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高温阀门的高温等级及主体材料
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高温阀门的高温等级及主体材料

* 来源 : http://www.zy139.com * 作者 : admin * 发表时间 : 2016-03-04 * 浏览 : 436

目前调节阀行业对高温阀门的高温等级划分尚无相关的标准规范。通常人们将工作温度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) -254℃级(液氢)。其中-46℃级阀门主体材料可用LCBLCC -73℃级可用LC2-101℃级可用CF8CF8CLC3-196℃级可用CF8CF8MLC9-254℃级可用CF3MCF8M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。

    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>425~550℃(800~1000°F)定为高温I级,简称PⅠ级。阀门工作温度t>550~650℃(1000~1200下)定为高温Ⅱ级,简称PⅢ级。阀门工作温度t>650~730℃(1200~1350下)定为高温Ⅲ级,简称PⅢ级。阀门工作温度t> 730~816℃(1350~1500°F),称其为高温Ⅳ级,简称PⅣ级。阀门的工作温度t>816℃(1500下)以上的温度区域,称为阀门的最高温度级,即高温V级,简称PV级。

一、阀门分级方法

    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PI级和PⅡ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。PⅢ级的上限温度定在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PⅢ级高温阀门的上限温度。将PⅣ级的上限温度定为816℃是因为阀门设计时选用的基础标准ASME B16.34的压力-温度等级中提供参数的最高工作温度为1500°F816℃),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PⅣ级高温阀门的上限温度定为816 。从PI~PⅣ级,以华氏温度表示时,PⅠ级>800~1000°FPⅡ级>1000~1200°FPⅠ级~PⅡ级每-级的温度差均为200°FPⅢ级>1200~1350°FPⅣ级>1350~1500°FPⅢ级~PⅣ级每一级的温度差均为150°F。用于PV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)在此温度区域正常工作。在816℃以上,阀门的上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PV级高温阀门的工作温度不设限温度。

    “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Cr-Ni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150~180℃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。

二、高温阀门的主体材料

    从表1中可以看出,在PⅠ级时,321321H型不锈耐热钢的压力-温度额定值数据最高。在PⅡ级也是321321H型不锈耐热钢的压力-温度额定值数据最高。所以从选优的角度,首选应是321321H不锈耐热钢。然而321321H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CF8TiCF8Ti是指C0.08%CF8型加钛(Ti)的不锈钢,它相当于我国的ZG0Cr19Nil1Ti321H其对应的铸造合金的牌号应是CF10TiCF10Ti是指C0.10%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-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CF8CCF8C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TiNb稳定C,从而减少CCr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PI级和PⅡ级高温阀门的主体材料可选用ZGOCrl9Ni11TiZG1Cr18Ni9Ti321321H

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Ti321型不锈钢。有资料介绍,美国尽管仍保留了低碳级的0Cr19Ni11Ti321),但其产量仅占其不锈钢的0.7%~1.5%。因此,PI级和PⅡ级通常选用CF8304304H型不锈耐热钢。

  2中列出了阀门生产中所用的几种型号的Cr-Mo高温钢在800~1000°F 427~538℃)时,即高温工级(PI)区间的压力-温度额定值。从表2中可见,在1000°F538℃)时,铸钢WC9的压力-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WC6WC9这两种低CrCr-Mo高温铸钢,而其他型号的低铬(或低铬和镍)的Cr-Mo铸钢较少使用。但因WC6WC9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和蒸汽的工况中。

    C5ASTM 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ГOCT 176-77的“推荐附录”中提出了20X5MJI(原苏联的铸钢铬五钼的钢号,相当于我国的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Cr-Mo系高温铸钢中应用最多的钢号。

因此,WC6WC9(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PⅠ高温阀门的主体材料之一。

    PⅢ级和PⅣ级温度下,CF8M316316H型不锈耐热钢的压力-温度额定值数值最高(表1),所以,PⅢ级和PⅣ级高温阀门的主体材料可选用CF8M316316H型不锈耐热钢。CK-20310310H型高CrNi不锈耐热钢(Cr25Ni20),由于其CrNi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°F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PⅣ级高温阀门多倾向选用CK-20310310H型高CrNi不锈耐热钢。

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-钼高温铸钢)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CF8CF8M不锈钢,不宜用作抗高温的耐热不锈钢。

三、结论

    高温阀门的高温等级共分五级,即阀门工作温度t>425~550 PⅠ级, 工作温度t>550~650℃为PH级,工作温度t>650~730℃为PⅢ级,工作温度t>730~816℃为PⅣ级,工作温度t>816℃为PV级。PI级和PⅡ级高温阀门的主体材料可选用ZG0Cr19Ni11TiZG1Cr18Ni9Ti321321HCF8304304H等不锈耐热钢。PI级高温阀门若用于介质为水和蒸汽时,可选用WC6WC9若用于介质为水和蒸汽及油品时,可选用CSZG1Cr5Mo)等Cr-Mo高温钢。PⅢ和PⅣ级可选用CFSM316316H不锈耐热钢。PⅣ级也可选用CK-20310310H高铬镍不锈耐热钢。PⅤ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Cr-Mo耐热钢应采用电弧炉冶炼,并应采用抗高温的冶炼工艺。

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