调节阀论文： 术语解释 | 历程及标准 | 选型计算 | 调节阀设计 | 调节阀材料 | 调节阀应用 | 执行机构 | 配套附件 | 故障维护 | 其它 |

浅议阀门的高温等级划分和阀门材料的选择

发布时间：2011-02-13  点击数：6341
    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） 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°F（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PⅣ级高温阀门的上限温度定为816℃ 。从PI级~PⅣ级，以华氏温度表示时，PⅠ级>800~1000°F，PⅡ级>1000~1200°F，PⅠ级~PⅡ级每-级的温度差均为200°F。PⅢ级>1200~1350°F，PⅣ级>1350~1500°F，PⅢ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t≤320℃）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t≤425℃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，321和321H型不锈耐热钢的压力-温度额定值数据最高。在PⅡ级也是321和321H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321和321H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C≤0.08%的CF8型加钛（Ti）的不锈钢，它相当于我国的ZG0Cr19Nil1Ti。321H其对应的铸造合金的牌号应是CF10Ti，CF10Ti是指C≤0.10%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-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PI级和PⅡ级高温阀门的主体材料可选用ZGOCrl9Ni11Ti、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型不锈钢。有资料介绍，美国尽管仍保留了低碳级的0Cr19Ni11Ti（321），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CF8、304和304H型不锈耐热钢。

表1 常用的不锈耐热钢的压力-温度额定值比较
工作温度 材料 各磅级的不锈耐热锅的压力-温度额定值比较[1]
150 300 400 600 900 1500 2500 4500
800°F （427℃ ） CF8，304，304H 80 405 540 805 1210 2015 3360 6050
CF8M，316，316H 80 420 565 845 1265 2110 3520 6335
321，321H 80 450 600 900 1355 2255 3760 6770
CK-20，310，310H 80 435 580 875 1310 2185 3640 6550
1000°F（427℃） CF8，304 ，304H 20 320 430 640 965 1605 2625 4815
CF8M，316，316H 20 350 465 700 1050 1750 2915 5245
321，321H 20 355 475 715 1070 1785 2970 5350
CK-20，310，310H 20 345 460 685 1030 1720 2865 5155
1200°F（427℃） CF8，304，304H 20（1） 155 205 310 465 770 1285 2315
CF8M，316，316H 20（1） 185 245 370 555 925 1545 2775
321，321H 20（1） 185 245 365 555 925 1545 2775
CK-20，310，310H 20（1） 135 185 275 410 685 1145 2055
1350°F（427℃ CF8（2），304（2），304H 20（1） 60 80 125 185 310 515 925
CF8M（2），316（2）316H 20（1） 95 130 190 290 480 800 1440
321，321H 20（1） 85 115 170 255 430 715 1285
CK-20（2），310（2），310H 20（1） 60 80 115 175 290 485 875
1500°F（427℃） CF8 （2），304（2），04H 10（1） 25 35 55 80 135 230 410
CF8M（2），316（2），316H 20（1） 40 55 85 125 205 345 320
321，321H 20（1） 40 50 75 115 190 315 565
CK-20（2），310（2），310H 10（1） 25 35 50 75 130 215 385

    注：（1）仅用于焊连接阀门，法兰连接的额定值温度为1000°F；
        （2）在温度超过1000℃工况，仅当碳含量等于高于0.04%时才使用。

    表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°F（538℃）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（WC1≤450℃；WC4≤480℃；WC5≤500℃；WC6≤540℃；WC9≤570℃）。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Cr-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。

表2 常用的铬-钼高温钢的压力-温度额定值比较
工作温度 钢号 各磅级的工作压力，磅/平方英寸（表压）
150 300 400 600 900 1500 2500 4500
800 °F（427℃ ） WC4，WC5 ，F5 80 510 675 1015 1525 2540 4230 7610
WC4，F11C1.2，F11C1.2 80 510 675 1015 1525 2540 4230 7610
WC9，F11C1.3 80 510 675 1015 1525 2540 4230 7610
C5，F5 80 510 675 1015 1525 2540 4230 7610
1000 °F（427 ℃） WC4，WC5，F5 20 200 270 405 605 1010 1685 3035
WC4，F11C1.2，F11C1.2 20 215 290 430 650 1080 1800 3240
WC9，F11C1.3 20 260 345 520 780 1305 2170 3910
C5，F5 20 200 265 400 595 995 1655 2985

    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PⅠ高温阀门的主体材料之一。
    在PⅢ级和PⅣ级温度下，CF8M、316和316H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CF8M、316和316H型不锈耐热钢。CK-20、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°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-20、310和310H型高Cr、Ni不锈耐热钢。

表3 常用的不锈耐热钢在（1500°F）816℃时高温力学性能
钢号 304 316 321 347 310
屈服强度（MPa） 78.6 112.4 94.5 113.1
极限抗拉强度（MPa） 144.8 172.4 168.2 168.2
弹性模量 E（抗压）（GPa） 124.8 131.7 131.7 133.8 131
G（剪切）（GPa） 51 51.7 49 49.6 47.6
在1000h内产生1%仲长的平均应力（MPa） 10.3 16.5 10.3 13.8 20.7
在1000h产生断裂的平均应力（MPa） 816 ℃ 48.3 62.1 48.3 62.1 75.8
871 ℃ 27.6 41.4 48.3
在1000h内断裂的平均应力（MPa） 816 ℃ 27.6 48.3 27.6 27.6 41.4
871 ℃ 20.7 20.7 15.7 27.6
在1000h内导致断裂的平均应力（MPa） 22.4 25.5 8.8 20
在1000h内导致断裂的平均应力（MPa） 15.9 13.4 13.4
在1600°F（871℃）的断裂特性（MPa） 100h 34.5 （310S）45.5
1000h 18.6 （310S）27.6
10000h 9.7 （310S）17.2
不加火压力容器的最大许用应力（抗拉数值）（MPa） 5.2 10.3 6.9 6.9 1.4

    *：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-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CF8和CF8M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℃ 为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ZG0Cr19Ni11Ti、ZG1Cr18Ni9Ti、321和321H或CF8、304和304H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WC6和WC9若用于介质为水和蒸汽及油品时，可选用CS（ZG1Cr5Mo）等Cr-Mo高温钢。PⅢ和PⅣ级可选用CFSM、316和316H不锈耐热钢。PⅣ级也可选用CK-20、310和310H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。

    参考资料
   杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.
   ГCT2176-77特殊性能的高合金钢铸件牌号与技术要求[S].
   ASME B16.34-1996，法兰、螺纹和焊连接的阀门.[S].
   （美）不锈钢手册[M].北京：机械工业出版社，1987.
   康喜范.我国低碳、超低碳奥氏体不锈钢的主要进展U]重庆特钢 1993（1）
   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）.

相关信息

热门点击

最新信息

调节阀分类

最新商机

推荐产品

随机推荐

调节阀资料