低溫時的密封性能的一種處理方法。深冷處理的方法是將被處理的零件放入冷卻介質中保溫一定時間，然后取出，當零件溫度升至室溫后再重復進行一次處理。一般用于-101℃以下的閥門，主要零件在精加工前（如密封面研磨前）對閥體、閥蓋、閘板（閥瓣）、閥桿、緊固件等進行低于工作溫度下的深冷處理。對用于-101℃以上的低溫閥門，當合同規定要作深冷處理時則也應按要求作深冷處理。與本文相關的論文有：水用減壓閥在魯礦集團的應用