调节阀材料的选择

文章编号 : 100225855 (2006) 0620038203 作者简介 : 王学朋 (1973 - ) , 男 , 宁夏人 , 工程师 , 主要从事旋转类调节阀的研发工作。 调节阀材料的选择 王学朋 (吴忠仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 股份有限公司 , 宁夏 吴忠 751100) 　　摘要 　介绍了腐蚀性介质的性质 , 论述了阀门壳体材料和阀内件材料的选择方法 , 分析了表 面涂层技术的特点。 　　关键词 　调节阀 ; 材料选择 ; 表面涂层技术 　　中图分类号 : TH134 　　　　文献标识码 : B The selection of control valve materials WAN G Xue2peng (Wuzhong Instrument Co. Ltd , Wuzhong 751100 , China) Abstract : The aritcle describe the start point of materials selecting of valves from two side , int roduces the character main eroding fluid and the materials selecting regular of the body and subassemblies , the surface - coated technology is also metioned in the final of the text . Key words : control valve ; material’s select ; surface - coated technology 1 　概述 调节阀的材料选择主要从壳体 (阀体、阀盖) 和阀内组件 (阀杆、阀芯和阀座) 两方面考虑。阀 门壳体相当于压力容器 , 要求能承受介质的温度、 压力和腐蚀性。阀内组件主要起节流作用 , 因此要 求耐腐蚀、耐冲刷 , 同时也有耐温和压力的要求。 2 　介质腐蚀性 调节阀广泛应用于石油和化工等装置上 , 其输 送的腐蚀性介质有盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋 酸、氢氧化钠、氨、氯或海水等 , 各种介质的腐蚀 性有很大不同。 ①盐酸 　盐酸是强酸 , 最容易与金属反应 , 因 此 , 盐酸对金属的腐蚀最为严重。100 ℃时 , 浓度 100 %的盐酸中 , 只有钽和锆等贵重金属才能耐腐 蚀。在 70 ℃以下时 , 可用耐蚀、耐热镍基合金或 陶瓷、玻璃和特氟隆等。 ②硫酸 　硫酸对金属的腐蚀也很严重 , 稀硫酸 比浓硫酸的腐蚀性更大。耐硫酸腐蚀的材料有 1Cr18Ni9 Ti、 0Cr18Ni12Mo2 Ti、 Cerpenter2 , durimet20 , 20 号合金及高硅铸铁等。 ③硝酸 　硝酸的浓度和温度不同 , 不锈钢的耐 蚀性也不同。一般耐硝酸的材料有 1Cr18Ni9 Ti、 0Cr18Ni12Mo2 Ti、durimet20 以及镍基合金、高硅 铸铁、钽、锆、陶瓷、玻璃和特氟隆等。 ④磷酸 　磷酸的腐蚀性一般没有硫酸强 , 但当 含有氟化物、氯化物等杂质时情况就不同。耐蚀材 料有 0Cr18Ni12Mo2 Ti 和 Cerpenter20 (卡盼特 20) 耐蚀及耐热镍基合金。 ⑤醋酸 　醋酸往往含有甲酸、酪酸、酯、醛、 硫酸盐、亚硫酸盐和氟化物等。在 50 ℃以下时 , 1Cr18Ni9 Ti 可耐各种浓度的醋酸。在沸腾温度 50 %以上浓度时 , 采用 0Cr18Ni12Mo2 Ti , 当醋酸 含有杂质时 , 应用钛材。 ⑥氢氧化钠 　金属对碱的耐蚀性比对酸要强的 多 , 因为在稀碱性溶液中 , 容易形成氧化膜。在 100 ℃以下时 , 可用 1Cr18Ni9。温度高时可用纯 镍、蒙耐尔合金和耐蚀耐热镍基合金。 ⑦氨 　对于氨气和氨水除了铜和铜基合金不能 用以外 , 其他金属都有耐蚀性 (如铸铁和碳钢等) 。 但是 , 在高温高压时 , 氨分解出 H 和 N , 使材料 产生氢脆和氮化现象 , 材料变脆 , 最好用不锈钢。 ⑧氯 　氯中如果有水分存在 , 在装置中将出现 —83—　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　阀 　　　门 　　　　　　　　　　　　　　　2006 年第 6 期 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 氯或氯化氢的水溶液 , 加剧对金属的腐蚀 , 耐蚀材 料只有钽和特氟隆。钛虽说可以耐湿氯气 , 但又不 耐干氯气的腐蚀。低温干氯气 , 可选用铸铁和碳钢 装置 , 而高温时 , 则要选用 0Cr18Ni12Mo2 Ti。 ⑨海水 　金属在海水中容易发生电化学作用 , 对海水介质最好用涂橡胶的铸铁或不锈钢。 3 　材料选择 选择调节阀的材料需从物理、化学、力学及材 料学等方面考虑。首先应满足设备的安全可靠 , 其 次是使用性能、寿命及经济性。但在特殊条件下 , 特别在高温、高压、低温和腐蚀性工况时 , 应选择 耐高温、低温、高压及腐蚀性的材料。 311 　壳体 ①耐高温材料 　金属在高温下长期承受载荷会 发生蠕变现象 , 同时氧化及晶间腐蚀作用都将加 剧 , 所以选用高温材料时 , 必须考虑材料的热强性 及高温耐腐蚀性。适于高温条件下工作的材料有 1Cr18Ni9 Ti 及 0Cr18Ni12Mo Ti 等。材料在高温下 的许用应力随温度的升高而下降 (表 1～4〔1 ,3〕) 。 表 1 　碳钢制阀门的工作压力 公称压力 PN/ MPa 介质温度/ ℃ 200 250 300 350 400 425 450 最大工作压力/ MPa 016 016 0155 0150 0144 0138 0135 0127 116 116 115 113 112 110 019 017 410 410 317 313 310 218 213 118 614 614 519 512 417 411 317 219 表 2 　含钼不少于 014 %的钼钢、铬钼钢制阀门的工作压力 公称压力 PN/ MPa 介质温度/ ℃ 350 400 425 450 470 500 510 520 530 最大工作压力/ MPa 016 016 0155 0151 0148 0143 0133 0130 0126 0122 116 116 115 114 113 111 019 018 017 016 410 410 316 314 312 218 212 210 117 114 614 614 518 515 512 415 315 312 218 213 表 3 　铸铁制阀门的工作压力 公称压力 PN/ MPa 介质温度/ ℃ 120 200 250 300 最大工作压力/ MPa 0125 0125 0125 0120 0120 016 016 0155 015 015 116 116 115 114 113 215 215 213 211 210 表 4 　铜制阀门的工作压力 公称压力 PN/ MPa 介质温度/ ℃ 120 200 250 最大工作压力/ MPa 0125 0125 012 0117 016 016 015 014 116 116 113 111 215 215 210 117 　　②耐低温材料 　选择低温材料要考虑材料的低 温 冲 击 值 , 常 用 材 料 有 1Cr18Ni9 和 0Cr18Ni12Mo2 Ti 等。 ③耐汽蚀材料 　当调节阀的压差很大时 , 即缩 流处压力降到介质入口温度下的饱和蒸汽压以下 时 , 将产生汽蚀现象 , 汽蚀现象会对阀体及阀内组 件产生破坏作用。用于耐汽蚀的材料 , 主要是耐 磨、耐冲刷的高硬度材料 , 如经过热处理的 9Cr18 及 17 - 7PH 和具有紧固氧化层、韧性和疲劳强度 大的铬钼钢和不锈钢等材料。 ④耐腐蚀材料 　金属材料耐腐蚀的问题 , 不仅 与材料本身有关 , 还与介质的种类、温度、浓度有 关 , 应结合具体情况适当选择。主要耐腐蚀材料有 1Cr18Ni9 Ti、0Cr18Ni12Mo2 Ti、20 号合金、哈氏 合金和钛材等 (表 5) 。 312 　阀内组件 阀内组件主要是阀瓣和阀座。在一般情况下 , 选用 1Cr18Ni9 或 0Cr18Ni12Mo2 Ti , 在大压差及含 颗粒介质时 , 应进行硬化处理。常用处理方法有热 处理和表面堆焊硬质合金等。 4 　表面涂层技术 在高温、高压、硬质颗粒冲蚀和腐蚀性的介质 中 , 应选择普通的材料结合高性能的表面涂层技术 处理材料表面。 411 　激光熔敷 NinCmSin 复合功能涂层 激光熔敷 NinCmSin 复合功能涂层 ( WJ F 涂 层) 是采用激光焊接的方式使涂层材料与母材熔 合 , 该涂层具有耐高温、耐腐蚀、耐冲刷、结合强 度高的性能 , 特别适用于高温、高压、冲刷磨损严 重等工况阀门的表面处理。 ①耐高温性能 　WJ F 涂层曾应用在航空发动 机的内壁上 , 在 720 ℃以上仍具有良好的热强性。 ②耐腐蚀性能 　WJ F 涂层的耐腐蚀性能良好 , 按 GB 433416 - 84 耐均匀腐蚀性检测结果见表 6。 —93—2006 年第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　阀 　　　门 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 表 5 　常用材料〔2 ,3〕 名　称 牌　号 用　途 灰铸铁 HT200、HT250 适用于 PN ≤116 MPa ,介质温度≤200 ℃的低压阀门 球墨铸铁 Q T40 - 10、Q T45 - 5 适用于 PN ≤410 MPa ,介质温度≤300 ℃ 耐酸高硅球墨铸铁 SQ TSi - 15 适用于 PN < 0125 MPa ,介质温度≤120 ℃腐蚀性介质 碳素钢 25、35、ZG25、ZG35 适用于 PN ≤32 MPa ,介质温度≤450 ℃高中压阀门 合金钢 有色金属及合金 铬钼钒钢 ZG20CrMo、 ZG20CrMoV、 ZG15CrMoV 　有较好组织稳定性和热强性 ,但耐腐蚀性差 ,适用于温度≤500 ℃ 的非腐蚀性介质 铬钼钢 Cr5Mo 有较好耐热性和耐腐蚀性 ,适用于温度不超过 550 ℃的石油介质 铬锰氮 耐酸钢 ZGCr17Mn13Mo2N ZGCr17Mn13Mo2CuN 无镍少镍不锈钢 ,适用温度不超过 200 ℃的腐蚀性介质 ,耐尿素 镍铬和镍铬 钼不锈钢 1Cr18Ni9、0Cr18Ni12Mo2 Ti 　奥氏体不锈钢 ,具有良好抗腐蚀 ,抗氧化性 ,热强性 ,适于各种腐 蚀性介质 ,温度≤600 ℃的高温阀 铜合金 ZQSn10 - 1、ZQA19 - 2 用于 PN ≤410MPa ,介质温度≤200 ℃的腐蚀性介质 铝合金 ZL7、ZL10 适用于 PN ≤110MPa 的腐蚀性介质 钛和钛合金 　工业纯钛和钛合金耐腐蚀性能好 ,强度高 ,低温和高温性能都稳 定。但成本高 ,铸造困难。 表 6 　涂层耐腐蚀性对比 对比材料 WJ F 涂层 1Cr18Ni9 17 - 4PH 316L 9Cr18MoV 腐蚀率 (g/ m2h) 115 550 292 225 822 　　③涂层硬度 　WJ F 涂层的硬度为 510～680 HV (47～57 HRC) , 基本等同于 9Cr18MoV (50 ～55 HRC) , 高于司太莱堆焊 (40～45 HRC) , 低 于镀硬铬 (900～1 000 HV) 、316 基体离子渗氮 (800 HV 以上) 和 316 基体超音速火焰喷涂 WC - 12Co (约 1 200 HV) 。 ④其他性能 　由于 WJ F 涂层采用激光焊接的 方式与母材熔合 , 结合强度不小于母材的强度 , 不 会在使用中发生涂层脱落的现象。而且涂层材料的 摩擦系数低 , 和其他材料相比 , 同等条件下卡塞和 咬住的几率较低。 412 　超音速火焰喷涂金属陶瓷涂层 超音速火焰喷涂 ( HVOF) 金属陶瓷涂层主要 以 WC - Co 系和 Cr3C2 - NiCr 系材料为代表 , 采 用 CH - 2000 型超音速火焰喷涂系统通过高压燃料 气体与氧气燃烧产生的超音速火焰喷涂成型 , 涂层 组织致密、结合强度高 , 特别适用于耐高温、耐高 压、耐冲刷、耐腐蚀工况使用的阀门的阀瓣和阀座 (表 7) 。目前 , 国外调节阀公司已将该技术应用在 球阀和调节阀的阀内件处理中。 表 7 　HVOF涂层的性能 涂层材料 硬度 耐高温性能 结合强度 耐腐蚀性能 WC - 12Co ( WC - 17Co) HV1 200 500 ℃ > 65 MPa WC - CoCr HV1 100 500 ℃ > 65 MPa Cr3C2 - NiCr HV 900 870 ℃ > 90 MPa NiCrBSi HV 900 300 ℃ > 6 5 MPa 　 　 　 　 　 　 低 高 5 　结语 合理的选择阀门材料能够改进产品质量 , 降低 成本 , 提高效率。高性能的表面涂层技术能够延长 阀门使用寿命 , 减少停机维护时间 , 获得良好的经 济效益。 参 考 文 献 〔1〕　梁忠. 我国电动执行机构的现状及发展动向 〔J〕. 自动化仪 表 , 1993 , 3 : 20 - 23. 〔2〕　陆德民. 石油化工自动控制设计手册 〔M〕. 北京 : 化学工 业出版社 , 1988. 〔3〕　杨源泉. 阀门设计手册 〔M〕. 北京 : 机械工业出版社 , 1992. 〔4〕　高荣发. 热喷涂 〔M〕. 北京 : 化学工业出版社 , 1992. (收稿日期 : 2006107115) —04—　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　阀 　　　门 　　　　　　　　　　　　　　　2006 年第 6 期 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net