高温阀门的高温等级和主体材料.pdf

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1、文章编号:100225855(2003)0620010205作者简介:乐精华(1942-),男,湖北浠水人,高级工程师,部级科技专家,长期从事铸钢阀门的铸造及合金材料研究工作。高温阀门的高温等级和主体材料乐精华(兰州高压阀门厂,兰州 730060)摘要 介绍了高温阀门的高温等级划分方法及各温度等级高温阀门的主体材料。关键词 高温阀门;高温等级;主体材料中图分类号:TG142173 文献标识码:BGrade of high temperature and materials of mainbodyfor high temporature valvesYUE Jing2hua(Lanzhou Hi

2、gh Pressure Valve Factory,Lanzhou 730060,China)Abstract:This text introduction to the grade of divide and reason for high temperaturevalves,and choice of the materials of mainbody for different tempereture of valves.Key words:high temperature valve;grade of high temperature;materials of mainbody1 概述

3、在一般资料中将阀门工作温度t 450的阀门称为高温阀门。然而,仅以工作温度t 450 是很难详细地区分各种温度的高温阀门的。低温阀门通常按低温介质和与之相匹配的阀门主体材料分为-46级(液态丙烷)、-73 级(液态丙烯、液态硫化氢)、-101级(液态乙烯)、-196级(液氮)和-254 级(液氢)。其中-46 级阀门主体材料可用LCB和LCC,-73级可用LC2,-101 级可用CF8、CF8C和LC3,-196级可用CF8、CF8M和LC9,-254级可用CF3M和CF8M等。与此相同的是不同温度级别的高温阀门也同低温阀门一样,它所用的阀门主体材料及内件材料是不同的,甚至设计理念和方法也是有

4、区别的。所以,为了确保高温阀门能按其所对应的高温工况,科学合理地设计和选材,划分阀门的高温等级是完全必要的。目前阀门行业对高温阀门的高温等级划分,尚无相关的标准规范。我厂根据几十年生产高温阀门的经验将高温等级划分为5级。将阀门的工作温度t 425550(8001000)定为高温 级,简称P级。阀门工作温度t 550650(10001200)定为高温 级,简称P级。阀门工作温度t 650730(12001350)定为高温 级,简称P级。阀门工作温度t 730816(13501500),称其为高温 级,简称P级。阀门的工作温度t 816(1500)以上的温度区域,称为阀门的最高温度级,即高温 级,

5、简称P级。2 分级方法阀门的高温等级符号用P表示,是因为在20世纪70年代,我厂开发P级和P级高温 阀 门 时,阀 门 的 主 体 材 料 用 的 是ZG1Cr18Ni9Ti不锈耐热钢,而该材料代号是用P来表示的。因此,用P加注罗马数字脚码表示高温阀门的高温等级。P级的上限温01 阀 门 2003年第6期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.度定在730 是因为炼油厂目前所用的阀门最高工作温度为730,所以,就以730 为P级高温阀门的上限温度。将P级的上限温度定为816 是因为阀门设计时选用

6、的基础标准ASME B16134的压力2温度等级中提供参数的最高工作温度为1500(816),再高无标准的参数可选用。另外,温度超过816以后,钢就接近进入了锻造温度区域了,此时金属处于塑性变形区间,金属的可塑性好,难以承受高的工作压力和冲击力而保持不变形,故将P级高温阀门的上限温度定为816。从P级P级,以华氏温度表示时,P级 8001000,P级 10001200,P级P级每一级的温度差均为200。P级 12001350,P级 13501500,P级P级每一级的温度差均为150。应用于P级高温的阀门必须采用特殊的设计手段,方能保证阀门(作切断用阀门,而非调节型蝶阀类的阀门)在此温度区域正常

7、工作。在816以上,阀门的工作温度的高低已不是关键参数了,因为采用的特殊设计手段的原理基本上是一样的,所以,对P级高温阀门的工作温度不设上限温度。“严格定义”的高温阀门,其阀门的工作温度高于425,主体材料采用高温合金钢或不锈耐热钢或Cr2Ni耐热合金。但在实际应用中,还经常说到阀门主体材料为WCB(或A105)的高温球阀、高温旋塞或高温蝶阀等。需要指出它们是相对于用聚四氟乙烯和橡胶作密封圈时讲的。例如,当球阀的工作温度高于150180时,就不能用聚四氟乙烯做阀座了,这时就要用对位聚苯(工作温度t320)或金属阀座了,此时称该球阀为“高温球阀”。同样,金属硬密封蝶阀相对于用橡胶或聚四氟乙烯做密

8、封圈的软密封蝶阀来讲,它们耐温高于用橡胶或聚四氟乙烯做密封圈的蝶阀,因而称其为“高温蝶阀”。所以,工作温度t425时的高温球阀、高温旋塞或高温蝶阀,只是说它们是相对于软密封时为高温,而不是“严格定义”上的高温阀门。3 高温阀门的主体材料从表1中可以看出,在P级时,321和321H型不锈耐热钢的压力2温度额定值数据最高。在P级也是321和321H型不锈耐热钢的压力2温度额定值数据最高。所以从选优的角度,首选应是321和321H型不锈耐热钢。然而321和321H均是轧材,而且在美国没有与之相对应的铸造合金的牌号。因为321其对应的铸造合金的牌号应是CF8Ti,CF8Ti是指C0108%的CF8型加

9、钛(Ti)的不锈钢,它相当于我国的ZG0Cr19Ni11Ti。321H其对应的铸造合金的牌号应是CF10Ti,CF10Ti是指C0110%的CF10型加钛的高碳级不锈耐热钢,其相当于我国的ZG1Cr18Ni9Ti。但由于美国既是贫钛国,又是用钛大国(钛合金具有质量轻、强度高、耐高温及耐腐蚀等一系列优点,因而被广泛地用于高性能战斗机和火箭等军事装备上),所以,美国的稳定型铸造不锈耐热钢只用其较富有的合金元素铌(Nb,有时也用Cb表示),即ASTM A351中的CF8C(CF8C中的C表示Cb),而没有含Ti的铸造不锈耐热钢。在不锈钢及不锈耐热钢中加钛和铌的作用是一样的,都是用Ti或Nb稳定C,从

10、而减少C与Cr反应生成Cr23C6,并起细化晶粒,降低钢中的有害杂质和气体等作用。CF8C其对应的轧材钢号为347。我国是贫铌富钛国,又因铌的价格比钛高,但Nb抗烧损性优于Ti,故我国含Nb的不锈钢及不锈耐热钢主要用于制作不锈钢及不锈耐热钢的焊条。在其他场合,很少用含Nb的不锈钢及不锈耐热钢,而广泛用的是含Ti的不锈钢及不锈耐热钢。因此P级和P级高温阀门的主体材料可选用ZG0Cr19Ni11Ti、ZG1Cr18Ni9Ti、321和321H。但含Ti的不锈钢及不锈耐热钢的铸造性能差,Ti又易形成碳硫化钛夹杂物,降低钢的塑性和冲击韧性,并易形成刀口腐蚀等,所以,现在美国很少生产含Ti的321型不锈

11、钢。有资料介绍,美国尽管仍保留了低碳级的0Cr19Ni11 Ti(321),但其产量仅占其不锈钢112003年第6期 阀 门 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.w w w.b z f x w.c o m表1 常用的不锈耐热钢的压力2温度额定值比较1工作温度材料各磅级的工作压力,磅/平方英寸(表压)150300400600900150025004500800(427)CF8,304,304H804055408051210201533606050CF8M,316,316H804205658451

12、265211035206335321,321H804506009001355225537606770CK220,310,310H8043558087513102185364065501000(538)CF8,304,304H20320430640965160526254815CF8M,316,316H203504657001050175029155245321,321H203554757151070178529705350CK220,310,310H2034546068510301720286551551200(650)CF8(2),304(2),304H20(1)15520531046577

13、012852315CF8M(2),316(2)316H20(1)18524537055592515452775321(2),321H20(1)18524536555592515452775CK220(2),310(2),310H20(1)135185275410685114520551350(732)CF8(2),304(2),304H20(1)6080125185310515925CF8M(2),316(2),316H20(1)951301902904808001440321(2),321H20(1)851151702554307151285CK220(2),310(2),310H20(1)

14、60801151752904858751500(816)CF8(2),304(2),304H10(1)25355580135230410CF8M(2),316(2),316H20(1)405585125205345620321(2),321H20(1)405075115190315565CK220(2),310(2),310H10(1)25355075130215385 注:(1)仅用于焊连接阀门,法兰连接的额定值温度为1000;(2)在温度超过1000 工况,仅当碳含量等于高于0104%时才使用。的017%115%。因此,P级和P级通常选用CF8、304和304H型不锈耐热钢。表2中列出了阀

15、门生产中所用的几种型号的Cr2Mo高 温 钢 在8001000(427538)时,即高温 级(P)区间的压力2温度 额 定 值。从 表2中 可 见,在1000(538)时,铸钢WC9的压力2温度额定值最高,铸钢WC6次之。用作阀门主体材料时,又由于它们的工作温度较其他 钢 号 的 高(WC1450;WC4480;WC5500;WC6540;WC9570)。所以,在阀门设计和生产时主要采用ASTM A217标准中WC6和WC9这两种低Cr的Cr2Mo高温铸钢,而其他型号的低铬(或低铬和镍)的Cr2Mo铸钢较少使用。但因WC6和WC9的含Cr量较低,不具有抗硫腐蚀的性能,所以,仅适用于工作介质为水

16、和蒸汽的工况中。C5(ASTM A217中铸钢铬五钼钢号,相当于我国的ZG1Cr5Mo)具有一定的抗氧化、抗硫腐蚀及抗氢腐蚀的功能。在原苏联国家标准 2176277的“推荐附录”中提出了205(原苏联的铸钢铬五钼的钢号,相当表2 常用的铬2钼高温钢的压力2温度额定值比较1工作温度钢 号各磅级的工作压力,磅/平方英寸(表压)150300400600900150025004500800(427)WC4,WC5,F28051067510151525254042307610WC6,F11C112,F12C1128051067510151525254042307610WC9,F22C1138051067

17、510151525254042307610C5,F580510675101515252540423076101000(538)WC4,WC5,F220200270405605101016853035WC6,F11C112,F12C11220215290430650108018003240WC9,F22C11320260345520780130521703910C5,F5202002654005959951655298521 阀 门 2003年第6期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.w w

18、w.b z f x w.c o m于我国的ZG2Cr5Mo)的主要性能是在含有硫化物热石油介质中耐蚀耐热600 以下。该标准又在其用途举例中明确指出它用于“在550 以下承压的石油介质中工作的石油加工设备配件、炉具、阀门以及其他零件”。这是对铸钢铬五钼阀门工作介质和工作温度及性能在标准中所作出的最全面的权威叙述。由于铬五钼具有上述的功能,加之其成本较高铬镍的不锈耐热钢低,所以,在阀门生产中铸钢铬五钼是在Cr2Mo系高温铸钢中应用最多的钢号。因此,WC6、WC9(用于介质为水和蒸汽)和C5(用于介质为水和蒸汽及油品)等也是P级高温阀门的主体材料之一。在P级和P级温度下,CF8M、316和316H

19、型不锈耐热钢的压力2温度额定值数值最高(表1),所以,P级和P级高温阀门的主体材料可选用CF8M、316和316H型不锈耐热钢。CK220、310和310H型高Cr、Ni不锈耐热钢(Cr25Ni20),由于其Cr、Ni含量高,在高温时其抗腐蚀和抗氧化性能均优于其他不锈耐热钢,同时其在高温下抗蠕变性能及抗高温断裂的应力等也优于其他的不锈耐热钢。但在1500时,310的“不加火压力容器”的最大许用应力最低(表3),材料价格高。通常军工及科研用P级高温阀门多倾向选用CK220、310和310H型高Cr、Ni不锈耐热钢。表3 常用的不锈耐热钢在(1500)816 时高温力学性能2钢 号30431632

20、1347310屈服强度(MPa)781611214941511311极限抗拉强度(MPa)14418172141411316812弹性模量E(抗压)(GPa)12418131171311713318131G(剪切)(GPa)5151174949164716在10000h内产生1%伸长的平均应力(MPa)10131615101313182017在100h产生断裂的平均应力(MPa)81648136211481362117518871271641144813在1000h产生断裂的平均应力(MPa)81627164813271627164114871201720172716在10000h内导致断裂的

21、平均应力(MPa)22142515151720在100000h内导致断裂的平均应力(MPa)151913148181314在1600(871)的断裂特性(MPa)100h3415(310S)45151000h1816(310S)271610000h917(310S)1712不加火3压力容器的最大许用应力(抗拉数值)(MPa)51210136196191143:在(美国)“不锈钢手册”的原译文 中翻译为“不受热”。以上介绍了各高温等级的阀门主体材料选用的钢号等,然而各高温等级的阀门内件、紧固连接件及填料和垫片等又有严格的要求且有很大的差异。高温阀门用不锈耐热钢(包括用于高温阀门的铬2钼高温铸钢)

22、的化学成分设计和控制(工厂的内控标准),其铸造、冶炼及热处理技术是关键,高温阀门的质量主要是所用的材料的质量。在石化工业中使用的高温不锈耐热钢,应采用电弧炉冶炼。在电弧炉冶炼时,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,提高抗高温蠕变等功能。通常用于防腐蚀的未采用抗高温的特殊冶炼工艺措施的CF8和CF8M不锈钢,不宜用作抗高温的耐热不锈钢4。4 结语高温阀门的高温等级共分五级,即阀门工作温度t 425550 为P级,工作温度t550650为P级,工作温度t 650730 为P级,工作温度t 730816为P级,工作温度t 816为P级。P级和P级 高 温 阀

23、门 的 主 体 材 料 可 选 用ZG0Cr19Ni11Ti、ZG1Cr18Ni9Ti、321和321H或CF8、304和304H等不锈耐热钢。312003年第6期 阀 门 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.w w w.b z f x w.c o mP级高温阀门若用于介质为水和蒸汽时,可选用WC6和WC9。若用于介质为水和蒸汽及油品时,可选用C5(ZG1Cr5Mo)等Cr2Mo高温钢。P和P级可选用CF8M、316和316H不锈耐热钢。P级也可选用CK220、310和310H高铬镍不锈耐热钢

24、。P级高温阀门可根据其工作介质和工作压力及采用的特殊的设计方法等选用合理的能满足该阀门使用的材料。但高温阀门使用的Cr2Mo系铸钢及不锈耐热钢应采用电弧炉冶炼,并应采用抗高温的冶炼工艺。参考文献1 ASME B16.34-1996,法兰、螺纹和焊连接的阀门S.2(美)不锈钢手册 M.北京:机械工业出版社,1987.3 康喜范.我国低碳、超低碳奥氏体不锈钢的主要进展J.重庆特钢.1993.(1).4 吴国健,乐精华.国际通用的阀门主体用铸钢材料J.阀门.2001.(1).5 杨源泉.阀门设计手册 M.北京:机械工业出版社,1992.6 2176277特殊性能的高合金钢铸件牌号与技术要求 S.(收

25、稿日期:2003105105)诚聘 本公司为新注册成立的外资企业,专业从事高品质工业自动阀门的研发、生产及销售,现诚聘相关专业技术人才。岗 位数额要 求主要工作内容销售工程师6名 工业自动化专业或相关专业大专以上学历,从事本专业工作3年以上,具有销售经验,熟练使用计算机,有英文(或日文)阅读能力工程项目跟踪洽谈;产 品 销 售;售后服务阀门结构设计工程师2名 流体机械或机械专业本科以上学历,从事本专业工作5年以上,具有蝶阀或球阀设计经验,熟悉各种标准,精通计算机制图,有英文阅读能力,年龄40岁以下蝶阀或球阀的研发机械加工工艺工程师1名 机械专业大专以上学历,从事本专业工作5年以上,具有蝶阀或球

26、阀机械零件加工和检验经验,熟悉各种标准,精通计算机制图,有英文阅读能力,年龄45岁以下阀门的加工工艺设计及产品检验铸造工程师1名 铸造及热处理专业大专以上学历,从事本专业工作5年以上,具有蝶阀或球阀机械零件加工和检验经验,熟悉各种标准,精通计算机制图,有英文阅读能力,年龄45岁以下阀门的加工工艺设计及产品检验自动控制工程师1名 过程自动化专业本科以上学历,从事本专业工作5年以上,熟悉各种电动执行器和气动执行器及附件,精通计算机制图,有英文阅读能力,年龄40岁以下电动执行器和气动执行器及附件的选型及调试技术工人若干名专科以上学历,从事本专业工作3年以上,会计算机制图,能简单阅读英文或日文资料。年龄35岁以下自动阀门的生产及售后服务 有意者请邮寄个人简历附近照1张及求职说明(详细说明个人的能力及成绩,同时说明爱好及希望得到的待遇等等)至马小姐收。所寄资料如未经录用恕不退还,恕不接待来电来访。北 京 华 蝶 阀 门 有 限 公 司通信地址:北京朝阳区大屯路科学园邮电局10号信箱 邮 编:100105FAX:010-6483011341 阀 门 2003年第6期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.