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石化特材閥門選材分析

化工生產(chǎn)裝置中的介質(zhì)大多具有毒性大、可燃、易爆和腐蝕性強的特點，工況復雜苛刻，操作溫度和壓力較高，閥門一旦出現(xiàn)故障，輕者導致介質(zhì)泄漏，重者導致裝置停工停產(chǎn)，甚至造成惡性事故。所以，科學合理地選擇閥門既能降低裝置的建設費用，又保證生產(chǎn)安全運行。今天，我們來講講閥門的選型！閥門選型的要點設計在石化工程設計中應用較為常見,要設計低溫管道的選材及配管,需要先了解設計管路需要的介質(zhì)及工況,在了解介質(zhì)的低溫特性,結合管路所處的工作溫度及工作壓力等條件,考慮到管道材料遇冷的脆性,對防止外界熱量的傳入和不可避免氣化產(chǎn)生的氣體的處理得當?shù)臈l件下,設計出一套完善且順利操作的低溫管路系統(tǒng).結合工作中參與的設計項目,通過低溫儲罐接收裝置的設計實踐,簡單闡述下石化特材閥門選材分析的選材及設計安裝的注意事項.

1、明確閥門在設備或裝置中的用途

確定閥門的工作條件：適用介質(zhì)的性質(zhì)、工作壓力、工作溫度和操縱控制方式等。

2、正確選擇閥門的類型

閥門型式的正確選擇是以設計者對整個生產(chǎn)工藝流程、操作工況的充分掌握為先決條件的，在選擇閥門類型時，設計人員應首先掌握每種閥門的結構特點和性能。

3、確定閥門的端部連接

在螺紋連接、法蘭連接、焊接端部連接中，前兩種。螺紋連接的閥門主要是公稱通徑在50mm以下的閥門，如果通徑尺寸過大，連接部的安裝和密封十分困難。

法蘭連接的閥門，其安裝和拆卸都比較方便，但是較螺紋連接的閥門笨重，價格較高，故它適用于各種通徑和壓力的管道連接。

焊接連接適用于較荷刻的條件下，比法蘭連接更為可靠。但是焊接連接的閥門拆卸和重新安裝都比較困難，所以它的使用僅限于通常能長期可靠地運行，或使用條件荷刻、溫度較高的場合。

4、石化特材閥門選材分析閥門材質(zhì)的選擇

選擇閥門的殼體、內(nèi)件和密封面的材質(zhì)，除了考慮工作介質(zhì)的物理性能（溫度、壓力）和化學性能（腐蝕性）外，還應掌握介質(zhì)的清潔程度（有無固體顆粒），除此之外，還要參照國家和使用部門的有關規(guī)定。

隨著石油、化工和核電等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，閥門的需求也不斷增加，特別是耐腐蝕不銹鋼閥門的應用越來越廣泛，其需求量也在不斷增加。通常不銹鋼分為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼、馬氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼等類型。其中沉淀硬化不銹鋼具有較優(yōu)良的機械性能和耐腐蝕性。目前，大型石化裝備耐高溫、高壓和耐硫化氫腐蝕等參數(shù)的提高，對閥門閥桿材料也提出了更高的要求。閥桿是主承壓件，在使用過程中起著承載扭矩和開啟閥門的重要作用 。

因此在選擇閥桿材料時，必須保證它在規(guī)定的溫度(500℃)下有足夠的強度、良好的沖擊韌性、抗擦傷性、耐腐蝕性。閥桿是易損件，在選用時還應注意材料的機械加工性能和熱處理性能。在海洋應用中，選取何種材料，不僅要考慮材料的力學性能、耐海水腐蝕性能、工藝性能，而且還要考慮材料成本和可獲得性。正確合理的選擇閥門的材質(zhì)可以獲得閥門的使用壽命和最佳的使用性能。閥體材料選用順序為：鑄鐵-碳鋼-不銹鋼，密封圈材料選用順序為：橡膠-銅-合金鋼-F4。

1、 石化特材閥門選材分析不銹耐酸鋼

      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。

（1）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(zhì)為硝酸等氧化性酸。其最高工作溫度≤200℃。

（2）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(zhì)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℃。

（3）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℃。

（4）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℃。

2、石化特材閥門選材分析 耐蝕鎳基合金

      耐蝕鎳基合金閥門主要是選用ASTMA494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UNSN 05500（Monel K500）。鑄鎳合金無對應的軋材，英康乃爾合金的軋材為Inconel600和Inconel625等。

（1）石化特材閥門選材分析蒙乃爾合金

      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(zhì)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(zhì)、堿鹽及還原性酸等介質(zhì)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(zhì)，但不抗含硫介質(zhì)和氧化性介質(zhì)（如硝酸及含氧高的介質(zhì)）的腐蝕。整體是蒙乃爾合金的閥門材料代號為MM，內(nèi)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、Monel400和MonelK500合金的適宜工作溫度為-29～40℃。

（2）石化特材閥門選材分析鑄鎳合金

      鑄鎳合金（CZ-100）的化學成分為95%Ni和1100%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(chǎn)中以及用于不能有銅和鐵等金屬污染產(chǎn)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℃。

（3）石化特材閥門選材分析英康乃爾合金

      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(zhì)，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(chǎn)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（600～1500LB）高濃度氧氣閥門等。CY-40和Inconel600合金閥門的材料代號為In。適宜工作溫度為-29～650℃。

（4）石化特材閥門選材分析哈氏合金

      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(yǎng)（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Chlorimet 2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(zhì)代號閥門行業(yè)尚無規(guī)定，哈氏合金B(yǎng)閥門的材質(zhì)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HastelloyC-27金，其鑄造合金牌號為CW-6MC和HastelloyC-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、UNSN10276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(zhì)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HastelloyB和Ni-Mo-Cr系的HastelloyC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———HastelloyC-276（C由0112%降低到6%）及第三代哈氏合金C———HastelloyC-4，其特點是低Si（Si≤0108%）和超微C（C≤01015%），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UNSN10001合金的適宜工作溫度為-29～425℃，哈氏合金CW-12MW和UNSN10003合金的適宜工作溫度為-29～700℃，哈氏合金CW-6MC和UNSN1027金的適宜工作溫度為-29～676℃，哈氏合金CW-2M和UNSN06455合金的適宜工作溫度為-29～425℃。

3、 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。

（1）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(zhì)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℃。

（2）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(zhì)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(zhì)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、 鈦合金

      鈦（Ti）具有強度高，質(zhì)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(chǎn)中主要是鑄造純鈦和鍛造純鈦ZTA2。鈦對腐蝕性介質(zhì)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(zhì)的性質(zhì)（濃度、溫度等）給予明確的規(guī)定。

      鈦材質(zhì)的閥門在多種氧化性強腐蝕性介質(zhì)和中性介質(zhì)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，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、*和氫氧化鉀溶液中*耐蝕，但不能用于沸騰的*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(chǎn)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（<011%）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013～115%）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(chǎn)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。

一直以來，腐蝕就是化工設備最頭痛的危害之一，稍有不慎，輕則損壞設備，重則造成事故甚至引發(fā)災難。據(jù)有關統(tǒng)計，化工設備的破壞約有60%是由于腐蝕引起的，因此在化工閥門選型時首先要注意選材的科學性。通常有一種誤區(qū)，認為不銹鋼是“萬能材料”，不論什么介質(zhì)和環(huán)境條件都捧出不銹鋼閥門，這是一種極大的錯誤。

      以上是腐蝕工況下的幾種閥門材料，下面再簡單介紹一下非腐蝕工況閥門材料。閥門工作介質(zhì)為水、蒸汽、空氣和油品等非腐蝕性物質(zhì)時，一般采用碳素鋼。閥門用碳素鋼系指ASTMA216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(zhì)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℃。