特殊合金閥門材質(zhì)的選擇及應(yīng)用

薛慧濤，李耀旭，薛 峰，卜明光，方玉晨，馬云飛，徐東霞，周 勇

（1.神華工程技術(shù)有限公司，北京 100011； 2.國家管網(wǎng)集團工程技術(shù)創(chuàng)新有限公司，天津 300450；3.中國石油工程建設(shè)公司華北分公司，河北 任丘 062550）

0 前 言

閥門作為石油、化工、長輸管線、市政工程等流體傳輸系統(tǒng)的控制部件，具有導流、截止、調(diào)節(jié)、防止逆流等功能。閥門材料選用是否安全合理，對閥門自身、管道系統(tǒng)的使用安全以及整個工廠的安全運行至關(guān)重要。

鑄鐵、碳素鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼等通用材料閥門普遍應(yīng)用在公用工程及具有一定腐蝕性的工況下，使用經(jīng)驗較為成熟；而雙相不銹鋼、蒙乃爾合金、英康奈爾合金材料的特殊用途閥門常應(yīng)用在特殊腐蝕工況，且造價昂貴，因此需要慎重選擇使用。了解其金屬材料的特性、掌握正確的工程選材原則對生產(chǎn)裝置建設(shè)的經(jīng)濟性和運行的可靠性都具有十分重要的意義。本研究分析了特種合金的特性以及使用注意事項，以期為工程設(shè)計人員選擇閥門材料提供一定的參考和借鑒。

1 雙相不銹鋼

雙相不銹鋼是指不銹鋼中兼具奧氏體和鐵素體組織的一個鋼種，其固溶體組織中兩個組織各占50%左右，通常鐵素體的含量在35%以上，且任一相的數(shù)量一般不超過65%。雙相不銹鋼性能上不僅保留了奧氏體不銹鋼優(yōu)良的韌性和焊接性能，同時具有鐵素體不銹鋼的高強度等優(yōu)點。

1.1 分類及牌號

雙相不銹鋼的主要成分為Fe、Cr、Ni、Mo等元素，雙相不銹鋼鑄造牌號執(zhí)行 ASTM A890 /A890M 標準。在 ASTM A890/A890M－18a 標準中，根據(jù)化學成分的差別，鑄造雙相不銹鋼有1B、1C、2A、3A、4A、5A、6A 和 7A 等 8 個等級[1]。我國雙相不銹鋼鑄件標準GB/T 2100—2017 中也有與ASTM A890/890M標準相對應(yīng)的材料牌號。

美國鍛造雙相不銹鋼主要執(zhí)行標準為 ASTM A182 /A182M－20， 其 中 有F50、 F51、 F52、F53、F54、F55、F57、F59、F60、F61、F65、F66、F67、F68、F69 和F71 等16 個牌號。我國不銹鋼鍛件標準NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》中規(guī)定了六種鍛造雙相不銹鋼牌號[3]。由于使用習慣且美標牌號更豐富，目前國內(nèi)閥門產(chǎn)品仍主要采用美國雙相不銹鋼牌號標準，其中常用牌號主要為ASTM A182 標準的F51/F53/F55/F61，ASTM A890 標準的1B/4A/5A/6A。雙相不銹鋼的耐點蝕能力和點蝕敏感系數(shù)（PREN=Cr%+3.3%Mo+16%N）相關(guān)，而PREN值跟材料的成分相關(guān)，材料牌號不同，成分不同，耐點蝕能力也有差異。

1.2 性能及應(yīng)用

不銹鋼的成分和組織對應(yīng)力腐蝕開裂敏感性（SCC）起著關(guān)鍵性作用。奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中容易發(fā)生SCC，而鐵素體具有更好的抗SCC 性能。鐵素體晶粒越小，抗SCC 性能越好，所以雙相不銹鋼具有較高的抗氯化物SCC 性能，其應(yīng)力腐蝕開裂的門檻值約為奧氏體不銹鋼的3倍。在Cr-Ni 系不銹鋼中，固溶組織中鐵素體相和奧氏體相的比例常使用“鉻當量”和“鎳當量”來計算和評價[4]。

雙相不銹鋼解決了304 L、316 L等奧氏體不銹鋼在Cl-應(yīng)力腐蝕下產(chǎn)生SCC 的危險，尤其是在孔蝕引起的應(yīng)力腐蝕破裂場合。所以在Cl-應(yīng)力腐蝕的諸多場合，雙相不銹鋼得到廣泛應(yīng)用，例如煉油工業(yè)的催化裂化和加氫裂化裝置、石化行業(yè)的聚氯乙烯裝置和氯乙烯生產(chǎn)裝置、煤化工的污水處理裝置等。

1.3 使用注意事項

雙相不銹鋼組織中σ相硬且脆，其析出量直接影響雙相鋼的耐腐蝕性能。為了避免造成韌性和耐腐蝕性能下降，雙相不銹鋼固溶處理后需要快冷以縮短σ 相析出過程。雙相鋼在316～540 ℃范圍內(nèi)長時間停留就會析出σ 相，國家和石化行業(yè)標準均對雙相鋼材料的使用溫度做出了相關(guān)規(guī)定，雙相不銹鋼的連續(xù)使用溫度上限要低于奧氏體不銹鋼。SH/T 3059—2012《石油化工管道設(shè)計器材選用規(guī)范》第6.2節(jié)規(guī)定：雙相不銹鋼的使用溫度不宜高于300 ℃。GB/T 20801.2—2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》附錄C3.2和附錄C6.9分別提出設(shè)計選材時應(yīng)注意雙相鋼475 ℃脆性和σ 相脆化的問題，所以在進行閥門選材時，不應(yīng)將雙相鋼應(yīng)用在高溫場合。

另外，雙相不銹鋼閥門一般采用950 ℃固溶退火處理消除應(yīng)力，因為在950 ℃以下，馬氏體組織會逐漸析出脆性相，這與奧氏體不銹鋼通常在600～800 ℃條件下進行熱處理來消除應(yīng)力有所不同。

2 蒙乃爾合金

蒙乃爾（Monel）合金為50%Ni 和30%Cu 的Ni-Cu系合金。在蒙乃爾合金中，Ni元素作為基體，提供鈍化能力；Cu元素作為主要合金元素，提高合金在還原性介質(zhì)中的耐腐蝕性。此外還加入了Fe、C、Si等元素提升合金的組織性能。

2.1 分類及牌號

鑄造蒙乃爾合金在ASTM A494/494M-18a 標準 中 主 要 有M35-1、M35-2、M30H、M25S、M30C 五個牌號。我國在2017年也發(fā)布了鑄造閥門的鎳基合金標準GB/T 35740—2017《工業(yè)閥門用鎳和鎳基合金鑄件技術(shù)條件》，規(guī)定了Ni-Cu合金M35-1 和M30C 兩個鑄造牌號。實際生產(chǎn)使用中，牌號M35-1 合金因為C、Si 含量相對較低，更適于閥門鑄造而被廣泛應(yīng)用。

鍛造蒙乃爾合金牌號主要有Monel400、MonelC、 Monel403、 Monel404、 MonelR-405、Monel406、Monel411、MonelK500、Monel501 和Monel502 等。ASTM B564 標準規(guī)定了鎳銅合金UNS N04400（Monel400）的化學成分和力學性能；ASTM B865-04 標準規(guī)定了沉淀硬化鎳銅鋁UNS N05500的化學成分和力學性能。Monel400和Monel K500是耐蝕閥門鍛造蒙乃爾合金較為常用的兩個牌號，Monel K500 是在Monel400 的基礎(chǔ)上加入Al、Ti 得到的可時效硬化的蒙乃爾合金牌號。

我國標準中NB/T 47028—2012《壓力容器用鎳及鎳合金鍛件》中規(guī)定了NiCu30 鎳銅合金牌號，其參照了ASTM 標準N0400（Monel400）的化學成分和力學性能。GB/T 26030—2010《鎳及鎳合金鍛件》 規(guī)定了NiCu30、NiCu30-LC、NiCu30Al3Ti三個鎳銅合金牌號，其中NiCu30 對應(yīng)牌號Monel400。我國暫時還沒有相關(guān)閥門用鎳合金鍛件的技術(shù)標準。

2.2 性能與應(yīng)用

作為鎳基合金的蒙乃爾合金，具有優(yōu)異的抗還原酸、抗強堿介質(zhì)及耐海水腐蝕的性能，被廣泛應(yīng)用于氫氟酸、鹽酸、氯堿及還原性酸介質(zhì)的設(shè)備和閥門中。蒙乃爾合金對氫氟酸的耐腐蝕性優(yōu)良，可以使用在各種濃度的氫氟酸中，在濃度10%氫氟酸沸點下依然可以使用。在氫氟酸系統(tǒng)使用時，蒙乃爾合金閥門有兩種，一種是閥體、內(nèi)件均為蒙乃爾合金，另一種是碳鋼閥體、蒙乃爾合金內(nèi)件，兩種閥門依據(jù)工況的溫度和含水率進行選擇。由于Ni 與S、O 易發(fā)生化學反應(yīng)，因此蒙乃爾合金不抗含硫介質(zhì)和強氧化性介質(zhì)的腐蝕，GB/T 20801—2020 第7.2.4 節(jié) 和SH/T 3059—2012 第6.2.2 節(jié) 都 對鎳銅合金在含硫環(huán)境、以及氧化和還原環(huán)境的使用溫度做出了明確的限制。

蒙乃爾合金因在氧氣中具有優(yōu)異的阻燃性能和較高的“豁免壓力”，而被用作煤氣化及其他高壓氧氣工況下閥門和管道的主體材料，常見的金屬“豁免壓力”和最小壁厚要求見表1。例如，陜北某煤氣化裝置9.8 MPa 界區(qū)高壓氧氣的儀表根部閥內(nèi)件就采用Monel K500合金。

表1 常見的金屬“豁免壓力”和最小壁厚要求（IGC Doc 13/12/E標準）

2.3 使用注意事項

由于鑄造和鍛造材料制備工藝的不同，ASTM 標準中蒙乃爾鑄造合金和鍛造合金在化學成分上做了調(diào)整，所以蒙乃爾合金鑄件牌號和鍛件牌號之間沒有一一對應(yīng)關(guān)系。

我國GB/T 35740—2017《工業(yè)閥門用鎳和鎳基合金鑄件技術(shù)條件》與ASTM A494/494M 相比，是專門針對鎳合金鑄造閥門的規(guī)范，針對性更強。GB/T 35740—2017規(guī)定：鑄件不接受重大補焊；閥門必須為法蘭閥門，不應(yīng)采用焊接形式連接；閥門密封面只接受本體密封面，不接受堆焊合金形式；另外在化學成分、冶煉鑄造、鑄件質(zhì)量要求等方面，做出了更加嚴格而具體的規(guī)定[12]。工程人員在工程設(shè)計和閥門采購中應(yīng)注意相關(guān)標準的區(qū)別。

3 英康乃爾合金

英康奈爾合金（Inconel）是在一種比不銹鋼含Ni量高、含F(xiàn)e量低的鎳基合金，其耐熱堿液、堿硫化物的腐蝕性比不銹鋼好，并且耐高溫和高溫腐蝕。

3.1 分類及牌號

與美國ASTM標準相比，我國標準在鎳鉻鐵合金方面還相對欠缺，國內(nèi)閥門材料多執(zhí)行美國ASTM 標準，表2 為英康奈爾合金鑄件和鍛件對照表。

表2 英康奈爾合金鑄件和鍛件對照表

3.2 性能與應(yīng)用

Inconel600 是鎳鉻鐵合金，高含鎳量使合金在還原環(huán)境中具備良好的耐蝕性，高含鉻量使合金與Ni 相比具有更優(yōu)異的耐氧化性能[13]。Inconel600 對高溫硫酸、各種高濃度的有機酸具有良好的耐腐蝕性，比如常溫磷酸、脂肪酸等，但不能用于高溫的氫氟酸和濃鹽酸，在高溫強堿中也會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。GB/T 20801—2020 第7.2.4節(jié)和SH/T 3059—2012第6.2.2節(jié)都對鎳鉻鐵合金在含硫環(huán)境、以及氧化和還原環(huán)境的使用溫度做出了明確的限制。

Inconel625 是低碳鎳鉻鉬鈮合金，對各種腐蝕介質(zhì)具有良好的耐腐蝕性，常用于還原性酸，抗點蝕、縫隙腐蝕等工況，在煙氣脫硫的酸性氣體環(huán)境應(yīng)用廣泛。Inconel625 合金常用在煤氣化裝置的高壓氧氣管道中，金屬豁免壓力和最小厚度要求見表1。

4 結(jié)束語

雙相不銹鋼、蒙乃爾合金、英康奈爾合金作為特殊用途的閥門材料，以其優(yōu)良的耐蝕性和力學性能在石化行業(yè)的特殊腐蝕場合發(fā)揮了重要作用。目前，我國特殊合金閥門無論是材料加工、關(guān)鍵部件制造，還是標準制定方面與國外發(fā)達國家相比還有一定差距，而經(jīng)濟、合理的使用特殊閥門也是工程設(shè)計人員需要關(guān)注的部分，只有在工程設(shè)計中正確選材才能保證生產(chǎn)裝置的長期穩(wěn)定運行。