通用阀门材料讲解

1目录序第一篇通用阀门材料前言第一章钢制阀门主体和内件材料第1.1节钢制阀门的主体材料第1.2节钢制阀门的内件材料第1.3节焊接材料第1.4节垫片第1.5节填料第1.6节紧固件第二章铸铁阀门和铜合金阀门第2.1节铸铁阀门的主体材料第2.2节铸铁阀门其它零件材料第2.3节铜合金阀门主要零件材料第二篇常用阀门材料牌号索引第三篇国内外阀门材料常用技术标准2第一篇通用阀门材料前言阀门是管路附件中十分重要的装置，根据不同的阀门类型和结构，它的功能是接通或截断流体通路、改变流体方向、调节流体的流量和压力、阻止流体倒流以及释放过剩压力等。为了保证阀门能有效的实现这些功能，必须满足许多条件。例如选择合适的阀门类型、结构、材料等。其中材料的选择是保证阀门使用功能的关键因素之一。由于各工业领域的特性不同，至使流体的温度、压力、物理化学性质等均有各自的特点，从而使阀门材料的选择十分复杂。可供制造阀门零件的材料，包括各种铸铁、钢材、有色金属及其合金，各种非金属材料等等。为了减少供应和储备上的困难，在一定范围内使用的通用阀门材料已有了标准化的规定。例如JB/T5300《通用阀门材料》、SH3064《石油化工钢制通用阀门选用、检验及验收》中对通用阀门的主要零件应选用何种牌号材料作了具体规定，某些产品标准中根据产品的适用条件对一些阀门零件应选用何种类型的材料作了原则的规定。但是工业生产的各个领域其工况条件、介质特性十分复杂，对于特殊工况条件，阀门材料的选择还必须与用户的使用经验相结合或通过试验、验证，确定合适的材料。由于各工业领域的特殊性以及考虑流体的温度、压力、特性、腐蚀以及材料的资源、制造的工艺性等情况，所以材料的选择原则总的有三个方面，即：满足使用功能的要求，有良好的工艺性（冷、热加工性能），有良好的经济性。经济性即是要用尽可能低的成本制造出符合阀门功能的产品。以上三个原则中满足使用功能要求是主要的，也就是说工艺性和经济性要服从使用功能的要求，在保证使用功能的前提下力求有良好的工艺性和经济性。十全十美的材料是没有的。因此，选择材料要根据具体情况综合考虑，解决主要矛盾。3第一章钢制阀门主体和内件材料阀门的主体是指承受介质压力的阀体、阀盖（或端盖）、闸板（或阀瓣）。其中，阀体和阀盖（端盖）是承受介质的承压件，闸板（阀瓣）是控制介质流动的控压件。内件是指接触介质的阀杆和闸板(阀瓣)、阀座两者的密封面。承压件的定义是：一旦它们失效，其所包容的介质会释放到大气中的零件。因此，所用的材料必须能在规定的介质温度、压力作用下达到相应的力学性能、耐腐蚀性和良好的冷、热加工工艺性。大多数阀门的阀体、阀盖（端盖）、闸板（阀瓣）形状比较复杂，因此采用铸件较多，只有某些小口径阀门根据阀类的不同或特殊工况的要求采用锻件。第一节钢制阀门的主体材料1、碳素钢碳素钢适用于非腐蚀性介质，在某些特定的条件下，例如某些有腐蚀性的介质在一定范围内的温度浓度条件下也可采用碳素钢。碳素钢的适用温度范围：-29~425℃。中石化标准SH3064《石油化工钢制通用阀门选用、检验及验收》规定碳素钢制阀门的适用温度范围为-20~425℃，其下限定为-20℃的依据是GB150《钢制压力容器》。但当以WCB、WCC这两种钢作阀体、阀盖、闸板（阀瓣）、支架时，这两种钢的适用温度下限为-29℃。常用的碳素钢铸件和锻件材料见表1-1。常用的碳素钢铸件、锻件材料表1-1材料状态国别标准号材料牌号铸件中国GB/T12229WCAWCBWCCZG205-415ZG250-485ZG275-485美国ASTMA216WCAWCBWCCUNSJ02502UNSJ03002UNSJ02503锻件中国GB/T6992525Mn35404美国ASTMA105注：（1）表1中WCA、WCB、WCC是按美国标准表示的牌号，ZG205-415、ZG250-485、ZG275-485是按GB/T5631铸钢牌号表示方法分别对应WCA、WCB、WCC的牌号。UNSJ02502、UNSJ03002、UNSJ02503是以美国金属与合金统一系统编号方法，分别对应WCA、WCB、WCC的牌号。（2）表1中最常用的是WCB钢，其标准含碳量≤0.30%，但为了获得优良的焊接性能和力学性能，其含碳量应控制在0.25%左右。（3）残留元素Cr、Ni、Mo、V、Cu也是必须控制并达标，其残留元素总量应≤1%，但有碳当量（CE）要求时此条不适用。（4）当阀门的连接端为焊连接时必须控制碳总量。ASTMA216补充要求中规定了使用于不同场合的碳素钢铸件碳当量的要求。但不同的产品标准根据其工况条件，对碳当量的要求也不同，如API6D则要求炉前分析CE≤0.43，成品分析CE≤0.45。同样为了保证焊接性能API6D对焊接端的碳素钢铸件含碳量也作了规定，炉前分析CE≤0.23%，成品分析CE≤0.25%。（5）ASTMA105并不是我国的25号钢或25Mn钢，虽然其主要化学成分相当于我国的25Mn钢，但ASTMA105对杂质元素Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb的控制以及C、Mn含量的关系和材料的热处理都有控制要求。（6）锻钢阀门是否需要进行材料的力学性能检测是根据产品设计要求决定的，对于低碳钢只要化学成分合格，正火的热处理工艺正确，其力学性能就一定的，不像中碳钢和高碳钢可以按淬火后的不同回火温度得到不同的力学性能。对于锻造高压阀门如PN16.0MPa、PN32.0MPa或更高压力的锻钢阀同设计决定采用的材料应达到的力学性能。根据所要求的力学性能确定回火温度以达到材料的性能符合设计要求。2、不锈钢2.1奥氏体不锈钢阀门中常用的不锈钢是奥氏体不锈钢，适用温度范围很广，低温可用于-296℃（液氦），高温可达到816℃，常用的温度范围为-196℃（液氮）至700℃。奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性、高温抗氧化性和耐低温性能。因此，奥氏体不锈钢广泛用于制作耐腐蚀阀门、高温阀门和低温阀门。奥氏体不锈钢的耐腐蚀性是相对的，不是什么样的腐蚀介质它都能承受。金属的腐蚀现象或所谓的耐腐蚀性是根据腐蚀性介质的种类、浓度、温度、压力、流速等环境条件，以及金属本身的性质，即含有成分、加工性、热处理等诸因素的差异而分别有不同的腐蚀状态和腐蚀速度。例如不锈钢具有优良的耐腐蚀性能，可是因为腐蚀环境或使用条件的不同，也可能发生意想不到的腐蚀破坏事故。因此，应充分地了解腐蚀介质和耐腐蚀材料，才能选择合适的耐腐蚀材料。2.1.1金属的腐蚀形态金属的腐蚀形态可分为两大类：均匀（全面）腐蚀和局部腐蚀，均匀（全面）腐蚀包括全面5成膜腐蚀和无膜腐蚀。（1）全面成膜腐蚀：腐蚀在金属的全部或大部分面积上进行，而且生成保护膜，具有保护性。例如：碳素钢在稀硫酸中腐蚀很快，当硫酸浓度大于50%时，腐蚀率达到最大值，此后浓度再继续增大腐蚀率反而下降。这是由于浓硫酸的强氧化性，在钢铁的表面生成一层组织致密的钝化膜，这种钝化膜不溶于浓硫酸，从而起到了阻碍腐蚀作用。（2）无膜腐蚀：无膜全面腐蚀很危险，因为它保持一定速度全面进行腐蚀。（3）局部腐蚀：局部腐蚀的形态有十三种，如缝隙腐蚀、脱层腐蚀、晶间腐蚀与应力腐蚀等等。据调查，化工装置中局部腐蚀约占70%。在诸多局部腐蚀的形态中与阀门制造有关且常见的是晶间腐蚀。一般对均匀腐蚀的程度用腐蚀率表示，但如何评价则有不同规定。按《石油化工企业管道设计器材选用通则》规定，介质对金属材料的腐蚀速率，管道金属材料的耐腐蚀能力可分为下列四类：年腐蚀率不超过0.05mm的材料为充分耐腐蚀性材料；年腐蚀率在0.05~0.1mm的材料为耐腐蚀性材料；年腐蚀率在0.1~0.5mm的材料为尚耐腐蚀性材料；年腐蚀率超过0.5mm的材料为不耐腐蚀性材料。《腐蚀数据手册》对均匀（全面）腐蚀的耐蚀性用均匀腐蚀率来评价，见表1-2。耐蚀性能的评价表1-2腐蚀率，mm/a评价0.05优良0.05~0.5良好0.5~1.5可用，但腐蚀较重1.5不适用，腐蚀严重据《金属防腐蚀手册》（中国腐蚀与防护学会）对金属材料耐腐蚀性规定见表1-3。金属材料耐腐蚀性的10级标准表1-3耐蚀等级12345678910腐蚀率，mm/a0.0010.001~0.0050.005~0.010.01~0.050.05~0.10.1~0.50.5~1.01.0~5.05.0~10.010耐蚀性类别完全耐蚀很耐蚀耐蚀尚耐蚀欠耐蚀不耐蚀（4）晶间腐蚀：局部地沿着结晶粒子边界向深度方向腐蚀的形式称晶间腐蚀。这种腐蚀，外面看不出腐蚀迹象。严重的晶间腐蚀可以穿过整个机体厚度。产生晶间腐蚀的原因是由于沿晶粒边界析出碳化铬Cr23C6或FeCr化合物——称σ相，使6晶界周围贫格，在适合的腐蚀介质（产生晶间腐蚀的介质）中，就形成碳化铬（阴极）——贫铬区（阳级）电池，使晶界贫铬区产生腐蚀。由上述可看出晶间腐蚀是有条件的。其内因是必须有碳化铬或σ相沿晶界析出使晶界贫铬。其外因是必须有腐蚀贫铬区的介质。水和一些中性溶液并不腐蚀贫铬区，所以即使存在贫铬区也不会产生晶间腐蚀。如果晶界不贫铬，即使有产生晶间腐蚀的介质也不会产生晶间腐蚀。所以产生晶间腐蚀的内因、外因缺一不可。产生贫铬的原因：一是钢水化学成分不合格，如碳高、铬低或含钛、铌的不锈钢中碳钛比或碳铌比不够。二是热处理工艺不正确或焊接或加工时加热至碳化物析出温度，而在900℃至400℃冷却速度不够快而析出碳化物造成贫铬。2.1.2控制晶间腐蚀的方法控制奥氏体不锈钢晶间腐蚀有三种方法：（1）执行正确的热处理工艺，将钢加热至1100℃水淬（急冷）使碳化物向固溶体中溶解；（2）加入固定碳的元素钛或铌；（3）采用含碳量≤0.03%的超低碳不锈钢。2.1.3晶间腐蚀检验晶间腐蚀检验的前提是试样的化学成分合格并经固溶处理。晶间腐蚀检验用的试片是80×18×3（长×宽×厚），上下两平面磨至Ra0.8的薄片，并分为敏化状态试片和交货产品状态试片两种。敏化试片：将试片在650℃下加热，保温2小时（压力加工件）或1小时（铸件）空冷。之所以在650℃加热是因为奥氏体不锈钢在500~700℃碳化铬最易沿晶界析出造成晶界贫铬从而在产生晶间腐蚀的介质中发生晶间腐蚀。交货产品试片：即试片经固溶处理，实际上是和铸件一同处理的试样上取下来的试片。判别：试片在酸中浸泡后弯曲90°（铸件）或180°（锻件）若有裂纹则不合格。不合格时铸件要重新处理，然后再作试验，但固溶处理的次数不得超过两次。奥氏体不锈钢的晶间腐蚀是很严重的，因此一定要按合同要求或按执行的标准来生产不锈钢阀门。常用奥氏体不锈钢铸件、锻件材料见表1-4。2.1.4奥氏体不锈钢作高温钢用高温是指温度超过350℃以上，高温用钢是指在高温下具有较高强度的钢材。在石油化工装置里，高温并伴有腐蚀的场合就必须使用既耐高温又耐腐蚀的材料。不锈钢18Cr—8Ni～25Cr—20Ni的高温强度高，特别是18—8Ti～18—8Nb等合金元素影响更为优越。一般在没有耐腐蚀性7问题的场合，在规定范围内，含碳量高的不锈钢，其高温强度也高。若在18—8钢内添加Mo、Nb、Ti等元素可强化基体Nb、Ti则形成碳化物，从而可改善高温强度。具体何种牌号的不锈钢其最高使用的温度值，要查材料的温压表。2.2马氏体不锈钢马氏体不锈钢是一种铬不锈钢，其金相组织为马氏体，可通过热处理进行强化，具有良好的力学性能和高温抗氧化性。该钢种在大气、水和弱腐蚀介质如加盐水溶液、稀硝酸及某些浓度不高的有机酸，在温度不高的情况下均有良好的耐腐蚀性。但该钢种不耐强酸如硫酸、盐酸、浓硝酸等的腐蚀，常用于水、蒸汽、油品等弱腐蚀性介质。由于铬不锈钢可通过热处理强化，因此为了避免强度过高产生脆性，应采用正确的热处理工艺。如ASTMA217CA15规定其最低回火温度为595℃。常用马氏体不锈钢铸件、锻件材料见表1-5。2.3奥氏体——铁素体双相不锈钢双相不锈钢耐应力腐蚀破坏性好，适用于含氯离子环境的腐蚀，并具有较高的强度，常用于化肥、炼油、海上采油、海水淡化等工况条件。目前制造阀门主体（承压件）的双相不锈钢材料大多采用美国材料，常用的奥氏