石化特材阀门选材分析

化工生产装置中的介质大多具有毒性大、可燃、易爆和腐蚀性强的特点，工况复杂苛刻，操作温度和压力较高，阀门一旦出现故障，轻者导致介质泄漏，重者导致装置停工停产，甚至造成恶性事故。所以，科学合理地选择阀门既能降低装置的建设费用，又保证生产安全运行。今天，我们来讲讲阀门的选型！阀门选型的要点设计在石化工程设计中应用较为常见,要设计低温管道的选材及配管,需要先了解设计管路需要的介质及工况,在了解介质的低温特性,结合管路所处的工作温度及工作压力等条件,考虑到管道材料遇冷的脆性,对防止外界热量的传入和不可避免气化产生的气体的处理得当的条件下,设计出一套完善且顺利操作的低温管路系统.结合工作中参与的设计项目,通过低温储罐接收装置的设计实践,简单阐述下石化特材阀门选材分析的选材及设计安装的注意事项.

1、明确阀门在设备或装置中的用途

确定阀门的工作条件：适用介质的性质、工作压力、工作温度和操纵控制方式等。

2、正确选择阀门的类型

阀门型式的正确选择是以设计者对整个生产工艺流程、操作工况的充分掌握为先决条件的，在选择阀门类型时，设计人员应首先掌握每种阀门的结构特点和性能。

3、确定阀门的端部连接

在螺纹连接、法兰连接、焊接端部连接中，前两种。螺纹连接的阀门主要是公称通径在50mm以下的阀门，如果通径尺寸过大，连接部的安装和密封十分困难。

法兰连接的阀门，其安装和拆卸都比较方便，但是较螺纹连接的阀门笨重，价格较高，故它适用于各种通径和压力的管道连接。

焊接连接适用于较荷刻的条件下，比法兰连接更为可靠。但是焊接连接的阀门拆卸和重新安装都比较困难，所以它的使用仅限于通常能长期可靠地运行，或使用条件荷刻、温度较高的场合。

4、石化特材阀门选材分析阀门材质的选择

选择阀门的壳体、内件和密封面的材质，除了考虑工作介质的物理性能（温度、压力）和化学性能（腐蚀性）外，还应掌握介质的清洁程度（有无固体颗粒），除此之外，还要参照国家和使用部门的有关规定。

随着石油、化工和核电等产业迅速发展，阀门的需求也不断增加，特别是耐腐蚀不锈钢阀门的应用越来越广泛，其需求量也在不断增加。通常不锈钢分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢等类型。其中沉淀硬化不锈钢具有较优良的机械性能和耐腐蚀性。目前，大型石化装备耐高温、高压和耐硫化氢腐蚀等参数的提高，对阀门阀杆材料也提出了更高的要求。阀杆是主承压件，在使用过程中起着承载扭矩和开启阀门的重要作用 。

因此在选择阀杆材料时，必须保证它在规定的温度(500℃)下有足够的强度、良好的冲击韧性、抗擦伤性、耐腐蚀性。阀杆是易损件，在选用时还应注意材料的机械加工性能和热处理性能。在海洋应用中，选取何种材料，不仅要考虑材料的力学性能、耐海水腐蚀性能、工艺性能，而且还要考虑材料成本和可获得性。正确合理的选择阀门的材质可以获得阀门的使用寿命和最佳的使用性能。阀体材料选用顺序为：铸铁-碳钢-不锈钢，密封圈材料选用顺序为：橡胶-铜-合金钢-F4。

1、 石化特材阀门选材分析不锈耐酸钢

      不锈耐酸钢是指用于石化及化工、化肥行业中抗硝酸、硫酸、醋酸及有机酸等耐腐蚀性的铬镍或铬镍钼不锈耐酸钢。不锈耐酸钢铸钢主要是采用ASTM A743或ASTM A744标准中CF8、CF8M、CF3、CF3M、CF8C、CD-4MCu和CN7M等，其对应的轧材分别为ASTM A182标准中的F304、F316、F304L、F316L、F347、F53及美国UNS N08020。

（1）Cr-Ni不锈钢 Cr-Ni类不锈耐酸钢有CF8、CF3、F304、F304L、CF8C和F347，其适用于工作介质为硝酸等氧化性酸。其最高工作温度≤200℃。

（2）Cr-Ni-Mo不锈钢 Cr-Ni-Mo类不锈耐酸钢有CF8M、CF3M、F316和F316L，其适用于工作介质为醋酸等还原性酸。CF8M，CF3M等可以代替CF8和CF3，但CF8、CF3不能代替CF8M和CF3M。所以，美国等国家不锈耐酸钢阀门主要用CF8M、CF3M，其最高工作温度≤200℃。

（3）CN7M合金 CN7M合金具有较好的全面耐蚀性，它广泛地应用于苛刻的腐蚀条件下，包括硫酸、硝酸、氢氟酸和稀盐酸、苛性碱、海水及热的氯化物盐溶液等，特别是可用于各种浓度和温度≤70℃范围的硫酸中。CN7M和UNS N08020合金使用温度为-29～450℃。

（4）双相不锈钢 双相不锈耐蚀钢（表1）为沉淀硬化不锈钢，它们是在铁素体的基体中含35%～40%的奥氏体，其屈服强度约为19Cr-9Ni奥氏体不锈钢的2倍，并具有高硬度及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工作条件下使用，因而广泛地应用于在氧化和还原的强酸工况中，在有氯的环境中有特殊的抗应力腐蚀开裂的性能。CD-4MCu、CD3MN、CE3MN和F53双相不锈钢使用温度为-29～316℃。

2、石化特材阀门选材分析 耐蚀镍基合金

      耐蚀镍基合金阀门主要是选用ASTMA494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）、哈氏合金B（N-12MV、N-7M）及哈氏合金C（CW-12MW、CW-7M、CW-6MC、CW-2M）。

      用于耐蚀蒙乃尔合金阀门的蒙乃尔合金轧材主要为UNS N04400（Monel 400）和UNSN 05500（Monel K500）。铸镍合金无对应的轧材，英康乃尔合金的轧材为Inconel600和Inconel625等。

（1）石化特材阀门选材分析蒙乃尔合金

      蒙乃尔合金（Monel）具有较高的强度和韧性，特别是具有优异的抗还原酸及强碱介质和海水等腐蚀的性能。因此，通常用于制造输送氢氟酸、盐水、中性介质、碱盐及还原性酸等介质的设备和阀门，也适用于干燥氯气、氯化氢气、425℃高温氯气及450℃高温氯化氢气等介质，但不抗含硫介质和氧化性介质（如硝酸及含氧高的介质）的腐蚀。整体是蒙乃尔合金的阀门材料代号为MM，内件是蒙乃尔合金的阀门，壳体为碳素钢时阀门材料代号为C/M、壳体为CF8时阀门材料代号为P/M、壳体为CF8M时阀门材料代号为R/M。蒙乃尔合金M35-1、Monel400和MonelK500合金的适宜工作温度为-29～40℃。

（2）石化特材阀门选材分析铸镍合金

      铸镍合金（CZ-100）的化学成分为95%Ni和1100%C，其无对应的轧材。当CZ-100用于高温高浓度或无水碱溶液中时，具有优异的耐蚀性能。CZ-100常用于在高腐蚀浓度（包括熔融无水苛性钠）的氯碱生产中以及用于不能有铜和铁等金属污染产品的场合。铸镍合金CZ-100阀门的材料代号为Ni。CZ-100合金适宜工作温度为-29～316℃。

（3）石化特材阀门选材分析英康乃尔合金

      英康乃尔合金（Inconel）CY-40和Inconel 600（ASTM B564 N06600）等主要用于抗应力腐蚀，尤其适用于高浓度的氯化物介质，当Ni含量≥45%时，对氯化物的应力腐蚀具有“免疫”效果。此外，它还能抗沸浓硝酸、发烟硝酸、含硫和钒的高温气体及燃烧物的腐蚀。Inconel合金已广泛用于制造核动力工厂的锅炉给水系统的部件，因为它比不锈钢的安全性更高。同时，它还适用于需要高强度、高压密封的高抗蚀性能，以及在高温下具有抗机械磨损和抗氧化能力的工业生产中。如大化肥厂用Inconel 600或Inconel 625合金（为哈氏合金CW-6MC的轧材牌号）制造高压（600～1500LB）高浓度氧气阀门等。CY-40和Inconel600合金阀门的材料代号为In。适宜工作温度为-29～650℃。

（4）石化特材阀门选材分析哈氏合金

      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。

      哈氏合金B（Hastelloy B）的铸造合金牌号在ASTM A494标准中为N-12MV（N-12M-1）及N-7M（有的资料称之为N-12M-2，也称它为Chlorimet 2合金），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）。哈氏合金的材质代号阀门行业尚无规定，哈氏合金B阀门的材质代号，可直接用其铸造合金牌号来表示。哈氏合金B适宜工作温度为-29℃～425℃。

      哈氏合金C（Hastelloy C）的铸造合金牌号为CW-12MW（有的资料称之为CW-12M-1）和CW-7M（CW-12M-2，也称它为Chlorimet3合金）及HastelloyC-27金，其铸造合金牌号为CW-6MC和HastelloyC-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和CW-2M其对应的轧材牌号分别是UNS N10001、UNS N10003、UNSN10276和UNS N06455。哈氏合金C对氧化性溶剂、低浓度常温的盐酸和硝酸耐腐蚀。第一代Hastelloy C（0Cr16Ni60Mo16W4）的特点是在强腐蚀的氧化性和还原性酸介质中，具有优良的耐蚀性能，但由于高镍耐蚀合金为奥氏体组织，因为Ni降低了C在奥氏体中的固溶度等原因。所以，Ni-Mo系HastelloyB和Ni-Mo-Cr系的HastelloyC合金均存在较严重的晶间腐蚀倾向或敏感性，在高温时还会导致应力腐蚀和缝隙腐蚀。为了克服晶间腐蚀，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，其特点是低Si（Si≤0108%）和超微C（C≤01015%），并降低了Fe和W的含量，加入了稳定化的合金元素Ti等。哈氏合金C的耐蚀阀门，从耐蚀性及抗晶间腐蚀性考虑，宜选用哈氏合金C-276（CW-6MC）及哈氏合金C-4（CW-2M）。哈氏合金C阀门的材料代号多，且性能和工作温度差别大，所以CW-12MW、CW-7M、CW-6MC和CW-2M分别用HC-12、HC-7、HC-276和HC-4表示，或直接用其铸造合金牌号来表示。哈氏合金CW-7M和UNSN10001合金的适宜工作温度为-29～425℃，哈氏合金CW-12MW和UNSN10003合金的适宜工作温度为-29～700℃，哈氏合金CW-6MC和UNSN1027金的适宜工作温度为-29～676℃，哈氏合金CW-2M和UNSN06455合金的适宜工作温度为-29～425℃。

3、 铬-钼系高温钢

      阀门选用的Cr-Mo高温铸钢主要是采用ASTM A217标准中的WC6、WC9和C5（ZG1Cr5Mo），其对应的轧材分别为ASTM A182中的F11、F22和F5。

（1）低铬级铬-钼钢 低铬级铬-钼钢有WC6、WC9、F11和F22，其适用的工作介质为水、蒸汽和氢气，不宜用于含硫油品。WC6和F11适宜工作温度为-29～540℃，WC9和F22适宜工作温度为-29～570℃。

（2）铬五钼高温钢 铬五钼高温钢有C5（ZG1Cr5Mo）和F5，其适用的工作介质为水、蒸汽、氢气和含硫油品等。C5（ZG1Cr5Mo）如果用于水蒸汽时，其最高工作温度为600℃。用于含硫油品等工作介质时，其最高工作温度为550℃。因此，规定C5（ZG1Cr5Mo）的工作温度为≤550℃。

4、 钛合金

      钛（Ti）具有强度高，质量轻，足够高的抗热性和低温韧性及良好的加工性能和焊接性能。用于阀门生产中主要是铸造纯钛和锻造纯钛ZTA2。钛对腐蚀性介质因温度等工况的不同而表现出耐蚀、不耐蚀甚至起火、爆炸等。因此，订货和设计选用时应对使用介质的性质（浓度、温度等）给予明确的规定。

      钛材质的阀门在多种氧化性强腐蚀性介质和中性介质中具有优异的耐蚀性能。钛在沸点以下且浓度≤80%的硝酸中均具有优异的耐蚀性。而在发烟硝酸中当NO2含量超过2%而含水量不足时，钛与发烟硝酸反应会发生爆炸，因此，钛一般不用于含量80%以上的高温硝酸。钛在硫酸中不耐蚀，钛在盐酸中具有中等的耐蚀性。一般认为，工业纯钛可用于室温时浓度7.5%、60℃时浓度3%及100℃时浓度0.5%的盐酸中，钛还可用于35℃时浓度30%、60℃时浓度10%及100℃时浓度3%的磷酸中。钛在HF（氢氟酸）中不耐蚀，钛在酸性氟化物溶液中也不耐蚀，钛在硼酸和铬酸中耐蚀，中可以使用。钛可用于60℃ 10%硫酸和90%硝酸的混酸，沸腾的1%盐酸和5%硝酸的混酸以及室温王水（注：王水是3体积的浓盐酸和1体积的浓硝酸的混合物）中。钛在室温下各种浓度的氢氧化钡、氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化钠和氢氧化钾溶液中*耐蚀，但不能用于沸腾的氢氧化钠和氢氧化钾中。

碱中含氨会加剧钛的腐蚀。钛在自来水、河水和空气中最高工作温度为300℃。钛可用于海水中最高流速达20m/s，钛在温度≤120℃海水中有很高的耐蚀性，若温度高于120℃，可能会产生点腐蚀和缝隙腐蚀。钛除了蚁酸、草酸和较浓的柠檬酸（浓度≥50%）外，钛对所有的有机酸均具有优异的耐蚀性，但有机酸中含水量过低（<011%）时钛易发生点腐蚀。钛在碳氢化合物和氯化碳氢化合物中有优异的耐蚀性。钛在干氯气中能发生剧烈反应生成TiCl4，并有着火的危险，但钛在湿氯（含水量在013～115%）中具有很好的耐蚀性。钛在20～160℃干燥的HCl中是稳定的，但在湿氯化氢中盐酸对钛造成腐蚀。钛在氯化物溶液中的点蚀电位较不锈钢高，钛抗氯离子的点蚀性能比不锈钢好，因而钛在氯化物溶液中获得了广泛的应用。在温度≤80℃时钛一般不会产生点蚀，但在高温中等浓度的氯化物溶液（如100℃的25%氯化铝溶液、175℃的70%氯化钙溶液、200℃的25%氯化镁溶液和200℃的75%氯化锌溶液）中较易发生点蚀。

一直以来，腐蚀就是化工设备最头痛的危害之一，稍有不慎，轻则损坏设备，重则造成事故甚至引发灾难。据有关统计，化工设备的破坏约有60%是由于腐蚀引起的，因此在化工阀门选型时首先要注意选材的科学性。通常有一种误区，认为不锈钢是“万能材料”，不论什么介质和环境条件都捧出不锈钢阀门，这是一种极大的错误。

      以上是腐蚀工况下的几种阀门材料，下面再简单介绍一下非腐蚀工况阀门材料。阀门工作介质为水、蒸汽、空气和油品等非腐蚀性物质时，一般采用碳素钢。阀门用碳素钢系指ASTMA216标准中的WCB、WCC铸钢和ASTM A105锻钢。阀门用碳素钢适宜工作温度为-29～425℃。但是为了安全，考虑到介质的工作温度有可能波动，因此，一般碳素钢的使用温度不应超过400℃。