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石化特材閥門選材分析

化工生產裝置中的介質大多具有毒性大、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，閥門一旦出現故障，輕者導致介質泄漏，重者導致裝置停工停產，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及工況,在了解介質的低溫特性,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生的氣體的處理得當的條件下,設計出一套完善且順利操作的低溫管路系統.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：適用介質的性質、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的選擇

選擇閥門的殼體、內件和密封面的材質，除了考慮工作介質的物理性能（溫度、壓力）和化學性能（腐蝕性）外，還應掌握介質的清潔程度（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定。

隨著石油、化工和核電等產業迅速發展，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（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，特別是具有優異的抗還原酸及強堿介質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、堿鹽及還原性酸等介質的設備和閥門，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，但不抗含硫介質和氧化性介質（如硝酸及含氧高的介質）的腐蝕。整體是蒙乃爾合金的閥門材料代號為MM，內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）的氯堿生產中以及用于不能有銅和鐵等金屬污染產品的場合。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，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生產中。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（Hastelloy B）和哈氏合金C（Hastelloy C）這兩類。

      哈氏合金B（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（N-7M）。哈氏合金的材質代號閥門行業尚無規定，哈氏合金B閥門的材質代號，可直接用其鑄造合金牌號來表示。哈氏合金B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中，具有優良的耐蝕性能，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時，其最高工作溫度為550℃。因此，規定C5（ZG1Cr5Mo）的工作溫度為≤550℃。

4、 鈦合金

      鈦（Ti）具有強度高，質量輕，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。用于閥門生產中主要是鑄造純鈦和鍛造純鈦ZTA2。鈦對腐蝕性介質因溫度等工況的不同而表現出耐蝕、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的性質（濃度、溫度等）給予明確的規定。

      鈦材質的閥門在多種氧化性強腐蝕性介質和中性介質中具有優異的耐蝕性能。鈦在沸點以下且濃度≤80%的硝酸中均具有優異的耐蝕性。而在發煙硝酸中當NO2含量超過2%而含水量不足時，鈦與發煙硝酸反應會發生爆炸，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、氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液中*耐蝕，但不能用于沸騰的氫氧化鈉和氫氧化鉀中。

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異的耐蝕性，但有機酸中含水量過低（<011%）時鈦易發生點腐蝕。鈦在碳氫化合物和氯化碳氫化合物中有優異的耐蝕性。鈦在干氯氣中能發生劇烈反應生成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災難。據有關統計，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，認為不銹鋼是“萬能材料”，不論什么介質和環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。閥門工作介質為水、蒸汽、空氣和油品等非腐蝕性物質時，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℃。