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材质在调节阀中的应用
发布时间: 18年07月20日 被阅览数: 次 来源: 作者:admin

 

  阀门是管路附件中十分重要的装置, 其中材料的选择是保证阀门安全使用的关键因素之一。由于各工业领域的特性不同,至使流体的温度、压力、物理化学性质等均有各自的特点,所用的材料必须具有能在规定介质温度和压力作用下,达到力学性能和良好的冷热加工工艺性,从而使阀门材料的选择十分复杂。这篇文章就材质在Masoneilan调节阀中的应用做个简单的介绍。因Masoneilan是美国公司,该篇文章中的材质介绍是基于ASTM( American Society of Testing Materials)美国材料实验协会的标准。

ASTM A 216---本标准适用于高温并能与其他铸钢件或锻钢件熔焊组成的阀门、法兰、管件或其它承压部件碳钢铸件。

   国际上常用的为ASTM A216中的WCA、WCB、WCC , 其牌号的基本含义是: W 表示可焊接的, C 表示为铸造的, A、B、C 则表示碳素铸钢的强度等级, 其中A 为较低强度的, B 为中等强度的, C为较高强度的。碳素钢适用于无腐蚀性和氧化作用的应用环境。在某些特定条件下,如在一定温度范围内、一定浓度条件下,也可用于某些腐蚀性介质(如发烟硫酸等)。适用温度-29℃~427℃(碳素钢在427℃以上有石墨化倾向)。

 

材质表示

碳Max

锰Max

抗拉强度

屈服强度

WCA

0.25

0。7

60(415)

30(207)

WCB

0.3

1

70(485)

36(248)

WCC

0.25

1.2

70(485)

40(276)

ASTM A216 WCC具有如下优点超过ASTM A216 WCB:

•低碳含量(0.25%比0.30%),因为较低的碳含量具有更好的抗发生脆性破坏和焊接性能。

•高锰含量(1。2%比1%),因为较高的锰含量提高了强化作用,具有更高的屈服强度。

•WCC的温压曲线较WCB更高一些。

基于如上三点,所以Masoneilan调节阀采用ASTM A216 WCC牌号的可焊接的碳素铸钢作为标准的碳钢材质。

另两种碳素钢ASTM牌号如下:

1、ASTM A105 ---管道部件用碳素钢锻件。A代表的是普通碳素结构钢。因为这个标准里只规定了一种碳钢锻件,A105也就算一种锻件碳钢牌号。
ASTM A106--- 高温用无缝碳素钢管。 A106包括A106-A,A106-B。前者相当于国内的10#材质,后者相当于国内的20#材质。

2、 ASTM A352--低温承压用铁素体和马氏体铸钢件标准规范

ASTM A 352中共有十个低温铸钢牌号(见如下表格),其中最常用的三个牌号分别是用于-46℃的LCB、LCC,用于的-101℃的LC3。对于低于-101℃以下至-196℃的工况条件下一般采用奥氏体钢铸件,如CF8、CF8M。

低温铸钢件材料牌号和适用温度

 

类型

C

C

C-Mn

C-Mo

2。5Ni

C-Cr-Mo

3。5Ni

4.5Ni

9Ni

Cr-Ni-Mo

牌号

LCA

LCB

LCC

LC1

LC2

LC2-1

LC3

LC4

LC9

CA6NM

适用温度℃

-32

-46

-46

-59

-73

-73

-101

-115

-196

-73

LCB和LCC的适用温度: -46℃~343℃

LCB的和WCB的化学成分相同

LCC和WCC的化学成分相同。

相比较,LCC同样优于LCB. Masoneilan调节阀采用LCC牌号做为标准的低温碳钢材质。

LC3的适用温度:-101℃~343℃。但因该材质是非标准的,而不锈钢(例如CF8M)可以用于-198℃,并且无需冲击测试,所以在-101°C低温下运用CF8M不锈钢会更加经济,因此在调节阀行业中很少用到LC3这种材质。

ASTM A350管道部件用要求切口韧性试验的碳素钢与低合金钢锻件。最常用的两个牌号分别是用于-46℃的LF2和用于-101℃的LF3。但对于-101℃以下至-196℃工况条件下一般采用奥氏体钢锻件,如F304、F316。

铬-钼钢

铬钼钢是指加入Cr和Mo等合金元素以显著提高高温强度极限和蠕变极限的钢种,同时具有良好的抗氢腐蚀和耐高温的性能,可以用于593C的高温,因此被广泛地运用于电厂、炼油、化工等高温和含氢工况中。

ASTM A217 高温用承压部件马氏体不锈钢和合金钢铸件标准规范

ASTM A182  高温用锻制或轧制合金钢和不锈钢管法兰、锻制配件、阀门与零部件标准规范

国际上常用的铸造铬-钼钢为ASTM A217 中的WC6、WC9、C12A,相对应的锻件为ASTMA182 中的F11、F22、F91.

ASTM A217 WC6 --- ASTM A182 F11 (1.25Cr-0.5Mo),适用于工作温度在-29~595℃之间的非腐蚀性介质的高温高压。

ASTM A217 WC9 --- ASTM A182 F22 (2.25Cr- 1Mo) ,WC6和WC9都是铸钢件,两个的机械性能基本相同,常温下具有相同的拉伸强度,屈服强度和延展率。和WC6相比,WC9含有更多的铬和钼,因此其在高温工况下的机械强度会更好一些,另外WC9抗冲刷的能力也会更好一些。

ASTM A217 C12A --- ASTM A182 F91 (9Cr-1Mo), C12A具有良好的抗高温氧化性能和高温蠕变强度以及良好的塑性和加工性能。适用于工作温度在-29~650℃之间的腐蚀性介质的高温高压阀门。C12A多用于超临界电站阀门的铸钢材料。

不锈钢:

  调节阀中常用的不锈钢材料为马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢。

马氏体不锈钢

马氏体不锈钢是其中铬含量不低于12%(一般在12%~18%),碳含量较高,使用态组织为马氏体的不锈钢。通过热处理可以调整其力学性能,通俗地说,是一类可硬化的不锈钢。马氏体不锈钢的耐蚀性主要取决于铬含量,而钢中的碳由于与铬形成稳定的碳化铬,又间接的影响了钢的耐蚀性。在调节阀中马氏体不锈钢多用来作为阀内件材质,运用于腐蚀性不高的工况下。常用于调节阀的马氏体不锈钢有: 410、416、和440C,。

410型不锈钢(ASTMA276等级 S41000)—马氏体(高强度铬钢),耐磨性好,但抗腐蚀性较差。相对应的铸件是ASTM A217 CA15。 ASTM A743 CA6NM是CA15的改进版,通常用在既需要高强度又需要高硬度,同时具有中等腐蚀环境的场合,在Masoneilan阀中用于碳钢阀体的标配阀内件材质。

416型不锈钢(ASTMA582 S41600)—416是一个免加工的 410版本。添加了硫改善了材料的加工性能。416用于需要高强度和一些耐腐蚀性能的工况。由416制成的零件不能焊接或硬面堆焊。拉伸性能是低于410,尤其是在横向方向上的延性是远远低于410的。

440C型不锈钢(ASTM A276 S44004)—高强度刃具钢,含碳稍高,经过适当的热处理後可以获得较高屈服强度,硬度可以达到58HRC,属于最硬的不锈钢之列。最常见的应用例子就是“剃须刀片”。在调节阀中多用于加工成导向套环或消气蚀的阀笼。

  马氏体沉淀硬化不锈钢,是碳含量低于0.1%,加入铜、钼、钛、铝等元素使之沉淀析出碳化物和金属间化合物而进一步强化的马氏体不锈钢。

   17-4PH型不锈钢(ASTMA564 630)—最常用的沉淀硬化不锈钢,17%Cr,4%Ni, 它是由铜、铌/钶构成的沉淀硬化马氏体不锈钢。这个等级具有高强度、硬度和抗腐蚀等特性。经过热处后,产品的机械性能更加完善,它对大气及稀释酸或盐都具有良好的抗腐蚀能力,它的抗腐蚀能力与304一样。正因为由于其耐磨性和耐腐蚀性都好,多用来加工成调节阀的阀杆、阀芯、阀笼等。由于在升高的温度下,马氏体沉淀硬化材料会发生脆化。脆化的程度取决于温度和时间,因此在温度高于316°C避免使用该材质。

奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢,是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%~10%、C约0。1%时,具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性,但强度较低,不可能通过相变使之强化,仅能通过冷加工进行强化,如加入S,Ca,Se,Te等元素,则具有良好的易切削性。由于奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性,高温抗氧化性和耐低温性能,广泛运用于制作耐腐蚀调节阀、高温调节阀和低温调节阀。

如下是调节阀中常用的奥氏体不锈钢。

304型不锈钢(ASTMA351 CF8):通用型号;即18/8不锈钢。标准成分是 18 % 铬加8 %镍。

·  304L型不锈钢(ASTMA351 CF3):与 304相同特性,但低碳故更耐蚀、易热处理,但机械性较差,适用焊接及不易热处理之产品。对于硝酸工况,较304,316,316L,317等不锈钢,304L的抗腐蚀性是最好的。

·  316型不锈钢(ASTM A351 CF8M):继 304之后,第二个得到最广泛应用的钢种,添加钼元素使其获得一种抗腐蚀的特殊结构,由于较304其具有更好的抗氯化物腐蚀能力因而也作“船用钢”来使用。316 SST 在除了氮酸之外的几乎所有场合比 304SST 具有更好的耐腐蚀性能。

·  316L型不锈钢(ASTMA351 CF3M):含碳量低,低碳故更耐蚀、易热处理,

   316H型不锈钢(ASTM A351 CF10M):含碳量高,抗脱碳性更高,故适于高温条件使用。耐温范围:538℃-816℃.,缺点焊接性能差,抗晶间腐蚀差。

   317型不锈钢(ASTM A351 CG8M):是铬和钼含量各增加1%的316, 从而比316具有更大的抗点蚀的能力。它对于蒸煮液、干二氧化氯和很多其它纸浆与造纸环境有优良的抵抗性能。因此多用于造纸行业。

Nitronic 50型不锈钢(ASTMA479 S20910):是氮强化奥氏体不锈钢,属于合金金属。又称为S20910 / XM-19。其抗腐蚀性能优于316、316L、317和317L,且室温下屈服强度几乎是它们的两倍。该钢种在高温及零下的温度中都具有非常好的机械性能。该钢种在抗硫化物应力腐蚀开裂及耐晶间腐蚀方面都有非常杰出的表现。这种高度防锈蚀及高强度的NITRONICS50不锈钢常用来加工酸性或高压工况下调节阀的阀杆。

660型不锈钢(ASTMA638 660):是一种时效硬化奥氏体。它是具有良好耐腐蚀性的铁基高温合金,由于其在高温下优良的强度,在调节阀中主要加工阀杆可用在高达704℃的高温的工况下。

高温稳定性钢。钒、钛、铌是强碳化物形成元素,能形成细小弥散的碳化物,提高钢的高温强度。钛、铌与碳结合还可防止奥氏体钢在高温下或焊后产生晶间腐蚀。多用于石化炼油行业的高温含硫工况。

321型不锈钢(ASTMA479 321):高温稳定性钢,添加了钛元素降低了材料焊缝锈蚀的风险。

·  347型不锈钢(ASTM A351 CF8C):高温稳定性钢,添加稳定化元素铌,提高耐晶间腐蚀性能,在酸、碱、盐腐蚀介质中的耐腐蚀性同321不锈钢。焊接性能良好。对于欧美的阀门厂家,更倾向于采用347不锈钢。

双相不锈钢

所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半,一般量少相的含量也需要达到30%。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点,与铁素体相比,塑性、韧性更高,无室温脆性,耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高,同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高,具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比,强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能,也是一种节镍不锈钢。

双相钢一般可以分成如下四类:
低合金型━代表牌号是UNS S32304(23Cr-4Ni-0.1N)PREN值24~25,是不含钼的低级双相不锈钢。
中合金型代表牌号是UNS S31803(22Cr-5Ni-3Mo-0.15N),PREN 值32~ 33,主要的双相不锈钢钢种,占双相钢总量的80%以上。
高合金型标准牌号有UNS S32550(25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N),PREN 值38~39
超级双相不锈钢型标准牌号有UNSS32750(25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N),PREN值>40。含25%一26%Cr,与含25%Cr的双相不锈钢相比,钼和氮的含量增加。

(※PREN 耐孔蚀指数 PREN=Cr%+3.3×Mo%+16×N%)

双相钢的应用:

石油和天然气工业:炼油主要用于常减压装置、催化裂化装置、加氢裂化、加氢处理装置、冷却系统等;油气输送管线。

石油化学和化学工业:氯乙烯生产装置、低压合成甲醇反应器的触媒管、物料/流出物热交换器、海水冷却管。

化肥工业:尿素和磷肥工业中甲胺泵泵体、中气提塔、甲胺冷凝器和高压分解塔泵和阀。

造纸和制盐轻工业:真空制盐和盐硝联产装置,蒸煮漂白设备

其中在调节阀中,最常用的两种双相钢的牌号为UNS S31803和UNS S32550.

UNSS31803 (铸CD3MN), 因含22%的Cr和5%的镍,又被称为2205。 与 S32550 相比由于其低合金含量,S31803价格较低。然而,实验室试验结果显示S31803的性能较S32550低,因此通常都建议 S32550 用于阀内件,而不是S31803。

UNS S32550又被称为Ferralum255, 与S31803相比,它的强度好,韧性好,具有更好的综合力学性能。

阀内件常用的加硬办法

非电镀镍涂层:这种化学镀层非常均匀, 结合力要普遍高于电镀层,表面硬度可以达到600HV

硬铬涂层:  金属表面镀硬铬的作用有两个,一是耐磨,二是防锈。硬铬的表面硬度可以达到800HV以上,硬铬镀层耐磨性很好;因为硬铬的镀层比原材料致密,所有具有一定的防锈能力,但是和镀镍相比,防锈性能大大不如。

堆焊Stellite:  Stellite是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金,即通常所说的钴基合金,表面硬度可达HRC40

喷涂碳化钨:碳化钨喷涂后涂层硬度与厚薄没大的关联性,只是与它在高温区间停留的时间长短有直接关系。碳化钨喷涂的涂层最高硬度为HRC65

渗氮处理:氮化处理是指一种在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。经氮化处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性。表面硬度可达HRC60~60

渗硼处理:渗硼作为一种热化学表面处理技术,是一个在金属表面使硼原子渗入、扩散并与基体反应而形成由一个或多个金属间化合物相组成的硼化物层的过程。渗硼层具有高的硬度、耐磨性、热硬性及良好的抗腐蚀性与抗氧化性等优点,对金属及合金材料表面进行渗硼处理可以大大改善其表面性质,增强材料的使用性能及应用范围。但渗硼层脆性大,在冲击载荷作用下,渗硼层容易产生裂纹和剥落,从而影响材料的使用寿命和产品的加工质量。渗硼层的硬度可达1300-2000HV。

美国腐蚀工程师协会(NACE)标准

NACE MR0175:用于油田设备的抗硫化应力腐蚀裂纹金属材料,本标准规定了应用于含硫气体的油和气作业中使用的金属的材料要求

NACE MR0103:在腐蚀性石油精炼环境中的材料抗硫化应力裂纹能力。本标准规定了含H2S(气相或溶解于含水液相)的酸性石油炼制环境和相关的加工环境中(不管是否存在烃)抗硫化物应力开裂(SSC)的金属材料要求

NACE MR0175规定所有容许使用的低合金钢要求硬度≤22 HRC,且满足镍含量小于1%。因为硫化氢中的氢原子能进入晶格间,在压力的应力作用下,产生微裂纹。如果硬度高于HRC22,微裂纹会扩展,材料脆性开裂。如硬度小于HRC22,材料塑性变形,微裂纹不会扩展。所以对于碳钢和低合金钢NACEMR0175有22 HRC硬度最大的要求,在此硬度下具有较好的耐SSC的能力。并且MR0175也要求低碳合金钢中镍的含量小于1%,这样LC2 ,LC3和LF3等低温钢在NACE标准中禁止使用。

马氏体不锈钢UNS S41000奥氏体化并油冷或空冷,在不低于621第一次回火,然后冷却到环境温度。在略低于第一次回火温度进行第二次回火,然后冷却到环境温度。硬度≤22 HRC,则满足NACE材质的要求。

马氏体沉淀硬化不锈钢UNS S17400在1150F下做两次热处理并满足硬度≤33HRC,也写做S17400 H1150 DBL . 在1993年末,cb7cu-1铸件H1150DBL条件被添加到MR0175非承压部件材质中,如,笼子,插头,座环和其他内部,阀门、调节阀组件,但要求的最大硬度极限是30HRC(310 HB)。

大多数的奥氏体不锈钢只要经过退火并且硬度低于22 HRC都是满足NACE MR0175材质标准的。例如S30200,S30400,S30403,s31008,S31600,S31603,s31700,S32100,和S34700,以及它们对应的铸件(如CF8,CF8M,CF3,and CF3M),连同其它一些不常用的300系列不锈钢都是这样的。

Nitronic 50氮强化奥氏体不锈钢,又被称为S20910 (XM-19),在硬度低于35 HRC下满足NACE

MR0175材质标准的,并且在类似的硬度级别下它抗硫化应力裂纹SSC的能力远远优于S17400 或其他奥氏体不锈钢。在相同强度级别下,具有类似抗硫化应力裂纹性能的材质只有镍基合金,当然镍基合金的价格贵得多。

调节阀常用的符合NACE的材质  

  硬度

r       WCC/LCC         22HRC

r       WC9/WC6         22HRC

r           304/304L,316/316L,317,321,347等     22HRC

r       Nitronic50     35HRC

R           17-4H1150/DHT /H1150M   33HRC

r       S31800,S32500         28HRC

r       涂层 :  ENC, 镀铬,司钛莱堆焊,碳化钨和陶瓷等

r       螺栓/螺母:   A193 B7/B7M, A194 2H/2HM

由于各种材质的硬度以及耐腐蚀性都是相对而言的,金属的腐蚀现象或耐腐蚀性,是根据介质的种类、温度、压力、流速等环境条件,以及金属本身的性质、加工工艺、热处理等诸因素的差异,分别有不同的腐蚀状态和腐蚀速度。材质没有好还是不好之分,只有适不适合之说。因此,应充分的了解介质和材料的特性,才能选择合适的材质。



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