阀门及材料基础知识讲义

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,阀 门 及 材 料 基 础知 识 简 介,兰州高压阀门有限公司,2011,年,03,月,乐精华,目 录,一、阀门简述,1.,闸阀,2.,截止阀,3.,球阀,4.,蝶阀,5.,止回阀,6.,旋塞阀,7.,安全阀,8.,疏水阀,9.,减压阀,二、阀门其它几种常用的分类,1.,按阀门的用途和作用分类,1.1,截断阀类,1.2,调节阀类,1.3,止回阀类,1.4,分流阀类,1.5,安全阀类,2.,按压力分类,2.1,真空阀,2.2,低压阀,2.3,中压阀,2.4,高压阀,2.5,超高压阀,3.,按阀体材料分类,3.1,非金属阀门,3.2,金属阀,4.,按阀门的工作温度分类,4.1 -254,-101,为“超低温阀门”,4.2 -100,-30,为“低温阀门”,4.3 -29,200,为“常温阀门”,4.4,200,325,为“中温阀门”,4.5,325,425,为“亚高温阀门”,4.6,425,550,为“高温,级阀门”,简称,P,级,4.7,550,650,为“高温,级阀门”,简称,P,级,4.8,650,730,为“高温,级阀门”,简称,P,级,4.9,730,816,为,“,高温,级阀门,”,简称,P,级,4.10,816,为,“,高温,级阀门,”,简称,P,级,三、阀门主体材料,1.,关于阀门常用材料的一些基础知识,1.1,钢和铁,1.2,碳钢、合金钢及低合金钢、中合金钢、高合金钢；镇静钢,1.3,合金和高合金,1.4,阀门用钢的几种常用热处理简介,1.5,阀门用钢的几种常用金相组织简介,1.6,阀门常用的几种镍基合金,2.,钢在高温和低温中的破坏型式,2.1,钢在高温中的破坏型式,2.2,钢在低温中的破坏型式,3.,高压加氢装置用阀门的氢腐蚀及抗氢钢,3.1,临氢,氢对金属的腐蚀,3.2,常用抗氢钢,4.,石油加工中硫化物等酸性腐蚀,4.1.,硫化物的腐蚀,4.2.,氯化物的腐蚀,4.3.,有机酸的腐蚀,5.,阀门主体材料及工作温度,5.1,铸铁阀门,5.2,碳钢阀门,5.3,低温阀门,5.4,不锈耐蚀钢阀门,5.5,不锈耐热钢阀门,四、关于磅级阀门,1.,“,磅级阀门,”,采用的材料和设计制造标准,1.1,材料：,（,1,）关于美国,ASTM,系统标准材料的说明,（,2,）关于美国的“统一数码系统”材质代号,1.2,设计基础标准,2.,华氏温度与摄氏温度的换算,3.,磅级阀门与国标阀门换算基本知识简介,4.,检查与试验标准,五、阀门硬密封副选择概述,1. Cr13,型不锈钢密封副（密封副标记为,H,）,2.,不锈钢本体密封副（密封副标记为,W,）,3.,硬质合金密封副（密封副标记为,Y,）,六、阀门的检验和试验,1.,闸阀和截止阀的上密封及上密封试验,2.,阀门的强度试验和密封试验,一、阀门简述,什么叫阀门,？,阀门,是流体输送系统中的控制装置，是用来控制管道内介质流动的具有可动机械产品的总称,。,它具有导流、截流、调节、控制流向、分流或卸压等功能。,阀门在石油炼制及石油化工生产系统中；在石油、天然气开采和石油、天然气管道输送系统中；在化肥、化工生产系统中；在火电、水电和核电的生产系统中；在冶金生产系统和矿山开采中；在城市和工业企业的给排水、供热和供气系统中；在农田灌溉系统中；在船舶、车辆、飞机以及各种运动机械的流体系统中以及在国防和航天系统中都大量地使用阀门。因此，阀门是人类走向现代化不可缺少的重要机械产品。,我国是在,1958,年由当时沈阳阀门厂开始生产铸钢高中压阀门的，在半个世纪以来,我国阀门行业得到了迅速的发展。我国目前除了一些特殊阀门需要进口外,其余的阀门都能自己生产,并且大量出口。,我们常用的阀门主要有以下几种：,1.,闸阀：,闸阀是启闭件,闸板由阀杆带动，沿阀座密封面和导轨作升降运动的阀门。,它主要有：阀体、阀盖、闸板、阀杆、填料、垫片和操作装置（注：以往称为“传动装置”，,API-6D 2008,版标准改称“操作装置”）等组成。闸阀是各种类型阀门中应用最多、最广泛的阀门。,闸阀又分楔式闸阀和平板闸阀。楔式闸阀是闸阀中应用最广泛的类型，可用于高温、高压、低温、大口径、耐磨损等工况。平板闸阀主要用于输送天然气、成品油及高温中压大口径阀门中，我公司中标承接的四川普光气田集输工程，用的是,CL9002500LB,的高压抗硫平板闸阀。,所谓楔式闸阀是指闸板为楔式（上厚下薄），楔式闸阀根据美国,API-6D,和,API-600,标准规定，凡“公称尺寸”（注：以往称为“公称通径”，,API-6D 2008,版标准改称“公称尺寸”）,DN40,，用刚性单闸板（为：,Z41,或,Z61,）；凡“公称尺寸”,DN50,时，应采用弹性闸板（为：,Z40,或,Z60),。在钢制楔式闸阀的设计上，以往只有刚性单闸板和双闸板两种，刚性单闸板俗称“死闸板”以,Z41,表示；双闸板是在闸板架上挂两块单闸板以,Z42,表示。刚性单阀板由于闸板与阀体两侧阀座吻合密封是不可调节型的,要求装配阀门时“配门”精度极高。且对高中压大口径闸阀，当阀体受压体腔产生变形或在高温状态下阀体体腔产生变形时，刚性单闸板本身无补偿功能，因此密封的可靠性不好，容易造成内漏。有时为了强制其密封,只得靠加大力量拧紧闸板，因而常造成将闸板“楔死”或把阀杆拧弯等事故。双闸板由于结构不紧凑，阀门体积大，阀门重量加重，造成用户管网负荷增大。特别是双闸板不适应高压、强冲击工况和不适用于稠油、油浆、催化剂颗粒等介质。,1.,闸阀：,为了解决单闸板和双闸板的不足和弊端，所以在闸阀的闸板设计上一种新型结构,“,弹性闸板”诞生了，这是闸阀设计上的一项重大的技术进步。所谓“弹性闸板”是指闸板边缘内档带有“弹性槽”，而其中间仍为整体结构（可焊接或铸造、锻造后切开弹性槽）。弹性闸板兼备了单、双闸板的优点而摒弃了它们的缺点。弹性闸板当其中腔受压时，闸板会产生弹性变形紧贴在阀体两侧的阀座上，因而可实现可靠的密封。卸压时闸板的弹性变形随之消失，所以方便开启，且磨损小、寿命长。特别适合大口径和高温及低温等工况中使用的闸阀。,需要指出的是：除了特殊设计的专用闸阀之外，,闸阀不允许用于作调节介质流量用，因此，在开启时必须将闸板全部提升到通道上方,。,1.,闸阀：,附典型楔式闸阀结构图,1.,闸阀：,附典型楔式闸阀闸板结构图,2.,截止阀：,截止阀启闭件,阀瓣由阀杆带动，沿阀座的密封面的轴线作升降运动的阀门,。,它主要有：阀体、阀盖、阀瓣、阀杆、填料、垫片和操作装置等组成。,截止阀按阀杆与阀体间的角度又分为,T,型（成,90J41,或,J11;J61,等）及,Y,型（成,45J45,等）及角式（,J44,）等类型。截止阀的优点是：阀瓣与阀体的阀座一旦脱离就没有摩擦，因而，适用于输送氧气等怕摩擦产生火花的危险介质。其缺点是：开启和关闭时阀门的扭矩大，因此，阀杆比闸阀的要粗。所以，截止阀“公称尺寸”不宜过大，,T,形截止阀最大“公称尺寸”应控制在,DN400,。 “公称尺寸”大的,T,形截止阀应采用介质为“高进低出”的操作方向。根据我公司的经验并规定：凡是截止阀公称压力,PN1.64.0MPa,（或,CL150300LB,）,“,公称尺寸”,DN150,；凡是截止阀公称压力,PN6.4MPa(,或,CL400LB) “,公称尺寸”,DN100,介质流向都应实行“高进低出”，并在阀体上明显的部位铸造出介质流向箭头。,“,高进低出”是指介质从阀座上方流入，从阀座下方流出。“高进低出”较好地解决关闭截止阀时的难点，因为在关闭阀门时，有介质作用于阀瓣上方因而有助于阀门的快速、平稳地关闭；同时极大地改善了阀门关闭过程中及关闭后阀杆的受力状况，有利于工人安全操作阀门。我在,阀门,杂志,2007,年第,3,期上发表了“中大口径,T,形截止阀介质流向选择”的文章。,截止阀的阀瓣若为锥形，阀座亦为锥形时，根据开启时高度的不同而可起到调节介质流量的效果。因此，带节流锥的阀瓣的截止阀称为,节流阀,（,L41,或,L44,）。,2.,截止阀：,附典型,T,型,直通式截止阀结构图,2.,截止阀：,附典型,Y,型截止阀结构图,2.,截止阀：,附典型角式截止阀结构图,3.,球阀：,球阀是启闭件,球体绕垂直于通道的轴线可作,90,回转的阀门。,它主要有：阀体根据球阀结构的不同，其中有一件式（仅用于小口径）；两片式：左、右阀体；三片式：主阀体和左、右两片副阀体；球体、阀杆、填料、垫片和操作装置等组成。,球阀由于启闭时作,90,回转，因此它开关迅速，又球体在旋转时与阀座间有自清扫功能；双重阀座（金属阀座上镶嵌聚四氟乙烯软密封阀座）还具有防火功能等，它广泛用于输送天然气、油品、氧气、及其它要求快速启闭时等工况中。,球阀根据用于工作温度的不同，分为软密封（聚四氟乙烯：,PTFE,工作温度,200,；对位聚苯：,PPL,工作温度,325,）和硬密封（金属密封）。硬密封球阀主要用于高温、高压和耐磨损等工况。高温球阀由于阀座受弹簧使用温度,(INCONEL X750,最高工作温度为,450,480),的限制,其最高工作温度不应高于,450,。,球阀根据球体是否有固定轴，又分为浮动球阀和固定球阀，浮动球阀是单向密封，主要用于中低压小口径时。球阀还有三通球阀，它是用来切换介质流向的。近来又开发了球体和阀座用超音速喷涂碳化钨（,HVOF,）,JK117,（,WC,）,/17Co.,涂层硬度可达到,DPH300:10551243,（,HRC70,）的特硬耐磨球阀，专用于煤化工生产灰浆系统；开发了扭矩小、密封可靠阀腔带放空的“双活塞效应阀座球阀”（,DBB,）和全焊接埋地球阀，专用于输送天然气和成品油等管线中。,3.,球阀：,附典型全通径浮动球阀结构图,3.,球阀：,附典型全通径双截断双泄放蜗轮传动固定球阀结构图,4.,蝶阀,：,蝶阀是启闭件,蝶板绕固定轴作,90,旋转的阀门,。,它主要有阀体、蝶板、阀轴及操作装置等组成。蝶阀由于结构紧凑、重量轻、开关迅速而广泛应用于输送水、蒸汽、烟气等工况的中低压大口径管道上。蝶阀根据用于介质温度的不同，又分为软密封（橡胶、聚四氟乙烯等）和金属硬密封。 蝶阀通过调整蝶板的角度，可以起到调节介质流量的作用。,近几年来开发的三偏心金属硬密封蝶阀是蝶阀设计上的一项重大革命。三偏心金属硬密封蝶阀结构原理：在蝶阀结构设计时，将阀门的轴心偏离密封面一个偏心,C,，形成第一个偏心；同时轴又偏离管道的中心形成第二个偏心,h,；又在上述双偏心的基础上，增加了第三个偏心，即锥面密封座中心线倾斜于通道中心线,角，这一结构形式既实现了凸轮效应，又消除了阀门启闭过程中密封圈与阀座间大约,20,的摩擦和摩损，因而大大地提高了阀门的使用寿命及密封的可靠性。三偏心金属硬密封蝶阀使蝶阀有了更广泛的市场。特别是在中低压大口径，在用于输送水和蒸汽及高温烟气时大量地替代闸阀。,4.,蝶阀：,附典型三偏心金属硬密封蜗轮蜗杆传动蝶阀结构图,5.,止回阀：,止回阀是启闭件,阀瓣借助介质的作用力，自动地阻止介质逆流的阀门,。,它主要有阀体、阀盖、阀瓣等组成。止回阀根据其结构的不同又分为：旋启式止回阀、升降式止回阀、立式止回阀、多瓣式止回阀、缓闭式止回阀、对夹式双瓣止回阀及保护火电厂汽轮机组的气控或液控,0.5,秒内关闭的抽汽止回阀（需加装辅助的气动或液动快关装置）等。,5.,止回阀：,附典型升降式止回阀结构图,5.,止回阀：,附典型旋启式止回阀结构图,6.,旋塞阀：,旋塞阀是启闭件,塞子绕其轴线作,90,旋转的阀门,。,它主要有：阀体、旋塞、阀盖和操作装置等组成。,旋塞阀中的软密封是通过塞子的园锥面与衬套、衬套的园锥面与阀体内腔锥面进行严密的“面密封”的（其他的阀门是“线密封”）。因此，旋塞阀是加工工艺要求最高的，密封最可靠的阀门。所以，它多用于输送强腐蚀性介质，如氢氟酸、氯气、熔融尿素、熔融氯碱、苯酐等。旋塞阀还有三通旋塞阀，它是用来切换介质流向的。我公司在上个世纪七十年代，开发了用于乙烯装置的，工作温度为,580,的“提升式”高温硬密封旋塞。我公司是我国旋塞阀国家标准：,钢制旋塞阀,、,铁制旋塞阀,标准的起草第一作者单位。,6.,旋塞阀：,附典型手动旋塞阀结构图,6.,旋塞阀：,附典型高密封提升式蜗轮传动旋塞阀结构图,7.,安全阀：,安全阀是一种自动阀门，它不借助任何外力，而是利用介质本身的压力来排出额定数量的流体，以防止系统内压力超过预定的安全值。当压力恢复正常后，阀门再次关闭并阻止介质继续流出。因此，安全阀是保护管道安全的重要装置。,8.,疏水阀（疏水器）,：,疏水阀是用于输送蒸汽管道中，自动排放冷凝水并阻止蒸汽泄漏的自控阀门。,9.,减压阀,：,减压阀是通过启闭件的节流，将介质的压力降低，并利用本身介质的能量，使阀后的压力自动满足预定要求的阀门。,二、阀门其它几种常用的分类,阀门其它常见的分类的方式大致有以下几大类：,1.,按阀门的用途和作用分类,：,1.1,截断阀类：,主要用于截断或接通介质流，它包括闸阀、截止阀、球阀、旋塞阀、蝶阀等。,1.2,调节阀类：,主要用于调节介质流量、压力等，它包括：调节蝶阀、节流阀、减压阀等。,1.3,止回阀类：,是用于阻止介质倒流的阀门，它包括各种结构的止回阀门。,1.4,分流阀类：,是用于分配，分离或混合介质的阀门，它包括各种结构的分配阀和疏水阀。,1.5,安全阀类：,是用于超压保护的阀门，它包括各种结构的安全阀等。,2.,按压力分类：,2.1,真空阀,：凡工作压力低于,1,个标准大气压的阀门。,2.2,低压阀,：公称压力,PN1.6MPa,或,Class150Lb,的阀门。,2.3,中压阀,：公称压力,PN2.5MPa,6.4MPa,或,Class150Lb,400Lb,的阀门。,2.4,高压阀,：公称压力,PN10.0MPa,80.0MPa,或,Class600Lb,4500Lb,的阀门。,2.5,超高压阀,：公称压力,100.0MPa,的阀门，目前国内仅我公司能生产,100.0MPa,600.0MPa,的超高压阀门。我国超高压阀门的标准，是由我公司为第一作者制订的。,3.,按阀体材料分类：,石油炼化及化工等行业阀门使用条件苛刻，其安全性和可靠性尤为重要。因为一旦阀门出现质量事故，轻则停产重则引起可怕的灾难。如前几年美国一家制药公司在印度由于一台阀门出问题造成了成干上万人死亡；又前年大庆石化由于温州某厂的阀门出问题造成重大损失。,因此，我认为石油化工行业用的阀门，无论是设计还是材料的选用上都应是“零风险”的。就是说阀门的设计和选用材料都应按照国际国内标准执行,，如我公司参与制订的,SH3064-94“,石油化工钢制通用阀门选用、检验及验收”标准、,ANSI B16.34,、,APA-6D,、,APA600,、,API602,、,BS1873,、,BS1868,、,BS5352,等等，在这些标准中分别规定了在什么介质、什么温度和压力下选用什么材料；什么压力、“公称尺寸”的阀门通径尺寸、阀门壁厚、阀杆直径等都作了明确的规定。,按阀体材料分类，主要有：,3.1,非金属阀门,：主要有陶瓷阀、塑料阀等。,3.2,金属阀,：主要有铜合金阀、铝合金阀、铸铁阀（包括灰铸铁，球墨铸铁、可锻铸铁）、碳素钢阀、合金钢阀、不锈钢阀（包括低碳级不锈钢,304,、,316,等和超低碳级不锈钢,304L,、,316L,等）、钛合金阀、镍基耐热耐蚀合金阀（包括,Monel,、,CZ-100,、,Inconel,及哈氏合金,B,、哈氏合金,C,等）。,4.,按阀门的工作温度分类,：,我本人对阀门的工作温度分类提出了如下建议，此建议在,阀门,杂志上刊登发表了。简要介绍如下：,4.1 -254,-101,，,为“超低温阀门”,适用于“超低温阀门”（,-254,液氢,-101,乙烯,）主体材料必须选用面心立方晶格的奥氏体不锈钢、铜合金或铝合金，其热处理后的低温力学性能，特别是低温冲击韧性必须达到标准的要求。下列奥氏体不锈钢可用于作超低温阀门。,ASTM A351 CF8M,、,CF3M,、,CF8,、,CF3,；,ASTM A182 F316,、,F316L,、,F304,、,F304L,；,ASTM A433 316,、,316L,、,304,、,304L,；以及兰州高压阀门厂自行设计、制定的低温钢,CF8D,（兰州高压阀门厂工厂标准：,GFQ81-93,）。超低温阀门的阀体、阀盖、闸板或阀瓣等在精加工前，必须在液氮（,-196,）中进行深冷处理。,4.2 -100,-30,，,为“低温阀门”,适用于低温阀门（,-100,-30,）的主体材料有低温奥氏体不锈钢和低温承压件用铁素体和马氏体钢。低温用奥氏体不锈钢有,ASTM A351 CF8M,、,CF3M,、,CF8,、,CF3,；,ASTM A182 F316,、,F316L,、,F304,、,F304L,；,ASTM A433 316,、,316L,、,304,、,304L,和,CF8D,。以上奥氏体不锈钢也适宜工作温度为,-100-30,。,低温承压件用铁素体和马氏体钢有,ASTM A352 LCA,（,-32,）；,LCB,、,LCC,（,-46,）；,LC1,（,-59,）；,LC2,、,LC2.1,（,-73,）；,LC3,（,- 100,）。,4.,按阀门的工作温度分类,：,ASTM A352,标准中的材料，虽然材料的初级价格较低，但是其冶炼时化学成分必须有可靠且要求十分严格的工厂内控标准。其热处理工艺复杂，需要多次作调质处理。低温冲击韧性达不到标准要求时，不允许投料作低温钢使用。,4.3 -29,200,，,为“常温阀门”,把在,-29,200,的这一温度区域工作的阀门，我们称其为“常温阀门”。其主要理由是：这一温度区域是制造阀门的主要材料基本上都适宜的温度；而且它是耐腐蚀不锈钢在酸液介质中的耐腐蚀工作温度的上限，例如：,CF8,，,CF3,；,304,，,304L,在硝酸类介质中工作温度,200,；,CF8M,，,CF3M,；,316,，,316L,在醋酸类介质中工作温度,200,；,200,是用聚四氟乙烯做阀门的密封元件（如：密封阀座，密封垫片，填料等）的最高温度值；,200,是硅橡胶（,SI,），氟橡胶（,PTFE,）的最高工作温度；还有在“临氢”工况中工作的阀门，在,200,以下氢分子离解为氢原子的量可以忽略不计等等。,4.4,200,325,，,为“中温阀门”,把在,200,325,的这一温度区域工作的阀门，我们称其为“中温阀门”。其主要理由是：这一温度区域是聚四氟乙烯不适宜区，即不能用聚四氟乙烯作阀门的密封元件，但它是对位聚苯（,PPL,）的适宜区，用对位聚苯作密封元件，可以用于工作温度,325,。,4.,按阀门的工作温度分类,：,4.5,325,425,为“亚高温阀门”,把在,325,425,的这一温度区域工作的阀门，我们称其为“亚高温阀门”。主要理由是：在这一温度区域工作的阀门，密封元件的材料均不能用非金属的聚合物，必须是耐高温和耐磨损的金属和合金，也就是说在这一温度区域工作的阀门，是完全意义上的“硬密封”。这一温度区域也是碳素钢最高工作温度的上限。此外，我们把在这一温度区域工作的阀门称为“亚高温阀门”，是因为这个区域虽然是高温区域，但用于这一温度区域中的一般常见的介质（如：水、蒸汽、空气、油品等）时，阀门的主体材料用碳素钢就可以满足要求，而不需要用比碳素钢更高级的耐热合金钢或耐热不锈钢。所以，这一温度区域可以说，它还不是真正意义上的高温区，因此，称在这一工作温度区域的阀门为“亚高温阀门”较为恰当。,4.6,425,550,，,为“高温,级阀门”，简称,P,I,级,阀门的工作温度为,425,550,，定为高温,级（简称,P,I,级）。,P,I,级阀门的主体材料为,ASTM A351,标准中的,CF8,为基形的“高温,级中碳铬镍稀土钛优质耐热钢”。因,P,I,级是特定的称呼，在这里包含了用高温不锈钢（,P,）的概念。因此,如果工作介质为水或蒸汽时，虽然也可用高温钢,WC6,（,t 540,）或,WC9,（,t 570,）；在含硫油品时虽然也可用高温钢,C5,（,ZG1Cr5Mo,，,t 550,），但在这里不能叫它们为,P,I,级。,4.7,550,650,，,为“高温,级阀门”，简称,P,级,阀门的工作温度为,550650,，定为高温,级（简称为,P,II,级）。,P,II,级高温,4.,按阀门的工作温度分类,：,阀门主要用于炼油厂的重油催化裂化装置，它包含用在三旋喷嘴等部位的高温衬里耐磨闸阀。,P,II,级阀门的主体材料为,ASTM A351,标准中的,CF8,为基形的“高温,级中碳铬镍稀土钛钽强化型耐热钢”。,4.8,650,730,，,为“高温,级阀门”，简称,P,级,阀门的工作温度为,650,730,，定为高温,级（简称为,P,III,级）。,P,III,级高温阀门主要是用在炼油厂的大型重油催化裂化装置上。,P,III,级高温阀门主体材料为,ASTM A351,标准中的,CF8M,为基形的“高温,级中碳铬镍钼稀土钛钽强化型耐热钢”。,4.9,730,816,，,为“高温,级阀门”，简称,P,级,阀门的工作温度为,730,816,，定为高温,级（简称为,P,级）。将,P,级阀门的工作温度上限定为,816,是因为阀门设计选用的国际权威标准,ASME B16.34,压力,温度等级中提供的最高温度为,816,；另外，工作温度超过,816,以后，钢就接近进入了锻造温度区域，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。,P,级阀门的主体材料为,ASTM A351,标准中的,CF8M,为基形“高温,级中碳铬镍钼稀土钛钽强化型耐热钢”；,CK-20,及,ASTM A182,标准中,F310,（注：其中,C,含量,0.050%,）及,F310H,等耐热不锈钢。,4.,按阀门的工作温度分类,：,4.10,816,为“高温,级阀门”，简称,P,级,阀门的工作温度在,816,以上，称为高温,级（简称为,P,V,级）。,P,V,级高温阀门（作切断用阀门，而非调节型蝶阀类的阀门）必须采用特殊的设计手段，如：衬隔热衬里或水冷、气冷等，方能保证阀门的正常工作。所以，对,P,V,级高温阀门的工作温度上限不作规定，这是因为控制阀门的工作温度不是仅靠材料，而是用特殊的设计手段来解决的，而设计手段的基本原理是一样的。,P,V,级高温阀门可根据其工作介质和工作压力及采用的特殊设计方法等，选用合理的、能满足该阀门的材料。在,P,V,级高温阀门中，通常烟道扦板阀或蝶阀的扦板或蝶板常选用,ASTM A297,标准中的,HK-30,，,HK-40,高温合金，它们能在,1150,以下抗氧化和还原性气体中耐蚀，但不能承受冲击和高压载荷。,我们把阀门的工作温度分为了以上,10,级，有了这样明确的分级为阀门的设计制造、选择材料提供了较科学的根据。,三、阀门主体材料,1.,关于阀门常用材料的一些基础知识：,1.1,钢和铁,:,钢和铁主要区分点是含,C,（碳）量，金属学在“铁碳合金平衡状态图”中规定：含,C,量,2%,为铸铁；含,C,量,2%,为钢。当然,我们阀门用钢,不会有这样高的,C,。,1.2,碳钢、合金钢及低合金钢、中合金钢、高合金钢、镇静钢；,在,Fe,中主要“强化元素”为,C,（碳）的钢叫,“碳素钢”,或简称为,“碳钢”；,在,Fe,中加入合金元素,如,:Cr,（铬）、,Ni,（镍）、,Mo,（钼）、,Cu,（铜）、,N,（氮）、,W,（钨）、,V,（钒）、,Ti,（钛）、,Nb,（铌注：美国用,Cb,表示,CF8C,中后面的,C,就是代表合金铌）等冶炼出来的合金叫“,合金钢,”,;,低合金钢,：合金钢中合金元素含量,10%,，如,Cr13,、,18-8,不锈钢等。,镇静钢,：指冶炼时把溶解在钢液中的氧用硅或硅钙、铝、钛等完全脱除的钢。所谓“镇静”是因将钢液中的氧完全脱除后，钢液出钢或浇注时没有钢花飞溅而很“平静”得名。阀门生产全都是用镇静钢。,1.,关于阀门常用材料的一些基础知识：,1.3,合金和高合金,：,1.3.1,合金,：以一种金属材料为基础，加入其它合金元素，形成的新性能的金属材料。例如在铜,(Cu),中加入锌,(Zn),等合金元素就是黄铜合金；铜,(Cu),中加入锡,(,Sn,),等合金元素就是青铜合金等。,1.3.2,高合金,：是指合金中所含合金元素含量之和大于或等于（）,50%,的合金。,1.4,阀门用钢的几种常用热处理简介,：,1.4.1,退火,（完全退火）：把钢加热到高于临界点或再结晶温度，保温后获得新的稳定的细化晶粒并消除应力后，以小于在静止空气中的冷却速度缓慢冷却（炉内冷却）的热处理工艺。,1.4.2,淬火,：把钢加热到给定温度并保持一定时间后，使之快速冷却（水冷或油冷）的热处理工艺。淬火能显著提高钢或合金的硬度和脆性。,1.4.3,回火,：把淬过火或经过冷加工变形的钢加热到选定的温度（低于钢的下临界点或再结晶温度）,保持充分的时间，以消除其因淬火或冷加工变形所产生的残余应力，并获得较稳定的显微组织和根据需要和可能达到的综合力学性能的热处理工艺。,1.4.4,固溶处理,：把不锈钢或高合金加热到适当的温度并保持充分的时间，使不锈钢或高合金中的某些组成物,(,例如碳,),溶解到基体,(,例如奥氏体,),里形成均匀的固溶体，然后将钢或合金迅速冷却（水冷），使溶入的组成物留在基体内成为“过饱和固溶体”，这样可以改善不锈钢或高合金的延展性和韧性，并为进一步进行沉淀硬化处理准备条件，特别是提高不锈钢或高合金的耐腐蚀性能，这种处理叫做“固溶处理”。,关于阀门常用材料的一些基础知识：,1.5,阀门用钢的几种常用金相组织简介,1.5.1,奥氏体：,是铁和其它元素形成的面心立方结构的固溶体，一般是指碳和其它元素在,r,铁中的间隙固溶体。其名称是为纪念发明人,Austen,而得名的。如,304,；,316,等为奥氏体不锈钢。,1.5.2,铁素体,：铁和其它元素形成的体心立方结构的固溶体，一般是指碳和其它元素在,铁中的间隙固溶体。,1.5.3,珠光体：,铁素体片和渗碳体片交替排列的层状显微组织，是过冷奥氏体进行共析反应的直接产物，因为具有这种组织的样品抛光蚀刻后有珠母贝的光泽而得名。,WCB,为珠光体组织。,1.5.4,马氏体：,是奥氏体通过无扩散型相变而转变成的“亚稳定相”。实际上是碳在铁中过饱和的间隙式固溶体，晶体为体心四方结构，在显微镜下呈竹叶状。其名称是为纪念冶金学家,Martens,而命名的。,Cr5Mo,为马氏体组织。,1.5.5,沉淀硬化：,在一定条件下，由过饱和固溶体中析出另一相而导致的硬化作用。由于强度也随硬度的增加而增加，所以也叫“沉淀强化”。常用的,17-4PH,为“沉淀硬化不锈钢”等。,1.5.6,双相不锈钢：,双相不锈耐蚀钢，是在铁素体的基体中含,35%50%,奥氏体，故为铁素体加奥氏体两相组织的不锈钢，所以，称之为“双相不锈钢”。“双相不锈钢”为“沉淀硬化不锈钢”，属高强度不锈耐蚀钢。双相不锈耐蚀钢的屈服强度，约为,18-8,奥氏体不锈钢的两倍，并具有高硬度和良好的塑性和冲击韧性。特别适合在既有磨蚀又有冲刷的腐蚀且工作温度,316,的条件下使用。,1.,关于阀门常用材料的一些基础知识：,1.6,阀门常用的几种镍基合金,：,耐蚀铸造镍基合金阀门，主要是选用,ASTM A494,铸造镍和镍合金规范,标准中的铸造蒙乃尔合金（,M35-1,），铸镍合金（,CZ-100,），英康乃尔合金（,CY-40,）及哈氏,B,（,Hastelloy,B,）合金：,N-12MV,、,N-7M,及哈氏,C,（,Hastelloy,C,）合金：,CW-12MW,、,CW-7M,、,CW-6MC,、,CW-2M,。,1.6.1,蒙乃尔合金,蒙乃尔合金（,Monel,）是指名义成分为：,70%Ni,和,30%Cu,的镍铜合金。,1.6.2,铸镍合金,铸镍合金（,CZ-100,）的化学成分为,95%Ni,和,1.00%C,，它无对应的轧材。,1.6.3,英康乃尔及英康洛依合金,Inconel,（英康乃尔）,;,Incoloy,（英康洛依）是镍基合金中的,Ni-Cr-Fe,系合金，其中含,Fe,量较低的称其为,Inconel,合金；含,Fe,量较高的称其为,Incoloy,合金。英康洛依合金（,Incoloy,）因含,Fe,量高达,45%,，因此，它实际上是镍基合金中的,Fe-Ni-Cr,合金。在目前耐蚀镍基合金中，它们在阀门生产上的应用量，是仅次于,Monel,（蒙乃尔）合金的重要合金。,1.6.4,哈氏合金,（,Hastelloy,）：,哈氏合金（,Hastelloy,）是商业名称，它包括有一系列的合金牌号，用于耐蚀阀门上的主要是哈氏合金,B,（,Hastelloy,B,）和哈氏合金,C,（,Hastelloy,C,）这两类。,1.,关于阀门常用材料的一些基础知识：,Hastelloy,B(,哈氏合金,B),是,Ni-Mo-Fe,系合金,;,Hastelloy,C(,哈氏合金,C),是,Ni-Mo-Cr,系。,Hastelloy,B(,哈氏合金,B),其铸造合金牌号在美国,ASTM A494,标准为,N-12MV,（有的资料称之为,N-12M-1,）及,N-7M,（有的资料称之为,N-12M-2,），其轧材牌号为,ASTM B335,标准中的,UNS N10665,。哈氏合金,B,对各种浓度的盐酸均耐蚀，对非氧化性盐及酸亦耐蚀。哈氏合金,B,的耐蚀阀门，从耐蚀性及抗晶间腐蚀性考虑宜选用低碳级的哈氏合金,B,（,N-7M,）。,Hastelloy,C(,哈氏合金,C),的铸造合金牌号为,CW-12MW,（有的资料称之为,CW-12M-1,）和,CW-7M,（有的资料称之为,CW-12M-2,）及,Hastelloy,C-276,合金，其铸造合金牌号为,CW-6MC,和,Hastelloy,C-4,合金，其铸造合金牌号为,CW-2M,。铸造哈氏合金,CW-7M,、,CW-12MW,、,CW-6MC,、,CW-2M,其对应的轧材牌号分别是：,UNS,系统号的,UNS N10001,、,UNS N10003,、,UNS N06625,、,UNS N10276,、,UNS N06455,。,2.,钢在高温和低温中的破坏型式,2.1,钢在高温中的破坏型式,:,高温对钢起着两方面的破坏作用：一是钢的工作温度升高，大气或其它介质对钢的氧化腐蚀加剧，使钢的表面起皮和破坏；二是使钢发生 “软化”，使钢在较低载荷下发生塑性变形或断裂。其原因是：高温下工作的钢件发生剧烈的原子扩散，因而在使用过程中发生组织的转变，而在常温和低温下工作的钢件很少有扩散现象发生。所以，对耐热钢和耐热合金的使用性能最基本的要求有三条：一是要有足够的高温强度、足够的高温疲劳强度；二是应具有足够的高温化学稳定性；三是应具有良好的工艺性能。,上面的第一条对耐热钢和耐热合金材料的要求是,:,（,1,）金属材料的蠕变特性,：高温蠕变是指：金属材料在高温下，即使承受的是低于该温度屈服强度的载荷，也会发生连续而缓慢的塑性变形，这种现象称为“蠕变”。典型的“蠕变曲线”（见图示）分为：初始阶段,;,开始阶段,;,恒速阶段和加速阶段等四个阶段。钢在高温下蠕变的 “加速阶段”蠕变速度逐渐加大，变形加快，直至到“点,4”,发生断裂。试验表明：碳钢在,350,低合金钢在,400,以上,就要发生显著蠕变,因此,它们不能在高温下长期工作。,2.,钢在高温和低温中的破坏型式,图,:,在恒温、恒应力下钢的典型蠕变曲线,图中：曲线,01,为“初始阶段”,;,曲线,12,为“蠕变开始阶段,”;,曲线,23,为“蠕变恒速阶段,”;,曲线,3,4,为“蠕变加速阶段,”,，变形加快，直到,4,点发生断裂。,2.,钢在高温和低温中的破坏型式,（,2,）,金属材料的高温强度,：在实际生产中表示金属材料的高温强度指标有下列三种：,a.,蠕变强度；,b.,持久强度；,c.,持久寿命。,（,3,）,金属材料的高温疲劳特性,:,受交应或重复应力作用的高温零件，往往不是产生蠕变断裂而是因疲劳引起断裂。在较低温度下，疲劳裂纹是穿晶的；而在高温下，疲劳断裂沿晶界发展。一般持久强度越高，高温材料的高温疲劳强度也越高。,上面第二条对耐热钢材料的要求是：耐热合金的抗氧化性能，能否耐氧化是衡量耐热合金的一个重要标志。提高耐热合金抗氧化性能的途径有两点：一是使合金不产生或晚产生,FeO,层；二是在合金表面能形成耐高温、结构致密并能牢固地覆盖在合金表面上以阻止进一步氧化的保护性的氧化膜。,2.,钢在高温和低温中的破坏型式,2.2,钢在低温中的破坏型式：,低温钢是使用在低温介质中的钢,常见的低温介质及对应温度见表,1.,表,1,.,常见的低温介质及对应温度,低温钢与常温用钢不同，在低温状态下钢的强度指标都有增加，而塑性减小及韧性显著降低，当温度降至某一临界值以下（即“冷脆性转变温度”下），钢材将完全失去韧性，发生无前兆性的“脆性断裂”。所以，低温钢的质量好坏，在很大程度上取决于使用温度下的冲击韧性的大小。,物 质,温 度,(),物 质,温 度,(),氨,-33.4,甲 烷,-163,丙 烷,-45,氧,-183,丙 烯,-47.7,氩,-186,硫化碳酰,-50,氟,-187,硫化氢,-61,氮,-195.8,干冰,(,碳酸气,),-78.5,氖,-249.6,乙 炔,-84,氘,-249.6,乙 烷,-88.3,氢,-253.8,乙 烯,-101,氦,-269,氪,-151,2.,钢在高温和低温中的破坏型式,2.2,钢在低温中的破坏型式,：,断裂力学指出：钢材的屈服应力曲线,y,与断裂应力曲线,f,有一交点（见图示）。对应于该交点的温度,Tc,称为“冷脆性转变温度”。,图：钢材的断裂应力及屈服应力与温度之间的关系,当温度高于,Tc,时，屈服应力小于断裂应力，材料在应力的作用下发生屈服产生塑性变形，随着变形的进行材料中的流变应力（即材料屈服后继续变形的变形抗力）不断上升。直到达到断裂应力时发生塑性断裂。当温度低于,Tc,时，情况则相反，断裂应力小于屈服应力，所以钢材在应力作用下，首先达到断裂应力，发生脆性断裂。因此，温度,Tc,是材料由塑性断裂到脆性断裂的“临界温度”。所以，降低钢的“冷脆性转变温度”就能有效地改善其低温韧性，因此，低温钢就是“冷脆性转变温度”较低的钢。,二,.,高压加氢装置阀门的氢腐蚀,高压加氢装置的工况有,4,个最突出的特点，它就是：临氢、高压、高温及伴随硫化氢操作。,1.,临氢,氢对金属的腐蚀,氢进入金属中能使金属产生脆性并丧失强度，这种现象称为：“金属的氢损伤”，也叫“氢脆”。金属中的氢有三种来源：第一是金属在熔炼、热处理等加工过程中，氢就进入了金属中，这种氢脆叫“内部氢脆”；第二是金属在酸洗、电镀和电化学腐蚀过程中，氢以离子形式进入了金属中，这种氢脆叫“电化学氢脆”；第三是金属直接在氢气或含氢气体中使用时，氢原子进入了金属中，这种氢脆叫“环境氢脆”。,氢气处于分子状态时，由于分子状态,2,体积大，因此,氢通常不能进入金属的内部。气体氢只有从分子状态离解成原子态后，才可能进入金属中。,2,2,435,KJ,分子氢离解为原子氢的离解度受温度的影响很大，在氢压力较低时，在,200,以下氢分子离解为氢原子的量可以忽略不计。氢在奥氏体钢中的溶解度要比在铁素体钢中大得多，因此，奥氏体钢的抗氢性能要比铁素体钢好。钢的这种氢脆仅在,-120560,的温度范围内，进行慢速变形时才会产生，在,-3040,时脆性最明显。奥氏体不锈钢在高压氢中的性能：“奥氏体的稳定性和抗氢能力存在一定的关系。在温度较高时，氢在钢中的溶解度较大，如果温度降低的速度较快（如超过,40/,），因溶解度下降而从钢中析出来的氢来不及扩散逸出，以分子状态存在于钢的缺陷中，形成高压气泡。高压氢气泡使缺陷扩展，形成微裂纹，致使金属脆化。,氢进入钢中后，原子氢和分子氢能部分地与钢中微裂纹或气泡壁上的碳或碳化物反应生成甲烷：,2,2,Fe3C3Fe,CH,4,2,2,CH,4,4,CH,4,生成甲烷的反应过程是不可逆的。甲烷的分子体积较大，不能溶入钢中或向钢中扩散，而是被封闭在微隙中。微隙中的氢反应生成甲烷后，降低了微隙中的氢分压，致使固溶在钢中氢原子不断地向微隙中扩散，使生成甲烷的反应继续进行，直到钢中可能参加反应的碳和碳化物消耗殆尽后才会中止。聚集于微隙中的甲烷以及分子氢,会产生高达数千兆帕的局部高压，使微隙壁的金属承受巨大的应力，这就形成了甲烷空穴,裂纹源。从而严重地降低钢的力学性能，氢对钢的这种损伤，称为“氢腐蚀”。“氢腐蚀”是一种不可逆的化学过程，其危害性比钢的其它形式的氢脆严重得多。,我们通常讲钢的抗氢性能，主要是指钢的抗氢腐蚀性能，抗氢钢也主要是指抗氢腐蚀钢。,2.,常用抗氢钢,提高钢的抗氢性能的主要途径是：第一是尽量降低钢中的碳含量；第二是在钢中加入形成稳定的碳化物的合金元素,r,、,o,、,i,、,b,等，将固定于稳定的碳化物， 例如：,r23,6,、（,rMo,）,23C6,、,i,、,NbC,等中。,最常用的抗氢钢是：,o,钢和,r-,o,及奥氏体不锈钢。,18-8,型不锈钢奥氏体不锈钢本身含量很低，又因为钢中的,r23,6,对氢很稳定，因而,18-8,型奥氏体不锈钢的抗氢腐蚀性能比低合金,o,钢和,Cr-,o,钢更优，使用温度可更高。,为了获得更加优异的抗氢腐蚀性能，高压临氢阀门用的奥氏体不锈钢通常是采用加稳定化合金元素,Ti,或,Nb,的“稳定型不锈钢”,CF8C,、,F321,、,F347,或,ZG0Cr18Ni10Ti,。因为加入稳定化合金元素,Ti,或,Nb,后,稳定化合金元素会与,C,生成更加稳定的碳化物,(,TiC,或,NbC,),从而进一步地降低了,C,对钢抗氢腐蚀的不利影响。因此它的抗氢腐蚀性能比不含稳定化合金元素的奥氏体不锈钢更优异，其使用温度更高。,3.,高压加氢装置用阀门的氢腐蚀及抗氢钢,高压加氢装置的工况有,4,个最突出的特点，它就是：临氢、高压、高温及伴随硫化氢操作。,H,2,爆炸下限低,爆炸范围宽,:4.1%74.2%,与空气混合,遇明火就会发生爆炸。,3.1.,临氢,氢对金属的腐蚀,氢进入金属中能使金属产生脆性并丧失强度，这种现象称为：“金属的氢损伤”，也叫“氢脆”。金属中的氢有三种来源：第一是金属在熔炼、热处理等加工过程中，氢就进入了金属中，这种氢脆叫“内部氢脆”；第二是金属在酸洗、电镀和电化学腐蚀过程中，氢以离子形式进入了金属中，这种氢脆叫“电化学氢脆”；第三是金属直接在氢气或含氢气体中使用时，氢原子进入了金属中，这种氢脆叫“环境氢脆”。 氢气处于分子状态时，由于分子状态,2,体积大，因此,氢通常不能进入金属的内部。气体氢只有从分子状态离解成原子态后，才可能进入金属中。,2,2,435KJ,分子氢离解为原子氢的离解度受温度的影响很大，在氢压力较低时，在,200,以下氢分子离解为氢原子的量可以忽略不计。氢在奥氏体钢中的溶解度要比在铁素体钢中大得多，因此，奥氏体钢的抗氢性能要比铁素体钢好。钢的这种氢脆仅在,-120560,的温度范围内，进行慢速变形时才会产生，在,-3040,时脆性最明显。,奥氏体的稳定性和抗氢能力存在一定的关系，表,1,列举各种奥氏体钢的有关数据，包括有切口和无切口性能。这类钢受氢影响使性能降低的程度远比马氏体和沉淀硬化钢为低,特别是强度的降低。,表,1,高压氢对奥氏体钢的影响,合金,（,AISI,）,屈服强度,MPa,抗拉强度极限,值的降低,%,断面收缩率,(RA),的减少,%,见参考,文献,无切口,有切口,无切口,有切口,304L,200,11,13,59,52,1,2,316,215,0,0,0,0,1, 2,321,220,0,12,10,64,6,347,460,-,0,9,0,9,7,注：,321,和,347,型系在气体压力为,34.5MPa,下试验获得的数,据，其余的压力为,69MPa,。,数据系指冷变形过的材料,(,见参考文献,),在温度较高时，氢在钢中的溶解度较大，如果温度降低的速度较快（如超过,40/,），因溶解度下降而从钢中析出来的氢来不及扩散逸出，以分子状态存在于钢的缺陷中，形成高压气泡。高压氢气泡使缺陷扩展，形成微裂纹，致使金属脆化。,氢进入钢中后，原子氢和分子氢能部分地与钢中微裂纹或气泡壁上的碳或碳化物反应生成甲烷：,2,2,Fe,3,C3Fe,CH,4,2,2,CH,4,4,CH,4,生成甲烷的反应过程是不可逆的。甲烷的分子体积较大，不能溶入钢中或向钢中扩散，而是被封闭在微隙中。微隙中的氢反应生成甲烷后，降低了微隙中的氢分压，致使固溶在钢中氢原子不断地向微隙中扩散，使生成甲烷的反应继续进行，直到钢中可能参加反应的碳和碳化物消耗殆尽后才会中止。聚集于微隙中的甲烷以及分子氢,会产生高达数千兆帕的局部高压，使微隙壁的金属承受巨大的应力，这就形成了甲烷空穴,裂纹源。从而严重地降低钢的力学性能，氢对钢的这种损伤，称为“氢腐蚀”。“氢腐蚀”是一种不可逆的化学过程，其危害性比钢的其它形式的氢脆严重得多。,我们通常讲钢的抗氢性能，主要是指钢的抗氢腐蚀性能，抗氢钢也主要是指抗氢腐蚀钢。,3.2,常用抗氢钢,提高钢的抗氢性能的主要途径是：第一是尽量降低钢中的碳含量；第二是在钢中加入形成稳定的碳化物的合金元素,r,、,o,、,i,、,b,等，将固定于稳定的碳化物， 例如：,r,23,6,、（,rMo,）,23,C,6,、,i,、,NbC,等中。,最常用的抗氢钢是：,o,钢和,r-,o,及奥氏体不锈钢。,18-8,型不锈钢奥氏体不锈钢本身含量很低，又因为钢中的,r,23,6,对氢很稳定，因而,18-8,型奥氏体不锈钢的抗氢腐蚀性能比低合金,o,钢和,Cr-,o,钢更优，使用温度可更高。,为了获得更加优异的抗氢腐蚀性能，高压临氢阀门用的奥氏体不锈钢通常是采用加稳定化合金元素,Nb,或,Ti,的“稳定型不锈钢”,F321,、,F347,、,CF8C,或,ZG08Cr18Ni10Ti,。因为加入稳定化合金元素,Nb,或,Ti,后,稳定化合金元素会与,C,生成更加稳定的碳化物,(,NbC,或,TiC,),从而进一步地降低了,C,对钢抗氢腐蚀的不利影响。因此它的抗氢腐蚀性能比不含稳定化合金元素的奥氏体不锈钢更优异，其使用温度更高。,4.,石油加工中硫化物等酸性腐蚀,4.1.,硫化物的腐蚀,在石油加工中,原油的腐蚀性并不完全取决于总硫含量,而实际上取决于其中活性硫化物,(,如硫醇,硫醚等,),的含量。原油中活性硫化物愈高,那么在热作用下析出的硫化氢愈多。因而对设备材料的腐蚀性就愈强,反之则愈弱。,原油中的,S,可按对金属作用的不同分为活性硫和非活性硫化物。原油中非活性硫在,115,120,已开始有硫化氢形成,至,250,左右硫化氢形成加剧,在,350,460,时达到最强烈。此外,原油中硫化物热分解反应单靠热作用是不够的,还与所接触的金属引起的催化作用大小有关。其机理是原油中戊硫醇吸附于金属或硫化铁皮表面上,结合力弱的,S-H,被切断而产生游离基,进而由于硫醇盐基的连锁反应而产生硫化氢。,硫化物热分解出的硫化氢及其所含的游离硫，在高温下对钢产生腐蚀。硫化氢对铁的腐蚀在,260,以上加快，生成,FeS,和,H,2,。,反应式如下,:,Fe+SFeS,Fe+H,2,SFeS+H,2,RCH,2,SH+FeFeS+RCH,3,硫化铁锈皮的形成，会阻碍,H,2,S,接触母材,减缓腐蚀速度；而当氢气和硫化氢共存时,则腐蚀速度加快。因为在高温硫化时所形成的硫化铁皮表层中氢作为间隙型质子而侵入。原子氢能不断侵入硫化物的垢层中,造成垢层疏松多孔,使,H,2,S,介质扩散渗透。另一方面, H,2,S,的存在会阻止氢原子再结合成,H,2,使溶解在钢中的原子氢浓度增大到,10g/g,以上,(,一般为,2,6g/g),容易造成钢材的氢脆开裂。,单纯含,Ni,的或以,Ni,为基础的钢与合金是不耐硫化的，这是因为,Ni,在,630,下的硫化与,S,2,气体分压的平方根成比例。即,S,2,分子的离解吸附的表面反应过程作为主要支配环节，所以