上海申弘閥門有限公司
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石化特材閥門選材分析 |
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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(qiáng)的特點(diǎn)，工況復(fù)雜苛刻，操作溫度和壓力較高，閥門一旦出現(xiàn)故障，輕者導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，重者導(dǎo)致裝置停工停產(chǎn)，甚至造成惡性事故。所以，科學(xué)合理地選擇閥門既能降低裝置的建設(shè)費(fèi)用，又保證生產(chǎn)安全運(yùn)行。今天，我們來(lái)講講閥門的選型！閥門選型的要點(diǎn)設(shè)計(jì)在石化工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為常見(jiàn),要設(shè)計(jì)低溫管道的選材及配管,需要先了解設(shè)計(jì)管路需要的介質(zhì)及工況,在了解介質(zhì)的低溫特性,結(jié)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(duì)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(dāng)?shù)臈l件下,設(shè)計(jì)出一套完善且順利操作的低溫管路系統(tǒng).結(jié)合工作中參與的設(shè)計(jì)項(xiàng)目,通過(guò)低溫儲(chǔ)罐接收裝置的設(shè)計(jì)實(shí)踐,簡(jiǎn)單闡述下石化特材閥門選材分析的選材及設(shè)計(jì)安裝的注意事項(xiàng).
1、明確閥門在設(shè)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(shè)計(jì)者對(duì)整個(gè)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(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先掌握每種閥門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(guò)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(jià)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(zhǎng)期可靠地運(yùn)行，或使用條件荷刻、溫度較高的場(chǎng)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(xué)性能（腐蝕性）外，還應(yīng)掌握介質(zhì)的清潔程度（有無(wú)固體顆粒），除此之外，還要參照國(guó)家和使用部門的有關(guān)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(yīng)用越來(lái)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(jī)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(duì)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(guò)程中起著承載扭矩和開(kāi)啟閥門的重要作用 。 因此在選擇閥桿材料時(shí)，必須保證它在規(guī)定的溫度(500℃)下有足夠的強(qiáng)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(shí)還應(yīng)注意材料的機(jī)械加工性能和熱處理性能。在海洋應(yīng)用中，選取何種材料，不僅要考慮材料的力學(xué)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?yàn)椋鸿T鐵-碳鋼-不銹鋼，密封圈材料選用順序?yàn)椋合鹉z-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(jī)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(biāo)準(zhǔn)中CF8、CF8M、CF3、CF3M、CF8C、CD-4MCu和CN7M等，其對(duì)應(yīng)的軋材分別為ASTM A182標(biāo)準(zhǔn)中的F304、F316、F304L、F316L、F347、F53及美國(guó)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(guó)等國(guó)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(yīng)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(qiáng)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(yīng)用于在氧化和還原的強(qiáng)酸工況中，在有氯的環(huán)境中有特殊的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)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(wú)對(duì)應(yīng)的軋材，英康乃爾合金的軋材為Inconel600和Inconel625等。
蒙乃爾合金（Monel）具有較高的強(qiáng)度和韌性，特別是具有優(yōu)異的抗還原酸及強(qiáng)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(shè)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(hào)為MM，內(nèi)件是蒙乃爾合金的閥門，殼體為碳素鋼時(shí)閥門材料代號(hào)為C/M、殼體為CF8時(shí)閥門材料代號(hào)為P/M、殼體為CF8M時(shí)閥門材料代號(hào)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(xué)成分為95%Ni和1100%C，其無(wú)對(duì)應(yīng)的軋材。當(dāng)CZ-100用于高溫高濃度或無(wú)水堿溶液中時(shí)，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(wú)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(chǎng)合。鑄鎳合金CZ-100閥門的材料代號(hào)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(yīng)力腐蝕，尤其適用于高濃度的氯化物介質(zhì)，當(dāng)Ni含量≥45%時(shí)，對(duì)氯化物的應(yīng)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(dòng)力工廠的鍋爐給水系統(tǒng)的部件，因?yàn)樗炔讳P鋼的安全性更高。同時(shí)，它還適用于需要高強(qiáng)度、高壓密封的高抗蝕性能，以及在高溫下具有抗機(jī)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(hào)）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(hào)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(hào)，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(hào)在ASTM A494標(biāo)準(zhǔn)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(hào)為ASTM B335標(biāo)準(zhǔn)中的UNS N10665。哈氏合金B(yǎng)對(duì)各種濃度的鹽酸均耐蝕，對(duì)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(jí)的哈氏合金B(yǎng)（N-7M）。哈氏合金的材質(zhì)代號(hào)閥門行業(yè)尚無(wú)規(guī)定，哈氏合金B(yǎng)閥門的材質(zhì)代號(hào)，可直接用其鑄造合金牌號(hào)來(lái)表示。哈氏合金B(yǎng)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(biāo)準(zhǔn)中的WC6、WC9和C5（ZG1Cr5Mo），其對(duì)應(yīng)的軋材分別為ASTM A182中的F11、F22和F5。
（1）低鉻級(jí)鉻-鉬鋼 低鉻級(jí)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(shí)，其最高工作溫度為600℃。用于含硫油品等工作介質(zhì)時(shí)，其最高工作溫度為550℃。因此，規(guī)定C5（ZG1Cr5Mo）的工作溫度為≤550℃。
鈦（Ti）具有強(qiáng)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(duì)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(shè)計(jì)選用時(shí)應(yīng)對(duì)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(qiáng)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(diǎn)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(dāng)NO2含量超過(guò)2%而含水量不足時(shí)，鈦與發(fā)煙硝酸反應(yīng)會(huì)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(rèn)為，工業(yè)純鈦可用于室溫時(shí)濃度7.5%、60℃時(shí)濃度3%及100℃時(shí)濃度0.5%的鹽酸中，鈦還可用于35℃時(shí)濃度30%、60℃時(shí)濃度10%及100℃時(shí)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。
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