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碳素钢和不锈钢材质在阀门中应用

发表时间:2022-3-15, 编写人:上海川沪阀门有限公司

阀体、阀盖、闸板(阀瓣、蝶板、球体)是阀门的承压件和控压件,直接承受介质压力,所选用的材料在规定的介质温度和压力作用下,必须能够达到力学性能要求,并具有良好的冷、热加工性能。

通常制造阀体、阀盖和闸板(阀瓣、蝶板、球体)的材料通常有碳素钢、不锈钢等材质。

碳素钢

碳素钢适用于非腐蚀性介质阀门,在某些特定条件下,如在一定温度范围和浓度条件下,也可以用于某些腐蚀性介质阀门,适用温度范围为-29~ 425℃。

1.碳素铸钢

国家标准GB/T 12229—2005《通用阀门 碳素钢铸件技术条件》规定了铸件钢种和化学元素的质量分数。

美国标准ASTM A216/A216M—2016《可熔焊高温用碳钢铸件》规定了铸件钢种和化学元素的质量分数,以及铸件的力学性能和许用应力。

欧洲标准EN 1503-1:2000《阀体、阀盖用阀门材料》规定了铸钢件的钢号和化学元素的质量分数,以及其热处理、力学性能和许用应力值。

不锈钢

阀门中常用的不锈钢是奥氏体型不锈钢和双相不锈钢(既含奥氏体相又含铁素体相),用于承压件和腐蚀性介质,适用温度范围为-269(液氦)~ 816℃。常用的温度范围是-196~ 650℃。

1.不锈钢的耐蚀机理

奥氏体型不锈钢具有良好的耐蚀性、高温抗氧化性能和耐低温性能。因此,被广泛用于制作耐蚀阀门、高温阀门和低温阀门。

奥氏体型不锈钢的耐蚀性是相对的,并非能够承受所有腐蚀性介质。金属的腐蚀现象或所谓的耐蚀性,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和材料中各化学元素的质量分数、加工性,热处理等诸因素的差异,而有不同的腐蚀状态和腐蚀速度。例如,不锈钢具有良好的耐蚀性,但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蚀材料的性能,才能正确选择耐蚀材料种类。

金属的腐蚀形态可分为两大类,即均匀(全面)腐蚀和局部腐蚀。均匀(全面)腐蚀包括全面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得很快,当硫酸含量(质量分数)大于50%时,腐蚀率达到最大值;此后如果硫酸含量继续增加,腐蚀率反而下降。这是由于浓硫酸的强氧化性使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的作用。

(2)无膜腐蚀 无膜全面腐蚀很危险,因为它是保持一定腐蚀速度全面进行。

(3)局部腐蚀 局部腐蚀的形态有13种,如缝隙腐蚀、脱层腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等。据调査,化工装置中局部腐蚀约占70%。在诸多局部腐蚀形态中,与阀门制造有关且常见的是晶间腐蚀。

均匀腐蚀的程度一般用腐蚀率来表示,但对于如何评价腐蚀率则有不同规定。《石油化工企业管道设计器材选用通则》规定,金属材料按腐蚀能力可分为以下四类:年腐蚀速率不超过0.05mm的材料,为充分耐蚀材料;年腐蚀速率为0.05~0.1mm的材料,为耐蚀材料;年腐蚀速率为0.1~0.5mm的材料,为尚耐蚀材料;年腐蚀速率超过0.5mm的材料,为不耐蚀材料。

局部区域沿着结晶粒子边界向深度方向腐蚀的形式称晶间腐蚀。这种腐蚀形式从外表看不出腐蚀迹象,严重时可以贯穿整个机体厚度。

产生晶间腐蚀的原因是沿晶界边界析出碳化铬Cr23C6或FeCr化合物,称δ相,使晶界周围贫铬,在适合的腐蚀介质(产生晶间腐蚀的介质)中,将形成碳化铬(阴极)-贫铬区(阳极)电池,使晶界贫铬区发生腐蚀。

可以看出,晶间腐蚀是有条件的,其内因是必须有碳化铬或δ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,则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。

产生贫铬区的原因:一是钢液化学成分不合格,如碳高、铬低或含钛、铌的不锈钢中,碳钛化或碳化铌不足;二是热处理工艺不正确或焊接、加工时加热至碳化物析出温度,但在900~400℃冷却速度不够快而析出碳化物造成贫铬。

控制奥氏体型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(质量分数)不大于0.03%的超低碳不锈钢。

奥氏体型不锈钢可作为高温用钢,高温用钢是指在高温(350℃以上)下具有较高强度的钢材。一般来说,在没有耐腐蚀性问题的情况下,含碳量高(在规定范围内)的不锈钢,其高温强度也高。至于何种牌号的不锈钢的最高使用温度是多少,可通过查阅GB/T 12224—2005《钢制阀门 一般要求》和ASME B16.34—2017《法兰、螺纹和焊接连接的阀门》中的压力-温度额定值表得出。

2.不锈钢铸件

国家标准GB/T 12230—2016《通用阀门 不锈钢铸件技术条件》规定了不锈钢铸件的化学成分、热处理规范和力学性能。

美国标准ASTM A351/A351M—2018《承压元件用奥氏体、奥氏体-铁素体(双相)铸件》规定了不锈钢铸件的钢种、化学成分要求、热处理要求、力学性能和许用应力。

3.不锈钢锻件和棒材

国家标准GB/T 1220—2007《不锈钢棒》规定了不锈钢锻件和棒材的钢种、化学成分和力学性能,以及不锈钢棒或试样的典型热处理制度。

美国标准ASTM A182/A182M—2018《高温用锻制或轧制合金钢和不锈钢 管法兰、锻制管件、阀门与部件》规定了钢种及其化学成分、力学性能、热处理规范、焊补要求、许用拉应力、许用弯曲应力和许用切应力。

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