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硝酸是重要的化工原料，它广泛应用于国民经济的许多部门。无论是生产硝酸还是使用硝酸，都会遇到硝酸的腐蚀问题。硝酸是强氧化性酸，即使是稀硝酸也具有很强的氧化性。不锈钢由于在稀硝酸中极易钝化，因而具有良好的耐蚀性。可以说几乎所有的不锈钢在稀硝酸中均有相当好的耐蚀能力。不锈钢阀门网。

由于18-8 型 Cr-Ni 奥氏体不锈钢，例如 0Cr19Ni9，00Cr19Ni11，0Cr18Ni11Ti（或 1Cr18Ni9Ti）等既具有优异的耐稀硝酸性能，又有良好的力学、加工成形、焊接等综合性能，因而在 ≤ 65% 的稀 HNO₃ 中，这们是用量最大、应用范围最广的不锈钢。同时，不含 Mo 的双相不锈钢，如 00Cr25Ni6Ti，00Cr25Ni6N 等也取得很好的使用的效果。

本世纪 70 年代以来所出现的硝酸级不锈钢，主要指含 C ≤ 0.015%，Si ≤0.10%，B ≤ 10ppm，P ≤ 0.02%，Mo ≤ 0.2% 的 00Cr19Ni11 和 C ≤ 0.02%，Si ≤ 0.20%，P ≤ 0.020%，Mo ≤ 0.2% 的 00Cr25Ni20 钢。在 ≤ 65% 稀 HNO₃ 中，它们不仅耐敏化态晶间腐蚀的性能显著提高（见晶间腐蚀），而且耐一般腐蚀的性能也有显著改善。例如，在沸腾的 65% HNO₃ 中，硝酸级 18-8 钢固溶态腐蚀率仅 0.06-0.14mm/a，敏化态也仅 0.30mm/a。

随硝酸浓度的增加，特别是当浓度在共沸浓度 68.4% 以上时，一般 18-8 型钢已不能满足要求。当浓度 ≤ 85% 时，通常可选用 Cr25Ni20 型不锈钢。但浓度再高，由于硝酸的过氧化作用和仅含 Cr 的不锈钢本身的过钝化，18-8 钢和 Cr25Ni20 钢均会受到严重腐蚀。因此，高 Si 的 Cr-Ni 不锈钢，例如含 Si 4% 的 0Cr13SiNbRe，1Cr17Ni11Si4A1Ti，00Cr14Ni14Si4(Ti)，00Cr17Ni14Si4(Ti、 Nb)，00Cr20Ni24Si4Ti 等常常用于温度 ≤ 80℃ 下的浓硝酸和发烟硝酸中。

温度再高，则需要选含 Si 量达 6% 的不锈钢，例如 00Cr17Ni17Si6。含 Mo 不锈钢一般不用于耐 HNO₃ 腐蚀，但是，当硝酸中有 Cl^- 时，为了防止点蚀，则常常选用含 Mo 的不锈钢。具体牌号，即钢中 Cr，Mo 含量，则随 HNO₃ 浓度、Cl^- 含量和介质温度而定。

摘要：介绍了沉淀硬化不锈钢的种类，沉淀硬化机理及阀门生产中常用的沉淀硬化不锈钢。不锈钢阀门网。

1 概述

沉淀硬化不锈钢是 20 世纪 40 年代由美国钢铁公司等相继开发出的钢种。其经过沉淀硬化热处理后强度高，塑性和耐蚀性优于其他不锈钢。

2 分类

沉淀硬化不锈钢根据其基体的金相组织可以分为马氏体型、半奥氏体型和奥氏体型 3 类。

2.1 马氏体型

马氏体型沉淀硬化不锈钢通常是在马氏体状态下供应，经过简单的时效处理进行沉淀硬化。马氏体沉淀硬化不锈钢的性能可以通过马氏体形成与沉淀硬化机理中的一种或两种共同作用来获得，它是沉淀硬化不锈钢中应用最广泛的钢种。

2.2 半奥氏体型

半奥氏体型不锈钢的基体是奥氏体且含 5%~20% 的 δ 铁素体，硬化前通过特殊热处理，使奥氏体转变成马氏体然后进行时效处理。半奥氏体不锈钢可以加工成各种产品，但主要用于平轧薄板和带材，此沉淀硬化不锈钢在阀门产品中一般不采用。

2.3 奥氏体型

奥氏体型不锈钢是在奥氏体状态下供应，这类钢极少采用。

3 沉淀硬化机理

沉淀硬化机理是因为金属材料中第二相粒子从过饱和固溶体里析出而引起应变，从而引起金属点阵的强化。造成最大强化是在形成可见的第二相粒子之前，这个阶段称为析出的孕育阶段。在这个阶段，要析出来形成第二相的原子，倾向于成群地堆积，它们与母相保持连续的共格联系，就在这个时候发生了最大的应变，从而产生了最大的强化。

沉淀硬化处理有两个作用。① 消除马氏体的应力，增加韧性、塑性和耐蚀性。② 通过析出金属间化合物而增加硬化效果。

不锈钢的沉淀硬化是复杂的热处理过程。研究发现，当沉淀硬化处理加热时，马氏体中的铝以 Ni-Al 金属间化合物的形式析出，析出的数量取决于反应的时间和温度。但是当析出群长到临界尺寸时，在两相之间形成了界面而与母相失去了共格关系，从而减弱了点阵的应变，降低了强度，这种现象叫“过时效现象”。

半奥氏体钢的沉淀硬化热处理可采取几种途径。① 在标准的 1400ºF（760℃）奥氏体调整处理之前，在 1950ºF（1063℃）进行完全的固溶处理。② 利用 1750ºF（953℃）调整处理，这种处理可以消除应变，使马氏体重新转变为奥氏体，同时调整奥氏体，使奥氏体冷到 -100ºF（-73℃）完全转变为马氏体，这样在下一步时效硬化时，可获得足够的力学性能。不锈钢阀门网。

同许多相变过程一样，沉淀硬化是由时间和温度决定的，较高的温度比较低的温度产生最高强度的速度快，但产生的强度值低（表 1）。

表 1 17Cr-7NiTi 不锈钢的典型室温的力学性能

热处理	屈服强度 MPa （0.2% 残余变形）	拉伸强度 MPa	延伸率 %	硬度 HRC
退火 ①	655	980	5	26
淬火 950ºF（510℃）②	1378	1447	5	46
淬火 1000ºF（535℃）②	1309	1378	5	42
淬火 1050ºF（565℃）②	1171	1309	7	39

注：① 在1850~1950ºF（1008~1063℃）退火，然后空冷。② 退火的材料加热到规定的温度，1/2 h，后空冷。

4 马氏体沉淀硬化不锈钢及其应用

马氏体沉淀硬化不锈钢在产量上多于其他的沉淀硬化不锈钢，是沉淀硬化不锈钢中应用最普及的一类，其产品主要有铸件及棒材、盘条、线材、厚大锻件和薄板，调整其化学成分中的“镍当量 Ni%”和“铬当量 Cr%”，能够使材料在固溶处理后冷至室温时仍以马氏体状态存在而不含奥氏体。

马氏体沉淀硬化不锈钢通常可分为中强度级别 [抗拉强度 <200000psi（1379MPa）] 和高强度级别 [抗拉强度 >200000psi（1379MPa）]。表 2 给出了有代表性的中强度钢和高强度钢的公称化学成分，表 3 给出了有代表性的中强度钢和高强度钢的力学性能。这些钢的相变规律都很相似，从 800~850ºF（426~454℃）直至 1250ºF（675℃）进行时效硬化。

表 2 几种马氏体沉淀硬化不锈钢的化学成分

钢种	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	Al	Cu	Ti	Nb
中强度
17-4PH ①	0.04	0.30	0.60	16.0	4.2	—	—	3.4	—	0.25
15-5PH ①	0.04	0.30	0.40	15.0	4.5	—	—	3.4	—	0.25
Custom 450 ②	0.03	0.25	0.25	15.0	6.0	0.8	—	1.5	—	0.3
W 不锈钢 ③	0.06	0.50	0.50	16.75	6.25	—	0.2	—	0.8	—
高强度
PH13-8Mo ①	0.04	0.03	0.03	12.7	8.2	2.2	1.1	—	—	—
Custom 455 ②	0.03	0.25	0.25	11.75	8.5	—	—	2.5	1.2	0.3

注：① Armco 钢铁公司的注册商标。② Carpenter 技术公司的商标。③ 美国钢铁公司的商标。

表 3 几种马氏体沉淀硬化不锈钢的力学性能

钢种	状态	形状	屈服强度 MPa	抗拉强度 MPa	延伸率 %	断面收缩率 %	硬度
中强度
17-4PH	H-925	棒	≥1207	≥310	≥14	≥54	≥42
15-5PH	H-925	棒	≥1207	≥310	≥14	≥54	≥42
Custom 450	H-900	棒	≥1269	≥351	≥14	≥60	≥42
W 不锈钢	H-950	棒	≥1241	≥1345	≥10	—	—
高强度
PH13-8Mo	H-950	棒	≥1448	≥1551	≥12	≥50	≥47
Custom 455	H-900	棒	≥1620	≥1689	≥10	≥45	≥49

马氏体沉淀硬化不锈钢中 17-4PH 和 W 不锈钢有两种相结构，即在马氏体基体上有条状铁素体，它的含量一般为 10% 左右，低于半奥氏体沉淀硬化不锈钢。在沉淀硬化热处理后，铁素体会使整个厚度方向的强度变差，对厚截面件影响更明显。所以，15-5PH、Custom 450、PH13-8Mo 和 Custom 455 基本上不含铁素体，改善了厚截面件沿整个厚度方向上的性能。表 4 给出了马氏体沉淀硬化不锈钢热处理时通常使用的符号和工艺。

表 4 马氏体沉淀硬化不锈钢热处理时通常使用的符号和工艺

空冷状态	时效温度 ºF(±15ºF) / du(±8℃)	时效时间 h	冷去方式
H-900	900 / 482	1	空冷
H-925	925 / 496	4	空冷
H-950	950 / 510	4	空冷
H-975	975 / 528	4	空冷
H-1000	1000 / 538	4	空冷
H-1025	1025 / 552	4	空冷
H-1050	1050 / 565	4	空冷
H-1075	1075 / 579	4	空冷
H-1100	1100 / 593	4	空冷
H-1125	1125 / 607	4	空冷
H-1150	1150 / 620	4	空冷
H-1150-M	1400 / 760	2	空冷
二次过时效	1150 / 620	再加 4	空冷

注：热处理前所有的钢都处于状态 A（固溶处理状态）。

在大多数情况下，由于时效硬化处理的温度低，热处理后尺寸变化很小（有资料指出，名义上大约收缩 0.0005in./in.(0.005mm/cm)），所以热处理前它们几乎可以加工到最终所需要的尺寸。沉淀硬化不锈钢提供了其他材料所不具备的加工性、强度、容易进行热处理和耐蚀性等综合性能。

5 性能分析

为了对比沉淀硬化不锈钢与非沉淀硬化不锈钢力学性能的差别，选用沉淀硬化不锈钢 17-4PH 与 CF8(304) 和 CF8M(316) 的常温力学性能作一比较（表 5）。

表 5 沉淀硬化不锈钢与不锈钢常温力学性能比较

钢号	屈服强度 MPa	抗拉强度 MPa	延伸率 %	断面收缩率 %	硬度
17-4PH	≥1207	≥1310	≥14	≥54	HRC≥42
F304	≥205	≥515	≥40	≥60	HB≤187
CF8	≥205	≥485	≥35	①	①
F316	≥205	≥515	≥40	≥60	HB≤187
CF8M	≥205	≥485	≥30	①	①

注：① ASTM A351 标准中未作要求。不锈钢阀门网。

由于沉淀硬化不锈钢具有优异的力学性能，所以，许多设计院和阀门制造厂均选用沉淀硬化不锈钢 17-4PH 作高压球阀及煤化工气化炉的灰浆系统和黑水系统用球阀的阀杆及固定轴等。如采用（双相）沉淀硬化不锈钢 CD-4MCu 合金制造的阀门，因为 CD-4MCu 合金的屈服强度约为 19Cr-9Ni 奥氏体不锈钢的 2 倍，并且具有高硬度和良好的塑性和冲击韧性，特别适合于腐蚀（包括磨蚀和冲刷）工作条件下使用，它广泛用于氧化和还原的强酸工况中，在有氯离子的环境中具有特殊的抗应力腐蚀开裂的性能。

但是，所有的沉淀硬化不锈钢在 550ºF（288℃）以上停留数千小时后，都倾向于变脆。因此，所有的沉淀硬化不锈钢的最高使用温度应限制为 ≤600ºF（316℃）。

6 结语

应采用马氏体沉淀硬化不锈钢 17-4PH 等制造高压阀门、煤化工灰浆系统及黑水系统球阀的阀杆和固定轴等，可用 CD-4MCu 沉淀硬化不锈钢制造耐磨蚀抗氧化和还原强酸及有氯离子的环境中抗应力腐蚀的阀门等，其最高使用温度 ≤316℃。

摘要：分析了超低温阀门的选材要点，介绍了奥氏体不锈钢的性能、选用及工艺处理，不锈钢阀门网。

种类

奥氏体不锈钢的种类繁多，但在超低温阀门制造中，广泛应用的是 Cr-Ni 奥氏体不锈钢，即美国标准中的 300 系列不锈钢（表 1）。其中，F304、F304L、F316 和F316L 是超低温阀中用量较多的几种牌号。这四种牌号钢都属于亚稳型不锈钢，在超低温下会发生马氏体转变（即相变），如果需要得到稳定的奥氏体组织，可选用 F310 奥氏体不锈钢。

表 1 中所列各种牌号的不锈钢可用于超低温下 -254℃ 或更低。在国外的一些标准或规范中，对奥氏体不锈钢的使用温度范围有明确的规定。例如日本高压气体法规定，SUS304L 和 SUS316L（相当于 F304L 和 F316L）允许使用到 -269℃，而 SUS304 和 SUS316（相当于 F304 和 F316）只允许使用到 -254℃，这可能是因为 SUS304 和 SUS316 在焊接过程中，其热影响区容易产生晶界碳化物，可造成低温劣化而导致冲击韧性下降的原因。

性能

随着温度的下降，奥氏体不锈钢的强度显著提高（表 2）。从强度观点看，这意味着在常温下有足够强度的阀门在超低温下也必然是安全的。强度的提高，对韧性的影响较小，只是稍有下降。这就是奥氏体不锈钢能成为超低温阀门用材的主要原因。

奥氏体不锈钢的组织为面心立方结构，低温下没有脆性转变现象。除非存在第二相或处于导致应力腐蚀断裂的环境下，否则不会发生脆性断裂，韧性也不会随温度下降而突然下降。其主要原因是当温度降低时，面心立方金属的屈服强度没有显著变化，而且不易产生形变孪晶，位错容易移动，局部应力易于松弛，裂纹不易传播，一般没有从延性到脆性的转折（温度）。所以在超低温下，仍能保持较高的冲击韧性（表 3），而且远远超过 27J（该值为欧盟 97/23/EC《承压设备指令》所规定的低温用钢所必须的最小平均冲击功），可完全满足超低温阀门的使用要求。

铸件

在超低温阀门制造中，经常采用奥氏体不锈钢铸件作为阀门的主体材料。铸件易于成型，对以锻造方法难以成型的零件，采用铸造方法则很容易获得。目前，国际上通用的是美国 ASTMA351CF 类不锈钢铸件。

由于铸件可能存在着合金偏析和树枝晶组织等缺陷，加之 CF 类不锈钢铸件都含有一定数量的铁素体，因此其低温韧性必然受到影响。一般情况下，CF 类不锈钢铸件的低温冲击值要低于同种牌号的变形合金。与美国 ASMEB1613《工艺管路》所规定的 CF 类不锈钢铸件的应用温度范围不同，日本 JIS8243《压力容器的结构》和高压气体管理法都将奥氏体不锈钢铸件的最低使用温度限制在 -196℃（表 4）。

Cr-Mn-N 系不锈钢

Cr-Mn-N 系不锈钢是一种节镍型的奥氏体不锈钢，如 03Cr13Ni5NMn19（可用于 -253℃）、07Cr21Mn7Ni5N（可用于 -269℃）等。与 Cr-Ni 奥氏体不锈钢不同，Cr-Mn-N 不锈钢在低温下有韧性-脆性转变现象。这是由于钢中含有 Mn，在低温时形成大量层错，阻碍位错相交而造成的。通常超低温阀门用材很少采用 Cr-Mn-N 系不锈钢。

工艺处理

固溶处理固溶处理是奥氏体不锈钢的基本热处理方法，是防止晶间腐蚀的重要手段。而作为超低温阀门使用的奥氏体不锈钢，固溶处理的目的是为了使碳化物充分溶解，提高其抗脆性能力，从而可以在更低的温度下安全使用。对于含 Ti、Nb 的稳定化奥氏体不锈钢，固溶处理主要是为得到较均匀的成分和组织，保证其良好的韧性和塑性。对于铸件，固溶处理可使其在凝固过程中所产生的偏析得以改善，使组织接近均匀。

此外，奥氏体不锈钢在焊接时，其热影响区由于碳化物析出及铁素体生成，会明显降低材料的低温韧性。因此，焊后亦应进行固溶处理，以恢复其低温韧性。

深冷处理

大部分 Cr-Ni 奥氏体不锈钢在常温下处于亚稳定状态，而在超低温范围内会因晶格畸变而发生马氏体转变。马氏体开始转变时的温度即为马氏体转变点（亦称相变点），用符号 Ms 来表示。Ms 点的温度主要取决于固溶在奥氏体内合金元素的量。

当奥氏体不锈钢的工作温度等于或低于其马氏体转变点Ms时，就会发生马氏体转变。因马氏体的比容比奥氏体的大，由此而引起的体积膨胀和组织应力会使零件尺寸发生变化，最终导致阀门泄漏。为防止材料在使用过程中发生马氏体转变，需对其进行深冷处理。

深冷处理是将奥氏体不锈钢材料浸在冷却剂中进行冷却、保冷，使之发生马氏体转变的一种工艺方法。深冷处理可使材料预先进行马氏体转变，以保证在使用中的组织稳定性。深冷处理一般在零件的精加工之前进行。深冷处理的温度应以材料的 Ms 点为依据。材料不同，Ms 点各异。即使是同一牌号的材料，由于批次（或炉号）的不同，其 Ms点也各不相同，而且差别很大。有的在超低温范围的上限附近即可产生马氏体转变。

马氏体的转变量随温度的降低而增加，为确保工件在使用过程中的组织稳定性，深冷处理所用介质的温度需等于或低于阀门工作温度。深冷处理的冷却介质多采用液氮或液氦等溶液。可根据阀门使用温度来确定。浸在深冷介质中的零件达到介质温度（介质表面所冒气泡完全消失）时，即可计算保冷时间。根据实践经验，保冷 1～2h 即能达到处理目的。时间过长，对马氏体的转变无明显影响。保冷结束即可将零件取出在空气中放冷至常温。经过一次深冷处理后，奥氏体不锈钢的马氏体转变基本完成，一般情况下可以满足使用要求。对于密封性要求较严或靠介质压力密封的超低温止回阀，可增加深冷处理的次数。

结语

奥氏体不锈钢是理想的超低温阀门用钢，尤其是在 -196℃ 以下，奥氏体不锈钢几乎是唯一可以选用的超低温阀门用钢。为避免在使用过程中发生马氏体转变，建议在设计时选择奥氏体组织更加稳定的不锈钢。对于亚稳型不锈钢，应采用深冷处理使其预先完成马氏体转变，以达到使用中的组织稳定。

通径 DN65 以下管线控制阀

闸阀：额定水工作压力应该在 175 psi 以上，阀体和阀盖材料为符合美国材料试验协会 ASTM B62 标准的铸青铜合金。阀门结构为 OS&Y 和螺纹连接。阀门应获得美国 UL 认证、FM 认证，并符合美国阀门和管件制造商标准化协会 MSS-SP80 标准。

可采用的阀门：美国尼伯科T-104-O闸阀。

球阀：额定水工作压力应该在 175 psi 以上，并采用聚四氟乙烯阀座。这类阀门应该配置不受气候影响的齿轮执行机构，可用于室内/室外，具有上升位置指示器和两个内置监控开关。这类阀门应该是螺纹连接或开槽连接，并获得美国 UL 认证、FM 认证，并符合美国阀门和管件制造商标准化协会 MSS-SP110 标准。

可采用的标准流道阀门：美国尼伯科 KT-505 球阀（螺纹连接）、美国尼伯科 KG-505-8W 球阀（开槽连接）。

通径 DN65 以上管线控制阀

闸阀：额定水工作压力应该在 175 psi 以上，铸铁阀体和青铜阀内件，或弹性橡胶密封楔板。阀体和阀盖应该采用符合美国材料试验协会 ASTM A126 级别 B 的铸铁合金，或 ASTM A 536 球墨铸铁，配置 OS&Y 类型的阀盖。如果采用弹性楔板结构，阀内部就必须用环氧树脂涂覆。阀杆预制开槽管，可在需要时配置监控开关。连接方式为 125 磅级法兰连接或开槽连接。这类阀门应该通过美国 UL 认证、FM 认证或符合美国阀门和管件制造商标准化协会 MSS-SP70 标准。

可采用的阀门：美国尼伯科 F-607-OTS 或 F-607-RW 闸阀（法兰连接）、美国尼伯科 G-607-RW 或 FG-607-RW 闸阀（管状连接）。

配置闸阀的指示器柱：

通径 DN100 以上的这类闸阀额定水工作压力应该不小于 175 psi，配置青铜阀内件和弹性橡胶密封楔板。阀体和阀盖材质是符合美国材料试验协会 ASTM A126 级别 B 标准的铸铁合金或 ASTM A536 标准的球墨铸铁，配置阀盖、一体化指示器柱安装法兰。如果采用弹性楔板结构，阀内部就要涂覆环氧树脂。连接端口是 125 磅级法兰或机械连接。立式指示器柱是可调节的，适用于深度掩埋。阀门和指示器柱应该获得美国 UL 认证、FM 认证，并且符合美国阀门和管件制造商标准化协会 MSS-SP70 标准。

可采用的阀门和指示器柱：美国尼伯科 F-609 或 F-609-RW 法兰闸阀、美国尼伯科 M-609 或 M-607-RW 地下机械连接闸阀、美国尼伯科 NIP 1-AJ 立式指示器柱、　美国尼伯科 NIP 2-AJ 墙式指示器柱。

止回阀：这类止回阀额定水工作压力应该不小于 175 psi，配置青铜阀内件和橡胶-金属阀座。阀体材质应该是符合美国材料试验协会 ASTM A126 级别 B 铸铁合金。连接端口应该是法兰或平板式（对夹式）。阀门应该获得美国 UL 认证、FM 认证，并且符合美国阀门和管件制造商标准化协会 MSS- SP71 标准。

可采用的阀门：美国尼伯科 F-908-W 法兰止回阀、美国尼伯科 KW-900-W 平板止回阀（对夹式）。

通径 DN65 以上的管线控制阀

蝶阀：额定水工作压力应该不小于 175 psi。阀门应该配置不受气候影响的、可用于室内或室外的、带有手轮的齿轮执行机构，和凸起的位置指示器和两个内置监控开关。阀体材质采用符合美国材料试验协会 ASTM A395 或 A536 标准的球墨铸铁，阀杆采用 400 系列不锈钢。阀门连接方式是平板式（对夹式），可用于在 125/150 磅级法兰或 IPS 管状之间安装连接。这类阀门应该获得美国 UL 认证、FM 认证，并符合美国阀门和管件制造商标准化协会 MSS-SP67 标准。

可采用的阀门：美国尼伯科 WD-3510-8 平板/凸耳蝶阀、美国尼伯科 GD-4765-8N 管状蝶阀。

高杆闸阀：额定水工作压力不小于 300 psi。OS&Y 阀盖和阀体材质应该是符合美国材料试验协会 ASTM A126 级别 B 标准的铸铁合金。阀门连接方式应该是法兰连接，并采用 250 磅级或 300 磅级法兰。这类阀门应该通过美国 UL 认证、FM 认证或符合美国阀门和管件制造商标准化协会 MSS-SP70 标准。

可采用的阀门：美国尼伯科 F-697-B 闸阀。

高杆止回阀：额定水工作压力不小于 300 psi。这类止回阀应该采用水平旋启式止回阀，配置青铜阀内件，OS&Y 阀盖和阀体材质应该是符合美国材料试验协会 ASTM A126 级别 B 标准的铸铁合金。阀门连接方式应该是法兰连接，并采用 250 磅级或 300 磅级法兰。这类阀门应该通过美国 UL 认证、FM 认证或符合美国阀门和管件制造商标准化协会 MSS-SP70 标准。

可采用的阀门：美国尼伯科 F-968-B 闸阀。

通径 DN65 以下的排水阀

球阀：额定水工作压力不小于 175 psi。阀门应配置聚四氟乙烯阀座，螺纹连接，防吹出阀杆和杆状手柄。这类阀门应该获得美国 UL 认证、FM 认证适用于排水系统，或符合美国阀门和管件制造商标准化协会 MSS-SP110 标准。

可采用的阀门：美国尼伯科 KT-585-70UL 球阀（通径 DN8～DN25）、美国尼伯科 KT-580-70UL 球阀（通径DN32～DN50）。

截止阀/角阀：额定水工作压力不小于 175 psi。阀门应该配置橡胶阀座阀瓣和螺纹连接端口。这类阀门应获得美国UL认证适用于排水系统。

可采用的阀门：美国尼伯科 KT-65-UL 截止阀或 KT-211-WUL 截止阀、美国尼伯科 KT-67-UL 角阀或 T-301-W 角阀。

止回阀：额定水工作压力不小于 175 psi。阀门应该配置橡胶阀座阀瓣和螺纹连接端口。阀门应该是 Y 形水平旋启式。这类阀门应符合美国阀门和管件制造商标准化协会 MSS-SP80 标准。

可采用的阀门：美国尼伯科 KT-403-W 止回阀。

摘要：介绍了石化、化工和电力等行业用超低温阀门、低温阀门及各类高温阀门的钢及合金钢制主体零件材料的适宜工作温度。不锈钢阀门网。

1 概述

阀门设计和选材时必须重点考虑的问题之一是阀门的工作温度。为了规范阀门主体材料的适宜工作温度，从各种类型的阀门用钢和合金牌号的材料性能方面对我国石油化工、化工、化肥、电力及冶金等行业用的阀门主体材料的适宜工作温度及相关要求作出了明确的规定，供阀门产品设计、制造及检验时用。另外，从技术管理和生产管理及物资采购等方面考虑，对每种类型的钢应选用综合性能良好的，不宜选用过多的钢号和合金牌号，以防造成混乱。

2 低温工况

2.1 超低温阀门材料

超低温阀门（-254（液 氢）～ -101℃（乙 烯））主体材料必须选用面心立方晶格的奥氏体不锈钢、铜合金或铝合金，其热处理后的低温力学性能，特别是低温冲击韧性必须达到标准的要求。下列奥氏体不锈钢可用于制造超低温阀门。ASTM A351 CF8M、CF3M、CF8 和 CF3，ASTM A182 F316、F316L、F304 和 F304L，ASTM A433 316、316L、304、304L 和 CF8D（兰州高压阀门厂设计，工厂标准代号 GFQ81-93）。超低温阀门的阀体、阀盖、闸板或阀瓣等在精加工前，必须在液氮（-196℃）中进行深冷处理。

2.2 低温阀门材料

适用于低温阀门（-100 ～ -30℃）的主体材料有低温奥氏体不锈钢和低温承压件用铁素体和马氏体钢。低温用奥氏体不锈钢有 ASTM A351 CF8M、CF3M、CF8 和 CF3，ASTM A182 F316、F316L、F304 和 F304L，ASTM A433 316、316L、304、304L 和 CF8D。低温承压件用铁素体和马氏体钢有 ASTM A352 LCA（-32℃）、LCB、LCC（-46℃）、LC1（-59℃）、LC2、LC211（-73℃）和 LC3（-100℃）。ASTM A352 标准中的材料初级价格较低，但是其冶炼时化学成分必须有可靠且要求十分严格的工厂内控标准。其热处理工艺复杂，需要多次作调质处理，方能达到标准要求的低温冲击韧性的要求，生产周期长。低温冲击韧性达不到标准要求时，不允许投料作低温钢使用。因此，只有在生产批量大，并且可成炉冶炼时才采用，而在一般情况下选用奥氏体不锈钢。

3 非腐蚀工况

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 ASTM A216 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℃。

4 腐蚀工况

4.1 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℃。

4.2 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℃。不锈钢阀门网。

4.3 耐蚀镍基合金

耐蚀镍基合金阀门主要是选用 ASTM A494 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 UNS N05500（Monel K500）。铸镍合金无对应的轧材，英康乃尔合金的轧材为 Inconel 600 和 Inconel 625 等。

（1）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、Monel 400 和 Monel K500 合金的适宜工作温度为 -29 ～ 480℃。

（2）铸镍合金：铸镍合金（CZ-100）的化学成分为 95% Ni 和 1.00% 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）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 Inconel 600 合金阀门的材料代号为 In。适宜工作温度为 -29 ～ 650℃。

（4）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- 2M-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（HastelloyC）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 Chlorimet 3 合金）及 Hastelloy C-276 合金，其铸造合金牌号为 CW-6MC 和 Hastelloy C-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、UNS N10276 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 Hastelloy B 和 Ni-Mo-Cr 系的 Hastelloy C 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 ——— Hastelloy C-276（C 由 0.12% 降低到 0.06%）及第三代哈氏合金 C ——— Hastelloy C-4，其特点是低 Si（Si ≤ 0.08 %）和超微 C（C ≤0.015%），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 UNS N10001 合金的适宜工作温度为 -29 ～ 425℃，哈氏合金 CW-12MW 和 UNS N10003 合金的适宜工作温度为 -29 ～ 700℃， 哈氏合金 CW-6MC 和 UNS N10276 合金的适宜工作温度为 -29 ～ 676℃， 哈氏合金 CW-2M 和 UNS N06455 合金的适宜工作温度为 -29 ～ 425℃。

4.4 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，在氢碘酸和氢溴酸中可以使用。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完全耐蚀，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（＜0.1%）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 0.3 ～ 1.5%）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。

5 高温工况

高温工况阀门主要是指炼油厂用的高温阀门。

5.1 亚高温

亚高温是指阀门的工作温度在 325 ～ 425℃ 区 域。如果介质是水和蒸汽时，主要用 WCB、WCC、A105、WC6 和 WC9。如果介质是含硫油品时，主要用具有抗硫化物腐蚀的 C5、CF8、CF3、CF8M 和 CF3M 等。它们多用在炼油厂的常减压装置和延迟焦化装置上，此时 CF8、CF8M、CF3 及 CF3M 材质的阀门不是用于抗酸溶液腐蚀，而是用于含硫油品及油气管路上。在此工况中，CF8、 CF8M、CF3 和 CF3M 的最高工作温度上限为 450℃。

5.2 高温Ⅰ级

阀门的工作温度为 425 ～ 550℃ 时为高温Ⅰ级（简称 P_I 级）。P_I 级阀门的主体材料为 ASTM A351 标准中的 CF8 为基形的“高温Ⅰ级中碳铬镍稀土钛优质耐热钢”。因 P_I 级是特定的称呼，在这里包含了高温不锈钢（P）的概念。因此，如果工作介质为水或蒸汽时，虽然也可用高温钢 WC6（t ≤ 540℃）或 WC9（t ≤ 570℃），在含硫油品时虽然也可用高温钢 C5（ZG1Cr5Mo），但在这里不能称它们为 P_I 级。

5.3 高温Ⅱ级

阀门的工作温度为 550 ～ 650℃， 定为高温Ⅱ级（简称为 P_Ⅱ级）。P_Ⅱ 级高温阀门主要用于炼油厂的重油催化裂化装置，它包含用在三旋喷嘴等部位的高温衬里耐磨闸阀。P_Ⅱ 级阀门的主体材料为 ASTM A351 标准中的 CF8 为基形的“高温Ⅱ级中碳铬镍稀土钛钽强化型耐热钢”。

5.4 高温Ⅲ级

阀门的工作温度为 650 ～ 730℃，定为高温Ⅲ级（简称为 P_Ⅲ 级）。P_Ⅲ 级高温阀门主要是用在炼油厂的大型重油催化裂化装置上。P_Ⅲ 级高温阀门主体材料为 ASTM A351 标准中的 CF8M 为基形的“高温Ⅲ级中碳铬镍钼稀土钛钽强化型耐热钢”。

5.5 高温Ⅳ级

阀门的工作温度为 730 ～ 816℃， 定为高温Ⅳ级（简称为 P_Ⅳ 级）。将 P_Ⅳ 级阀门的工作温度上限定为 816℃ 是因为阀门设计选用的标准 ASME B16.34 压力-温度等级中提供的最高温度为 816℃。另外，工作温度超过 816℃ 以后，钢就接近进入了锻造温度区域，此时金属处于塑性变形区间，金属的可塑性好，难以承受高的工作压力和冲击力而保持不变形。P_Ⅳ 级阀门的主体材料为 ASTM A351 标准中的 CF8M 为基形“高温Ⅳ级中碳铬镍钼稀土钛钽强化型耐热钢”。CK-20 及 ASTM A182 标准中 F310（其中 C 含量 ≥ 0.050%）及 F310H 等耐热不锈钢。

5.6 高温Ⅴ级

阀门的工作温度 ＞ 816℃ 以上，称为高温Ⅴ级（简称为 P_Ⅴ 级）。P_Ⅴ 级高温阀门（作切断用阀门，而非调节型蝶阀类的阀门）必须采用特殊的设计手段，如衬隔热衬里或通水或气冷却等，方能保证阀门的正常工作。所以，对 P_Ⅴ 级高温阀门的工作温度上限不作规定，这是因为控制阀门的工作温度不是仅靠材料，而是用特殊的设计手段来解决的，而设计手段的基本原理是一样的。P_Ⅴ 级高温阀门可根据其工作介质和工作压力及采用的特殊设计方法等，选用合理的、能满足该阀门的材料。在 P_Ⅴ 级高温阀门中，通常烟道插板阀或蝶阀的插板或蝶板常选用 ASTM A297 标准中的 HK-30，HK-40 高温合金，它们能在 150℃ 以下抗氧化和还原性气体中耐蚀，但不能承受冲击和高压载荷。

6 结语

在技术快速发展的今天，阀门的主体材料日趋多样化，高参数化。阀门所对应的工作介质也更加复杂，工作温度要求更高。了解各类阀门用钢及合金的性能及其适宜的工作温度，是设计、制造、采购及使用阀门的有关科技人员和操作者必须掌握的知识。特别是材料的使用温度不能超过其适宜工作温度，否则会引起可怕的严重事故。不锈钢阀门网。

摘要：不锈钢阀门网。介绍了大口径超高温蝶阀（48in. 300lb）使用工况和结构特点。阐述了在阀门选材和结构研制方面的经验。

1 概述

大口径超高温蝶阀用于催化裂化装置能量烟气回收系统，装置的正常操作温度 680℃，允许最高连续使用温度 720℃，最高超温 800℃，输送含有催化剂颗粒的再生烟气介质。由于介质对阀门冲刷 强烈，为防止阀体壁厚因冲刷减薄而失效，阀体内大面积堆焊硬质合金，阀体极易产生变形和开裂，堆焊难度较大。因为系统温度较高，金属材料在高温中机械性能急剧下降，阀门应选用耐高温材料。为防止阀门泄漏超标，引起系统烟机不能正常停车，从而造成重大事故，对阀门密封结构及其零件的加工精度要求较高。不锈钢阀门网。

2 结构特点

大口径超高温蝶阀阀体由钢板和锻件法兰焊接而成。阀杆为整体锻件结构，由外部轴承座支撑，并通过二端销连接带动阀瓣转动。2 个半圆阀座前后错开，与阀瓣呈对称式分布，结合对称式流线形结构的阀瓣，使阀门具有良好的流通性能。3 组填料密封，外加密封剂和吹扫二道辅助密封组成了高可靠性阀杆填料密封系统（图 1）。

3 设计依据

3.1 使用工况

• 工作压力：0.199MPa
• 操作温度：680℃
• 使用温度：720℃（连续工作最高温度）
• 最高超温：800℃（< 15min，每年少于 6 次）
• 输送介质：含有催化剂颗粒的再生烟气（最大颗粒直径为 9.6μm，烟气中催化剂密度 < 200g/m3
• 烟气流量：67kg/s（最大）
• 介质流向：水平
• 烟气分子量：29.1

3.2 设计参数

• 烟气流量：63kg/s（标准）
• 设计压力：0.259MPa
• 设计温度：704℃
• 设计压差：0.152MPa
• 腐蚀裕度：3.2mm
• 阀体直径：1219mm（48in. 内径）
• 流通面积：7503cm²（全开启）
• 全开C_v值：42800
• 泄漏率：最大流量的 0.67%（C_vmax 值的 0.16%）

4 研制

根据使用工况和设计参数要求，阀门研制的关键技术为正确选用主体材料、计算阀体最小壁厚、设计密封副结构和阀杆填料密封系统。

4.1 主体材料选用

（1）阀体材料 阀门设计执行标准为 ASMEB16.34。按该标准中的压力 – 温度表计算得到的阀门常温下的压力等级数，就是设计基准，并以此来计算最小壁厚。在设计过程中，阀体材料也选 ASMEB16.34 标准规定的材料，并且材料的适用温度高于阀门工况最高温度。经过查阅了大量国内外类似工况的阀门设备材料使用情况，结合对高温材料的使用经验，选择了性价比较高的 304H 作为阀体材料。此材料可减小蠕变对材料的影响。不锈钢阀门网。

（2）阀杆材料 根据高温强度估算，奥氏体钢在 704℃ 的高温工况下，强度降低 64.5% 以上，如 果采用加大阀杆直径提高其强度的方法，则超出阀门结构要求，因此奥氏体钢不适宜做阀杆材料。

lnconel X – 750 在 704℃ 的高温工况时，强度降低 41.3%，但强度值还很大（ 表 1）。根据屈服强度，并考虑持久强度计算得到的阀杆直径，符合阀门结构要求，因此阀杆材料选用 lnconel X – 750。

4.2 结构设计

（1）阀体最小壁厚

阀体最小壁厚计算是为了保证阀门的压力边界完整。最小壁厚采用规则法计算，计算标准按 ASMEB16.34，在选择压力 – 温度额定值时，有 2 种磅级选择法。一种是选择标准磅级，计算得到的最小壁厚比较大，比较安全。另一种是选择特殊磅级，计算得到的最小壁厚比标准磅级小，但无损检测要求较严。根据高温工况的设计经验，选择了这二种磅级的组合形式，即在计算最小壁厚的压力 – 温度额定值时，选用标准磅级，而阀体的无损检测要求按特殊磅级。

首先按标准磅级计算压力等级额定指数 P_c。

1. 已知设计温度 704℃，设计压力 0.259MPa，主体材料 304H，按照 ASMEB16.34 采用插入法计算得到 P_c = 178lb。
2. 已知阀体进口流道内径 d_m = 1219mm，P_c = 178lb，按照 ASMEB16.34，采用插入法计算，最小壁厚为 28.42mm。
3. 48in. 大口径阀门应考虑结构应力，需要增加壁厚附加值，其数值取 6.35mm。
4. 考虑腐蚀裕度需增加壁厚附加值 3.2mm。
5. 考虑结构应力和腐蚀裕度后的最小壁厚为 28.42 + 6.35 + 3.2 = 37.97mm。阀体最小壁厚取值为 38mm。

（2）密封副结构

阀门泄漏率要求为最大流量的 0.67%，当泄漏超标就会引起系统烟机不能正常停车，从而造成重大事故。普通烟气蝶阀阀体通道内没有阀座，阀瓣仅起调节烟气介质流量的作用，不起密封作用（图 2）。根据性能要求，大口径高温蝶阀设有阀瓣和阀座密封副，对阀门的流通性能 、密封可靠性和启闭力矩 3 个方面进行了设计研究。首先按常规蝶阀设计了密封副（图 3），此形式密封可靠，虽然阀瓣旋转中心与密封面存在偏心力矩，使启闭力矩增大，但经过计算，力矩也在可以接受的范围之内。此结构的缺点是流通性能差，不能满足全开截面积的设计要求。经过反复设计、修改和计算，完成了对开式阀座密封副设计（图 4），该阀座是 2 个半圆阀座，它们前后错开与阀瓣呈对称式分布，使得阀瓣能够设计成对称式流线形结构，使阀门具有良好的流通性能，从而满足了全开截面积要求和全开 C_v 值要求。由于阀瓣结构对称，所以启闭力矩较小。虽然其密封面某一处可能有泄漏现象，但只要合理控制阀瓣和阀座的尺寸精度、形位公差和二者之间的装配误差，就能有效控制泄漏率在合格范围之内。不锈钢阀门网。

（3）阀杆密封结构

蝶阀用于催化裂化装置能量回收系统，装置上最高连续使用温度 720℃，最高超温达 800℃，不但工况恶劣，而且检修周期长（最短为一年），要求在检修周期内阀杆密封可靠。阀杆的密封是通过填料组件实现。该填料组件由装在填料函内的内侧、中间和外侧 3 组填料、4 个隔环、2 个止动螺栓、压套、压板和一组碟簧及螺柱螺母组成，外加吹扫系统和密封剂注入口来辅助密封（图 5）。

隔环 1 设计长度尽可能长，使内侧填料离高温区远些，可延长填料及阀杆的使用寿命。隔环 2 的作用是让内侧和中间二组填料压缩均匀。隔环 3 的主要作用是容纳密封剂。隔环 4 为开槽式，它与止动螺栓配合使用，当外侧填料紧固时，也就紧固了其他填料。止动螺栓的作用是限制填料系统的相对位置。碟簧的作用是即使填料发生松弛，碟簧的预紧力也能保证填料处于相对压紧状态，防止因填料 松弛而泄漏。

当发生泄漏时，吹扫系统中的流量指示器将显示出流量。如果是漏向外侧，可通过紧固填料螺栓来紧固外侧的填料。当内侧泄漏时，可从密封剂注入口注入密封剂来加强中间填料。当隔环 4 接触到底仍有泄漏时，必须更换外侧填料。更换外侧填料时，必须加强中间填料并且在获得中间密封后，将吹扫装置关断。这时可在运行时卸除并更换外侧填料。

吹扫系统仅作为备用装置。当内侧填料磨损不能形成密封情况下，使用吹扫装置，从而使阀杆或隔环不出现损坏。吹扫装置连接到高于阀门工作压力 0.04 ～ 0.07MPa 的一个氮气或仪表空气的连续供气源上。即使出现泄漏，泄漏的将是吹扫介质，无任何危险，确保阀门使用安全。不锈钢阀门网。

（4）超高温填料

填料选用柔性石墨。其在空气中氧化温度为 450℃，并在此温度下每 24h 后质量减轻 1%。温度越高，质量减轻得越多，氧化现象越严重。柔性石墨填料最高使用温度为 650℃，且仅用于非氧化介质。考虑到填料在填料函内处于压紧密封状态，只有一部分与空气接触，有资料介绍处于这种状态的填料使用温度可达 816℃。为了验证填料的可靠性，做了多次试验。

首次试验是将填料压紧在模拟的填料函内，放入热处理炉中加热到 816℃ 后保温 48h 取出，原来灰黑色的填料变得灰黄，轻碰即碎，显然填料已经失效，但又不象氧化失效。经分析确认，常规填料因为要防止 Cr13 材料的阀杆产生点腐蚀需填加缓蚀剂，是缓蚀剂导致了填料在高温下失效。考虑到 lnconel X – 750 阀杆材料不存在点腐蚀倾向，所以填料内可以不加缓蚀剂。将不含缓蚀剂的填料压紧 在模拟 的 填 料 函 内，经 加 热 至 816 ℃并 保 温 48 h 后，灰黑色填料没有变色，填料的弹性也没变化，只是跟空气接触部分有明显的氧化现象。为了改进柔性石墨的高温性能，将不含缓蚀剂的柔性石墨与高温抗氧化板制成的填料压紧在模拟的填料函内，经加热至 816℃ 并保温 48h 后，灰黑色的填料没有变色，填料的弹性也没变化，跟空气接触部分有少许氧化现象。由此初步证实了处于压紧密封状态的填料使用温度可达 816℃ 的可靠性。经过多次试验改进制成了超高温柔性石墨填料。

5 结语

大口径超高温蝶阀的研制成功，主要解决了阀体主体材料的选用、蝶阀密封副结构及阀杆密封结构的设计等问题，并通过试验选取了超高温填料，为石化行业催化裂化装置系统用阀门的设计和制造取得了经验。