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碳素鋼和不銹鋼材質在閥門中應用

發表時間：2022-3-15, 編寫人:上海川滬閥門有限公司

閥體、閥蓋、閘板（閥瓣、蝶板、球體）是閥門的承壓件和控壓件，直接承受介質壓力，所選用的材料在規定的介質溫度和壓力作用下，必須能夠達到力學性能要求，并具有良好的冷、熱加工性能。

通常制造閥體、閥蓋和閘板（閥瓣、蝶板、球體）的材料通常有碳素鋼、不銹鋼等材質。

碳素鋼

碳素鋼適用于非腐蝕性介質閥門，在某些特定條件下，如在一定溫度范圍和濃度條件下，也可以用于某些腐蝕性介質閥門，適用溫度范圍為-29~ 425℃。

1.碳素鑄鋼

國家標準GB/T 12229—2005《通用閥門 碳素鋼鑄件技術條件》規定了鑄件鋼種和化學元素的質量分數。

美國標準ASTM A216/A216M—2016《可熔焊高溫用碳鋼鑄件》規定了鑄件鋼種和化學元素的質量分數，以及鑄件的力學性能和許用應力。

歐洲標準EN 1503-1：2000《閥體、閥蓋用閥門材料》規定了鑄鋼件的鋼號和化學元素的質量分數，以及其熱處理、力學性能和許用應力值。

不銹鋼

閥門中常用的不銹鋼是奧氏體型不銹鋼和雙相不銹鋼（既含奧氏體相又含鐵素體相），用于承壓件和腐蝕性介質，適用溫度范圍為-269（液氦）~ 816℃。常用的溫度范圍是-196~ 650℃。

1.不銹鋼的耐蝕機理

奧氏體型不銹鋼具有良好的耐蝕性、高溫抗氧化性能和耐低溫性能。因此，被廣泛用于制作耐蝕閥門、高溫閥門和低溫閥門。

奧氏體型不銹鋼的耐蝕性是相對的，并非能夠承受所有腐蝕性介質。金屬的腐蝕現象或所謂的耐蝕性，根據腐蝕性介質的種類、濃度、溫度、壓力、流速等環境條件，以及金屬本身的性質和材料中各化學元素的質量分數、加工性，熱處理等諸因素的差異，而有不同的腐蝕狀態和腐蝕速度。例如，不銹鋼具有良好的耐蝕性，但因為腐蝕環境或使用條件的不同，也可能發生意想不到的腐蝕破壞事故。因此，應充分地了解腐蝕介質和耐蝕材料的性能，才能正確選擇耐蝕材料種類。

金屬的腐蝕形態可分為兩大類，即均勻（全面）腐蝕和局部腐蝕。均勻（全面）腐蝕包括全面成膜腐蝕和無膜腐蝕。

（1）全面成膜腐蝕 腐蝕在金屬的全部或大部分面上進行，而且生成保護膜，具有保護性。例如，碳素鋼在稀硫酸中腐蝕得很快，當硫酸含量（質量分數）大于50%時，腐蝕率達到大值；此后如果硫酸含量繼續增加，腐蝕率反而下降。這是由于濃硫酸的強氧化性使鐵的表面生成一層組織致密的鈍化膜，這種鈍化膜不溶于濃硫酸，從而起到了阻礙腐蝕的作用。

（2）無膜腐蝕 無膜全面腐蝕很危險，因為它是保持一定腐蝕速度全面進行。

（3）局部腐蝕 局部腐蝕的形態有13種，如縫隙腐蝕、脫層腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕等。據調査，化工裝置中局部腐蝕約占70%。在諸多局部腐蝕形態中，與閥門制造有關且常見的是晶間腐蝕。

均勻腐蝕的程度一般用腐蝕率來表示，但對于如何評價腐蝕率則有不同規定。《石油化工企業管道設計器材選用通則》規定，金屬材料按腐蝕能力可分為以下四類：年腐蝕速率不超過0.05mm的材料，為充分耐蝕材料；年腐蝕速率為0.05~0.1mm的材料，為耐蝕材料；年腐蝕速率為0.1~0.5mm的材料，為尚耐蝕材料；年腐蝕速率超過0.5mm的材料，為不耐蝕材料。

局部區域沿著結晶粒子邊界向深度方向腐蝕的形式稱晶間腐蝕。這種腐蝕形式從外表看不出腐蝕跡象，嚴重時可以貫穿整個機體厚度。

產生晶間腐蝕的原因是沿晶界邊界析出碳化鉻Cr23C6或FeCr化合物，稱δ相，使晶界周圍貧鉻，在適合的腐蝕介質（產生晶間腐蝕的介質）中，將形成碳化鉻（陰極）-貧鉻區（陽極）電池，使晶界貧鉻區發生腐蝕。

可以看出，晶間腐蝕是有條件的，其內因是必須有碳化鉻或δ相沿晶界析出，使晶界貧鉻；其外因是必須有腐蝕貧鉻區的介質，水和一些中性溶液并不腐蝕貧鉻區，所以即使存在貧鉻區也不會產生晶間腐蝕。如果晶界不貧鉻，則即使有產生晶間腐蝕的介質，也不會產生晶間腐蝕，所以產生晶間腐蝕的內因、外因缺一不可。

產生貧鉻區的原因：一是鋼液化學成分不合格，如碳高、鉻低或含鈦、鈮的不銹鋼中，碳鈦化或碳化鈮不足；二是熱處理工藝不正確或焊接、加工時加熱至碳化物析出溫度，但在900~400℃冷卻速度不夠快而析出碳化物造成貧鉻。

控制奧氏體型不銹鋼晶間腐蝕有三種方法：①執行正確的熱處理工藝，將鋼加熱至1100℃水淬（急冷），使碳化物向固溶體中溶解；②加入固定碳的元素鈦或鈮；③采用含碳量（質量分數）不大于0.03%的超低碳不銹鋼。

奧氏體型不銹鋼可作為高溫用鋼，高溫用鋼是指在高溫（350℃以上）下具有較高強度的鋼材。一般來說，在沒有耐腐蝕性問題的情況下，含碳量高（在規定范圍內）的不銹鋼，其高溫強度也高。至于何種牌號的不銹鋼的高使用溫度是多少，可通過查閱GB/T 12224—2005《鋼制閥門 一般要求》和ASME B16.34—2017《法蘭、螺紋和焊接連接的閥門》中的壓力-溫度額定值表得出。

2.不銹鋼鑄件

國家標準GB/T 12230—2016《通用閥門 不銹鋼鑄件技術條件》規定了不銹鋼鑄件的化學成分、熱處理規范和力學性能。

美國標準ASTM A351/A351M—2018《承壓元件用奧氏體、奧氏體-鐵素體（雙相）鑄件》規定了不銹鋼鑄件的鋼種、化學成分要求、熱處理要求、力學性能和許用應力。

3.不銹鋼鍛件和棒材

國家標準GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》規定了不銹鋼鍛件和棒材的鋼種、化學成分和力學性能，以及不銹鋼棒或試樣的典型熱處理制度。

美國標準ASTM A182/A182M—2018《高溫用鍛制或軋制合金鋼和不銹鋼 管法蘭、鍛制管件、閥門與部件》規定了鋼種及其化學成分、力學性能、熱處理規范、焊補要求、許用拉應力、許用彎曲應力和許用切應力。