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高溫閥門(mén)5級(jí)高溫等級(jí)劃分
上海申弘閥門(mén)有限公司
之前介紹高壓減壓閥，現(xiàn)在介紹高溫閥門(mén)的高溫等級(jí)和主體材料高溫閥門(mén)5級(jí)高溫等級(jí)劃分高溫工況主要包括亞高溫、高溫Ⅰ級(jí)、高溫Ⅱ級(jí)、高溫Ⅲ級(jí)、高溫Ⅳ級(jí)、高溫Ⅴ級(jí)，下面分別做介紹。 目前閥門(mén)行業(yè)對(duì)高溫閥門(mén)的高溫等級(jí)劃分，尚無(wú)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。我廠根據(jù)幾十年生產(chǎn)高溫閥門(mén)的經(jīng)驗(yàn)將高溫等級(jí)劃分為5級(jí)。將閥門(mén)的工作溫度t>425~550℃（800~1000°F）定為高溫I級(jí)，簡(jiǎn)稱(chēng)PⅠ級(jí)。閥門(mén)工作溫度t>550~650℃（1000~1200下）定為高溫Ⅱ級(jí)，簡(jiǎn)稱(chēng)PⅢ級(jí)。閥門(mén)工作溫度t>650~730℃（1200~1350下）定為高溫Ⅲ級(jí)，簡(jiǎn)稱(chēng)PⅢ級(jí)。閥門(mén)工作溫度t> 730~816℃（1350~1500°F），稱(chēng)其為高溫Ⅳ級(jí)，簡(jiǎn)稱(chēng)PⅣ級(jí)。閥門(mén)的工作溫度t>816℃（1500下）以上的溫度區(qū)域，稱(chēng)為閥門(mén)的zui高溫度級(jí)，即高溫V級(jí)，簡(jiǎn)稱(chēng)PV級(jí)。
摘 要：介紹了高溫閥門(mén)的高溫等級(jí)劃分方法及各溫度等級(jí)高溫閥門(mén)的主體材料。
關(guān)鍵字：高溫閥門(mén) 高溫等級(jí) 主體材料
1 高溫閥門(mén)5級(jí)高溫等級(jí)劃分概述
上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：截止閥,電動(dòng)截止閥在一般資料中將閥門(mén)工作溫度t>450℃的閥門(mén)稱(chēng)為高溫閥門(mén)。然而，僅以工作溫度t>450℃是很難詳細(xì)地區(qū)分各種溫度的高溫閥門(mén)的。低溫閥門(mén)通常按低溫介質(zhì)和與之相匹配的閥門(mén)主體材料分為-46℃級(jí)（液態(tài)丙烷）、-73℃ 級(jí)（液態(tài)丙烯、液態(tài)硫化氫）、-101℃級(jí)（液態(tài)乙烯）、-196℃級(jí)（液氮） 和-254℃級(jí)（液氫）。其中-46℃級(jí)閥門(mén)主體材料可用LCB和LCC， -73℃級(jí)可用LC2，-101℃級(jí)可用CF8、CF8C和LC3，-196℃級(jí)可用CF8、CF8M和LC9，-254℃級(jí)可用CF3M和CF8M等。與此相同的是不同溫度級(jí)別的高溫閥門(mén)也同低溫閥門(mén)一樣，它所用的閥門(mén)主體材料及內(nèi)件材料是不同的，甚至設(shè)計(jì)理念和方法也是有區(qū)別的。所以，為了確保高溫閥門(mén)能按其所對(duì)應(yīng)的高溫工況，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)和選材，劃分閥門(mén)的高溫等級(jí)是*必要的。
目前調(diào)節(jié)閥行業(yè)對(duì)高溫閥門(mén)的高溫等級(jí)劃分尚無(wú)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。通常人們將工作溫度t>450℃的閥門(mén)稱(chēng)為高溫閥門(mén)。然而，僅以工作溫度t>450℃是很難詳細(xì)地區(qū)分各種溫度的高溫閥門(mén)的。低溫閥門(mén)通常按低溫介質(zhì)和與之相匹配的閥門(mén)主體材料分為-46℃級(jí)（液態(tài)丙烷）、-73℃ 級(jí)（液態(tài)丙烯、液態(tài)硫化氫）、-101℃級(jí)（液態(tài)乙烯）、-196℃級(jí)（液氮） 和-254℃級(jí)（液氫）。其中-46℃級(jí)閥門(mén)主體材料可用LCB和LCC， -73℃級(jí)可用LC2，-101℃級(jí)可用CF8、CF8C和LC3，-196℃級(jí)可用CF8、CF8M和LC9，-254℃級(jí)可用CF3M和CF8M等。與此相同的是不同溫度級(jí)別的高溫閥門(mén)也同低溫閥門(mén)一樣，它所用的閥門(mén)主體材料及內(nèi)件材料是不同的，甚至設(shè)計(jì)理念和方法也是有區(qū)別的。所以，為了確保高溫閥門(mén)能按其所對(duì)應(yīng)的高溫工況，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)和選材，劃分閥門(mén)的高溫等級(jí)是*必要的。
我廠根據(jù)幾十年生產(chǎn)高溫閥門(mén)的經(jīng)驗(yàn)將高溫等級(jí)劃分為5級(jí)。將閥門(mén)的工作溫度t>425~550℃（800~1000°F）定為高溫I級(jí)，簡(jiǎn)稱(chēng)PⅠ級(jí)。閥門(mén)工作溫度t>550~650℃（1000~1200下）定為高溫Ⅱ級(jí)，簡(jiǎn)稱(chēng)PⅢ級(jí)。閥門(mén)工作溫度t>650~730℃（1200~1350下）定為高溫Ⅲ級(jí)，簡(jiǎn)稱(chēng)PⅢ級(jí)。閥門(mén)工作溫度t> 730~816℃（1350~1500°F），稱(chēng)其為高溫Ⅳ級(jí)，簡(jiǎn)稱(chēng)PⅣ級(jí)。閥門(mén)的工作溫度t>816℃（1500下）以上的溫度區(qū)域，稱(chēng)為閥門(mén)的zui高溫度級(jí)，即高溫V級(jí)，簡(jiǎn)稱(chēng)PV級(jí)。
一、閥門(mén)分級(jí)方法
閥門(mén)的高溫等級(jí)符號(hào)用P表示，是因?yàn)樵?0世紀(jì)70年代，我廠開(kāi)發(fā)PI級(jí)和PⅡ級(jí)高溫閥門(mén)時(shí)，閥門(mén)的主體材料用的是ZG1Cr18Ni9Ti不銹耐熱鋼， 而該材料代號(hào)是用P來(lái)表示的。因此，用P加注羅馬數(shù)字腳碼表示高溫閥門(mén)的高溫等級(jí)。PⅢ級(jí)的上限溫度定在730℃ 是因?yàn)闊捰蛷S目前所用的閥門(mén)zui高工作溫度為730℃，所以，就以730℃為PⅢ級(jí)高溫閥門(mén)的上限溫度。將PⅣ級(jí)的上限溫度定為816℃是因?yàn)殚y門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)選用的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.34的壓力-溫度等級(jí)中提供參數(shù)的zui高工作溫度為1500°F（816℃），再高無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)可選用。另外，溫度超過(guò)816℃以后，鋼就接近進(jìn)入了鍛造溫度區(qū)域了，此時(shí)金屬處于塑性變形區(qū)間，金屬的可塑性好，難以承受高的工作壓力和沖擊力而保持不變形，故將PⅣ級(jí)高溫閥門(mén)的上限溫度定為816℃ 。從PI級(jí)~PⅣ級(jí)，以華氏溫度表示時(shí)，PⅠ級(jí)>800~1000°F，PⅡ級(jí)>1000~1200°F，PⅠ級(jí)~PⅡ級(jí)每-級(jí)的溫度差均為200°F。PⅢ級(jí)>1200~1350°F，PⅣ級(jí)>1350~1500°F，PⅢ級(jí)~PⅣ級(jí)每一級(jí)的溫度差均為150°F。用于PV級(jí)高溫的閥門(mén)必須采用特殊的設(shè)計(jì)手段，方能保證閥門(mén)（作切斷用閥門(mén)，而非調(diào)節(jié)型蝶閥類(lèi)的閥門(mén)）在此溫度區(qū)域正常工作。在816℃以上，閥門(mén)的上作溫度的高低已不是關(guān)鍵參數(shù)了，因?yàn)椴捎玫奶厥庠O(shè)計(jì)手段的原理基本上是一樣的，所以，對(duì)PV級(jí)高溫閥門(mén)的工作溫度不設(shè)限溫度。
“嚴(yán)格定義”的高溫閥門(mén)，其閥門(mén)的工作溫度高于425℃，主體材料采用高溫合金鋼或不銹耐熱鋼或Cr-Ni耐熱合金。但在實(shí)際應(yīng)用中，還經(jīng)常說(shuō)到閥門(mén)主體材料為WCB（或A105）的高溫球閥、高溫旋塞或高溫蝶閥等。需要指出它們是相對(duì)于用聚四氟乙烯和橡膠作密封圈時(shí)講的。例如，當(dāng)球閥的工作溫度高于150~180℃時(shí)，就不能用聚四氟乙烯做閥座了， 這時(shí)就要用對(duì)位聚苯（工作溫度t≤320℃）或金屬閥座了，此時(shí)稱(chēng)該球閥為“高溫球閥”同樣，金屬硬密封蝶閥相對(duì)于用橡膠或聚四氟乙烯做密封圈的軟密封蝶閥來(lái)講，它們耐溫高于用橡膠或聚四氟乙烯做密封圈的蝶閥，因而稱(chēng)其為“高溫蝶閥”。所以，工作溫度t≤425℃時(shí)的高溫球閥、高溫旋塞或高溫蝶閥，只是說(shuō)它們是相對(duì)于軟密封時(shí)為高溫，而不是“嚴(yán)格定義”上的高溫閥門(mén)。
1、 亞高溫
亞高溫是指閥門(mén)的工作溫度在325～425℃區(qū)域。如果介質(zhì)是水和蒸汽時(shí)，主要用WCB、WCC、A105、WC6和WC9。如果介質(zhì)是含硫油品時(shí)，主要用具有抗硫化物腐蝕的C5、CF8、CF3、CF8M和CF3M等。它們多用在煉油廠的常減壓裝置和延遲焦化裝置上，此時(shí)CF8、CF8M、CF3及CF3M材質(zhì)的閥門(mén)不是用于抗酸溶液腐蝕，而是用于含硫油品及油氣管路上。在此工況中，CF8、CF8M、CF3和CF3M的zui高工作溫度上限為450℃。
2、 高溫Ⅰ級(jí)
閥門(mén)的工作溫度為425～550℃時(shí)為高溫Ⅰ級(jí)(簡(jiǎn)稱(chēng)PI級(jí))。PI級(jí)閥門(mén)的主體材料為ASTMA351標(biāo)準(zhǔn)中的CF8為基形的“高溫Ⅰ級(jí)中碳鉻鎳稀土鈦耐熱鋼”。因PI級(jí)是特定的稱(chēng)呼，在這里包含了高溫不銹鋼(P)的概念。因此，如果工作介質(zhì)為水或蒸汽時(shí)，雖然也可用高溫鋼WC6(t≤540℃)或WC9(t≤570℃)，在含硫油品時(shí)雖然也可用高溫鋼C5(ZG1Cr5Mo)，但在這里不能稱(chēng)它們?yōu)镻I級(jí)。
3、 高溫Ⅱ級(jí)
閥門(mén)的工作溫度為550～650℃，定為高溫Ⅱ級(jí)(簡(jiǎn)稱(chēng)為PⅡ級(jí))。PⅡ級(jí)高溫閥門(mén)主要用于煉油廠的重油催化裂化裝置，它包含用在三旋噴嘴等部位的高溫襯里耐磨閘閥。PⅡ級(jí)閥門(mén)的主體材料為ASTMA351標(biāo)準(zhǔn)中的CF8為基形的“高溫Ⅱ級(jí)中碳鉻鎳稀土鈦鉭強(qiáng)化型耐熱鋼”。
4、 高溫Ⅲ級(jí)
閥門(mén)的工作溫度為650～730℃，定為高溫Ⅲ級(jí)(簡(jiǎn)稱(chēng)為PⅢ級(jí))。PⅢ級(jí)高溫閥門(mén)主要是用在煉油廠的大型重油催化裂化裝置上。PⅢ級(jí)高溫閥門(mén)主體材料為ASTMA351標(biāo)準(zhǔn)中的CF8M為基形的“高溫Ⅲ級(jí)中碳鉻鎳鉬稀土鈦鉭強(qiáng)化型耐熱鋼”。
5、 高溫Ⅳ級(jí)
閥門(mén)的工作溫度為730～816℃，定為高溫Ⅳ級(jí)(簡(jiǎn)稱(chēng)為PⅣ級(jí))。將PⅣ級(jí)閥門(mén)的工作溫度上限定為816℃是因?yàn)殚y門(mén)設(shè)計(jì)選用的標(biāo)準(zhǔn)ASMEB16134壓力-溫度等級(jí)中提供的zui高溫度為816℃(1500υ)。另外，工作溫度超過(guò)816℃以后，鋼就接近進(jìn)入了鍛造溫度區(qū)域，此時(shí)金屬處于塑性變形區(qū)間，金屬的可塑性好，難以承受高的工作壓力和沖擊力而保持不變形。PⅣ級(jí)閥門(mén)的主體材料為ASTMA351標(biāo)準(zhǔn)中的CF8M為基形“高溫Ⅳ級(jí)中碳鉻鎳鉬稀土鈦鉭強(qiáng)化型耐熱鋼”。CK-20及ASTMA182標(biāo)準(zhǔn)中F310(其中C含量≥01050%)及F310H等耐熱不銹鋼。
6、 高溫Ⅴ級(jí)
閥門(mén)的工作溫度>816℃以上，簡(jiǎn)稱(chēng)為PⅤ級(jí),PⅤ級(jí)高溫閥門(mén)(作切斷用閥門(mén)，而非調(diào)節(jié)型蝶閥類(lèi)的閥門(mén))必須采用特殊的設(shè)計(jì)手段，如襯隔熱襯里或通水或氣冷卻等，方能保證閥門(mén)的正常工作。所以，對(duì)PⅤ級(jí)高溫閥門(mén)的工作溫度上限不作規(guī)定，這是因?yàn)榭刂崎y門(mén)的工作溫度不是僅靠材料，而是用特殊的設(shè)計(jì)手段來(lái)解決的，而設(shè)計(jì)手段的基本原理是一樣的。PⅤ級(jí)高溫閥門(mén)可根據(jù)其工作介質(zhì)和工作壓力及采用的特殊設(shè)計(jì)方法等，選用合理的、能滿足該閥門(mén)的材料。在PⅤ級(jí)高溫閥門(mén)中，通常煙道插板閥或蝶閥的插板或蝶板常選用ASTMA297標(biāo)準(zhǔn)中的HK-30，HK-40高溫合金，它們能在1150℃以下抗氧化和還原性氣體中耐蝕，但不能承受沖擊和高壓載荷。
二、高溫閥門(mén)的主體材料
從表1中可以看出，在PⅠ級(jí)時(shí)，321和321H型不銹耐熱鋼的壓力-溫度額定值數(shù)據(jù)zui高。在PⅡ級(jí)也是321和321H型不銹耐熱鋼的壓力-溫度額定值數(shù)據(jù)zui高。所以從選優(yōu)的角度，應(yīng)是321和321H不銹耐熱鋼。然而321和321H均是軋材，而且在美國(guó)沒(méi)有與之相對(duì)應(yīng)的鑄造合金的牌號(hào)。因?yàn)?21其對(duì)應(yīng)的鑄造合金的牌號(hào)應(yīng)是CF8Ti，CF8Ti是指C≤0.08%的CF8型加鈦（Ti）的不銹鋼，它相當(dāng)于我國(guó)的ZG0Cr19Nil1Ti。321H其對(duì)應(yīng)的鑄造合金的牌號(hào)應(yīng)是CF10Ti，CF10Ti是指C≤0.10%的CF10型加鈦的高碳級(jí)不銹耐熱鋼，其相當(dāng)于我國(guó)的ZG1Cr18Ni9Ti。但由于美國(guó)既是貧鈦國(guó)，又是用鈦大國(guó)（鈦合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫及耐腐蝕等-系列優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地用于高性能戰(zhàn)斗機(jī)和火箭等裝備上），所以，美國(guó)的穩(wěn)定型鑄造不銹耐熱鋼只用其較富有的合金元素鈮（Nb，有時(shí)也用Cb表示），即ASTM A351中的CF8C（CF8C中的C表示Cb），而沒(méi)有含Ti的鑄造不銹耐熱鋼。在不銹鋼及不銹耐熱鋼中加鈦和鈮的作用是一樣的，都是用Ti或Nb穩(wěn)定C，從而減少C與Cr反應(yīng)生成Cr23C6，并起細(xì)化晶粒，降低鋼中的有害雜質(zhì)和氣體等作用。CF8C其對(duì)應(yīng)的軋材鋼號(hào)為347。我國(guó)是貧鈮富鈦國(guó)，又因鈮的價(jià)格比鈦高，但Nb抗燒損性?xún)?yōu)于Ti，故我國(guó)含Nb的不銹鋼及不銹耐熱鋼主要用于制作不銹鋼及不銹耐熱鋼的焊條。在其他場(chǎng)合，很少用含Nb的不銹鋼及不銹耐熱鋼，而廣泛用的是含Ti的不銹鋼及不銹耐熱鋼。因此PI級(jí)和PⅡ級(jí)高溫閥門(mén)的主體材料可選用ZGOCrl9Ni11Ti、ZG1Cr18Ni9Ti、321和321H。
但含Ti的不銹鋼及不銹耐熱鋼的鑄造性能差，Ti又易形成碳硫化鈦夾雜物，降低鋼的塑性和沖擊韌性，并易形成刀口腐蝕等，所以，現(xiàn)在美國(guó)很少生產(chǎn)含Ti的321型不銹鋼。有資料介紹，美國(guó)盡管仍保留了低碳級(jí)的0Cr19Ni11Ti（321），但其產(chǎn)量?jī)H占其不銹鋼的0.7%~1.5%。因此，PI級(jí)和PⅡ級(jí)通常選用CF8、304和304H型不銹耐熱鋼。
表2中列出了閥門(mén)生產(chǎn)中所用的幾種型號(hào)的Cr-Mo高溫鋼在800~1000°F （427~538℃）時(shí)，即高溫工級(jí)（PI）區(qū)間的壓力-溫度額定值。從表2中可見(jiàn)，在1000°F（538℃）時(shí)，鑄鋼WC9的壓力-溫度額定值z(mì)ui高，鑄鋼WC6次之。用作閥門(mén)主體材料時(shí)，又由于它們的工作溫度較其他鋼號(hào)的高（WC1≤450℃；WC4≤480℃；WC5≤500℃；WC6≤540℃；WC9≤570℃）。所以，在閥門(mén)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)主要采用ASTM A217標(biāo)準(zhǔn)中WC6和WC9這兩種低Cr的Cr-Mo高溫鑄鋼，而其他型號(hào)的低鉻（或低鉻和鎳）的Cr-Mo鑄鋼較少使用。但因WC6和WC9的含Cr量較低，不具有抗硫腐蝕的性能，所以，僅適用于工作介質(zhì)為水和蒸汽的工況中。
C5（ASTM A217中鑄鋼鉻五鉬鋼號(hào)，相當(dāng)于我國(guó)的ZG1Cr5Mo）具有一定的抗氧化、抗硫腐蝕及抗氫腐蝕的功能。在原蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ГOCT 176-77的“推薦附錄”中提出了20X5MJI（原蘇聯(lián)的鑄鋼鉻五鉬的鋼號(hào)，相當(dāng)于我國(guó)的ZG2Cr5Mo）的主要性能是在含有硫化物熱石油介質(zhì)中耐蝕耐熱600℃以下。該標(biāo)準(zhǔn)又在其用途舉例中明確指出它用于“在550℃以下承壓的石油介質(zhì)中工作的石油加工設(shè)備配件、爐具、閥門(mén)以及其他零件”。這是對(duì)鑄鋼鉻五鉬閥門(mén)工作介質(zhì)和工作溫度及性能在標(biāo)準(zhǔn)中所作出的zui全面的敘述。由于鉻五鉬具有上述的功能，加之其成本較高鉻鎳的不銹耐熱鋼低，所以，在閥門(mén)生產(chǎn)中鑄鋼鉻五鉬是在Cr-Mo系高溫鑄鋼中應(yīng)用zui多的鋼號(hào)。
因此，WC6、WC9（用于介質(zhì)為水和蒸汽）和C5（用于介質(zhì)為水和蒸汽及油品）等也是PⅠ高溫閥門(mén)的主體材料之一。
在PⅢ級(jí)和PⅣ級(jí)溫度下，CF8M、316和316H型不銹耐熱鋼的壓力-溫度額定值數(shù)值z(mì)ui高（表1），所以，PⅢ級(jí)和PⅣ級(jí)高溫閥門(mén)的主體材料可選用CF8M、316和316H型不銹耐熱鋼。CK-20、310和310H型高Cr、Ni不銹耐熱鋼（Cr25Ni20），由于其Cr、Ni含量高，在高溫時(shí)其抗腐蝕和抗氧化性能均優(yōu)于其他不銹耐熱鋼，同時(shí)其在高溫下抗蠕變性能及抗高溫?cái)嗔训膽?yīng)力等也優(yōu)于其他的不銹耐熱鋼。但在1500°F時(shí)，310的“不加火壓力容器”的zui大許用應(yīng)力zui低（表3），材料價(jià)格高。通常及科研用PⅣ級(jí)高溫閥門(mén)多傾向選用CK-20、310和310H型高Cr、Ni不銹耐熱鋼。
以上介紹了各高溫等級(jí)的閥門(mén)主體材料選用的鋼號(hào)等， 然而各高溫等級(jí)的閥門(mén)內(nèi)件、緊固連接件及填料和墊片等又有嚴(yán)格的要求且有很大的差異。
高溫閥門(mén)用不銹耐熱鋼（包括用于高溫閥門(mén)的鉻-鉬高溫鑄鋼）的化學(xué)成分設(shè)計(jì)和控制（工廠的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)），其鑄造、冶煉及熱處理技術(shù)是關(guān)鍵， 高溫閥門(mén)的質(zhì)量主要是所用的材料的質(zhì)量。在石化工業(yè)中使用的高溫不銹耐熱鋼，應(yīng)采用電弧爐冶煉。在電弧爐冶煉時(shí)，應(yīng)對(duì)高溫不銹耐熱鋼進(jìn)行充分地脫硫和脫磷，除渣及除氣精煉、凈化晶界和細(xì)化晶粒， 提高抗高溫蠕變等功能。通常用于防腐蝕的未采用抗高溫的特殊冶煉工藝措施的CF8和CF8M不銹鋼，不宜用作抗高溫的耐熱不銹鋼。
高溫閥門(mén)的高溫等級(jí)共分五級(jí)，即閥門(mén)工作溫度t>425~550℃ 為PⅠ級(jí)， 工作溫度t>550~650℃為PH級(jí)，工作溫度t>650~730℃為PⅢ級(jí)，工作溫度t>730~816℃為PⅣ級(jí)，工作溫度t>816℃為PV級(jí)。PI級(jí)和PⅡ級(jí)高溫閥門(mén)的主體材料可選用ZG0Cr19Ni11Ti、ZG1Cr18Ni9Ti、321和321H或CF8、304和304H等不銹耐熱鋼。PI級(jí)高溫閥門(mén)若用于介質(zhì)為水和蒸汽時(shí)，可選用WC6和WC9若用于介質(zhì)為水和蒸汽及油品時(shí)，可選用CS（ZG1Cr5Mo）等Cr-Mo高溫鋼。PⅢ和PⅣ級(jí)可選用CFSM、316和316H不銹耐熱鋼。PⅣ級(jí)也可選用CK-20、310和310H高鉻鎳不銹耐熱鋼。PⅤ級(jí)高溫閥門(mén)可根據(jù)其工作介質(zhì)和工作壓力及采用的特殊的設(shè)計(jì)方法等選用合理的能滿足該閥門(mén)使用的材料。但高溫閥門(mén)使用的Cr-Mo耐熱鋼應(yīng)采用電弧爐冶煉，并應(yīng)采用抗高溫的冶煉工藝。
2 分級(jí)方法
閥門(mén)的高溫等級(jí)符號(hào)用P表示，是因?yàn)樵?0世紀(jì)70年代，我廠開(kāi)發(fā)PI級(jí)和PⅡ級(jí)高溫閥門(mén)時(shí)，閥門(mén)的主體材料用的是ZG1Cr18Ni9Ti不銹耐熱鋼， 而該材料代號(hào)是用P來(lái)表示的。因此，用P加注羅馬數(shù)字腳碼表示高溫閥門(mén)的高溫等級(jí)。PⅢ級(jí)的上限溫度定在730℃ 是因?yàn)闊捰蛷S目前所用的閥門(mén)zui高工作溫度為730℃，所以，就以730℃為PⅢ級(jí)高溫閥門(mén)的上限溫度。將PⅣ級(jí)的上限溫度定為816℃是因?yàn)殚y門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)選用的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.34的壓力-溫度等級(jí)中提供參數(shù)的zui高工作溫度為1500°F（816℃），再高無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)可選用。另外，溫度超過(guò)816℃以后，鋼就接近進(jìn)入了鍛造溫度區(qū)域了，此時(shí)金屬處于塑性變形區(qū)間，金屬的可塑性好，難以承受高的工作壓力和沖擊力而保持不變形，故將PⅣ級(jí)高溫閥門(mén)的上限溫度定為816℃ 。從PI級(jí)~PⅣ級(jí)，以華氏溫度表示時(shí)，PⅠ級(jí)>800~1000°F，PⅡ級(jí)>1000~1200°F，PⅠ級(jí)~PⅡ級(jí)每-級(jí)的溫度差均為200°F。PⅢ級(jí)>1200~1350°F，PⅣ級(jí)>1350~1500°F，PⅢ級(jí)~PⅣ級(jí)每一級(jí)的溫度差均為150°F。用于PV級(jí)高溫的閥門(mén)必須采用特殊的設(shè)計(jì)手段，方能保證閥門(mén)（作切斷用閥門(mén)，而非調(diào)節(jié)型蝶閥類(lèi)的閥門(mén)）在此溫度區(qū)域正常工作。在816℃以上，閥門(mén)的上作溫度的高低已不是關(guān)鍵參數(shù)了，因?yàn)椴捎玫奶厥庠O(shè)計(jì)手段的原理基本上是一樣的，所以，對(duì)PV級(jí)高溫閥門(mén)的工作溫度不設(shè)限溫度。
“嚴(yán)格定義”的高溫閥門(mén)，其閥門(mén)的工作溫度高于425℃，主體材料采用高溫合金鋼或不銹耐熱鋼或Cr-Ni耐熱合金。但在實(shí)際應(yīng)用中，還經(jīng)常說(shuō)到閥門(mén)主體材料為WCB（或A105）的高溫球閥、高溫旋塞或高溫蝶閥等。需要指出它們是相對(duì)于用聚四氟乙烯和橡膠作密封圈時(shí)講的。例如，當(dāng)球閥的工作溫度高于150~180℃時(shí)，就不能用聚四氟乙烯做閥座了， 這時(shí)就要用對(duì)位聚苯（工作溫度t≤320℃）或金屬閥座了，此時(shí)稱(chēng)該球閥為“高溫球閥”同樣，金屬硬密封蝶閥相對(duì)于用橡膠或聚四氟乙烯做密封圈的軟密封蝶閥來(lái)講，它們耐溫高于用橡膠或聚四氟乙烯做密封圈的蝶閥，因而稱(chēng)其為“高溫蝶閥”。所以，工作溫度t≤425℃時(shí)的高溫球閥、高溫旋塞或高溫蝶閥，只是說(shuō)它們是相對(duì)于軟密封時(shí)為高溫，而不是“嚴(yán)格定義”上的高溫閥門(mén)。
3 高溫閥門(mén)的主體材料
從表1中可以看出，在PⅠ級(jí)時(shí)，321和321H型不銹耐熱鋼的壓力-溫度額定值數(shù)據(jù)zui高。在PⅡ級(jí)也是321和321H型不銹耐熱鋼的壓力-溫度額定值數(shù)據(jù)zui高。所以從選優(yōu)的角度，應(yīng)是321和321H不銹耐熱鋼。然而321和321H均是軋材，而且在美國(guó)沒(méi)有與之相對(duì)應(yīng)的鑄造合金的牌號(hào)。因?yàn)?21其對(duì)應(yīng)的鑄造合金的牌號(hào)應(yīng)是CF8Ti，CF8Ti是指C≤0.08%的CF8型加鈦（Ti）的不銹鋼，它相當(dāng)于我國(guó)的ZG0Cr19Nil1Ti。321H其對(duì)應(yīng)的鑄造合金的牌號(hào)應(yīng)是CF10Ti，CF10Ti是指C≤0.10%的CF10型加鈦的高碳級(jí)不銹耐熱鋼，其相當(dāng)于我國(guó)的ZG1Cr18Ni9Ti。但由于美國(guó)既是貧鈦國(guó)，又是用鈦大國(guó)（鈦合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫及耐腐蝕等-系列優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地用于高性能戰(zhàn)斗機(jī)和火箭等裝備上），所以，美國(guó)的穩(wěn)定型鑄造不銹耐熱鋼只用其較富有的合金元素鈮（Nb，有時(shí)也用Cb表示），即ASTM A351中的CF8C（CF8C中的C表示Cb），而沒(méi)有含Ti的鑄造不銹耐熱鋼。在不銹鋼及不銹耐熱鋼中加鈦和鈮的作用是一樣的，都是用Ti或Nb穩(wěn)定C，從而減少C與Cr反應(yīng)生成Cr23C6，并起細(xì)化晶粒，降低鋼中的有害雜質(zhì)和氣體等作用。CF8C其對(duì)應(yīng)的軋材鋼號(hào)為347。我國(guó)是貧鈮富鈦國(guó)，又因鈮的價(jià)格比鈦高，但Nb抗燒損性?xún)?yōu)于Ti，故我國(guó)含Nb的不銹鋼及不銹耐熱鋼主要用于制作不銹鋼及不銹耐熱鋼的焊條。在其他場(chǎng)合，很少用含Nb的不銹鋼及不銹耐熱鋼，而廣泛用的是含Ti的不銹鋼及不銹耐熱鋼。因此PI級(jí)和PⅡ級(jí)高溫閥門(mén)的主體材料可選用ZGOCrl9Ni11Ti、ZG1Cr18Ni9Ti、321和321H。
但含Ti的不銹鋼及不銹耐熱鋼的鑄造性能差，Ti又易形成碳硫化鈦夾雜物，降低鋼的塑性和沖擊韌性，并易形成刀口腐蝕等，所以，現(xiàn)在美國(guó)很少生產(chǎn)含Ti的321型不銹鋼。有資料介紹，美國(guó)盡管仍保留了低碳級(jí)的0Cr19Ni11Ti（321），但其產(chǎn)量?jī)H占其不銹鋼的0.7%~1.5%。因此，PI級(jí)和PⅡ級(jí)通常選用CF8、304和304H型不銹耐熱鋼。
表1 常用的不銹耐熱鋼的壓力-溫度額定值比較[1]
工作溫度 | 材料 | 各磅級(jí)的不銹耐熱鍋的壓力-溫度額定值比較[1] | |||||||
150 | 300 | 400 | 600 | 900 | 1500 | 2500 | 4500 | ||
800°F （427℃ ） | CF8，304，304H | 80 | 405 | 540 | 805 | 1210 | 2015 | 3360 | 6050 |
CF8M，316，316H | 80 | 420 | 565 | 845 | 1265 | 2110 | 3520 | 6335 | |
321，321H | 80 | 450 | 600 | 900 | 1355 | 2255 | 3760 | 6770 | |
CK-20，310，310H | 80 | 435 | 580 | 875 | 1310 | 2185 | 3640 | 6550 | |
1000°F（427℃） | CF8，304 ，304H | 20 | 320 | 430 | 640 | 965 | 1605 | 2625 | 4815 |
CF8M，316，316H | 20 | 350 | 465 | 700 | 1050 | 1750 | 2915 | 5245 | |
321，321H | 20 | 355 | 475 | 715 | 1070 | 1785 | 2970 | 5350 | |
CK-20，310，310H | 20 | 345 | 460 | 685 | 1030 | 1720 | 2865 | 5155 | |
1200°F（427℃） | CF8，304，304H | 20（1） | 155 | 205 | 310 | 465 | 770 | 1285 | 2315 |
CF8M，316，316H | 20（1） | 185 | 245 | 370 | 555 | 925 | 1545 | 2775 | |
321，321H | 20（1） | 185 | 245 | 365 | 555 | 925 | 1545 | 2775 | |
CK-20，310，310H | 20（1） | 135 | 185 | 275 | 410 | 685 | 1145 | 2055 | |
1350°F（427℃ | CF8（2），304（2），304H | 20（1） | 60 | 80 | 125 | 185 | 310 | 515 | 925 |
CF8M（2），316（2）316H | 20（1） | 95 | 130 | 190 | 290 | 480 | 800 | 1440 | |
321，321H | 20（1） | 85 | 115 | 170 | 255 | 430 | 715 | 1285 | |
CK-20（2），310（2），310H | 20（1） | 60 | 80 | 115 | 175 | 290 | 485 | 875 | |
1500°F（427℃） | CF8 （2），304（2），04H | 10（1） | 25 | 35 | 55 | 80 | 135 | 230 | 410 |
CF8M（2），316（2），316H | 20（1） | 40 | 55 | 85 | 125 | 205 | 345 | 320 | |
321，321H | 20（1） | 40 | 50 | 75 | 115 | 190 | 315 | 565 | |
CK-20（2），310（2），310H | 10（1） | 25 | 35 | 50 | 75 | 130 | 215 | 385 | |
注：（1）僅用于焊連接閥門(mén)，法蘭連接的額定值溫度為1000°F；
（2）在溫度超過(guò)1000℃工況，僅當(dāng)碳含量等于高于0.04%時(shí)才使用。
表2中列出了閥門(mén)生產(chǎn)中所用的幾種型號(hào)的Cr-Mo高溫鋼在800~1000°F （427~538℃）時(shí)，即高溫工級(jí)（PI）區(qū)間的壓力-溫度額定值。從表2中可見(jiàn)，在1000°F（538℃）時(shí)，鑄鋼WC9的壓力-溫度額定值z(mì)ui高，鑄鋼WC6次之。用作閥門(mén)主體材料時(shí)，又由于它們的工作溫度較其他鋼號(hào)的高（WC1≤450℃；WC4≤480℃；WC5≤500℃；WC6≤540℃；WC9≤570℃）。所以，在閥門(mén)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)主要采用ASTM A217標(biāo)準(zhǔn)中WC6和WC9這兩種低Cr的Cr-Mo高溫鑄鋼，而其他型號(hào)的低鉻（或低鉻和鎳）的Cr-Mo鑄鋼較少使用。但因WC6和WC9的含Cr量較低，不具有抗硫腐蝕的性能，所以，僅適用于工作介質(zhì)為水和蒸汽的工況中。
C5（ASTM A217中鑄鋼鉻五鉬鋼號(hào)，相當(dāng)于我國(guó)的ZG1Cr5Mo）具有一定的抗氧化、抗硫腐蝕及抗氫腐蝕的功能。在原蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ГOCT 176-77的“推薦附錄”中提出了20X5MJI（原蘇聯(lián)的鑄鋼鉻五鉬的鋼號(hào)，相當(dāng)于我國(guó)的ZG2Cr5Mo）的主要性能是在含有硫化物熱石油介質(zhì)中耐蝕耐熱600℃以下。該標(biāo)準(zhǔn)又在其用途舉例中明確指出它用于“在550℃以下承壓的石油介質(zhì)中工作的石油加工設(shè)備配件、爐具、閥門(mén)以及其他零件”。這是對(duì)鑄鋼鉻五鉬閥門(mén)工作介質(zhì)和工作溫度及性能在標(biāo)準(zhǔn)中所作出的zui全面的敘述。由于鉻五鉬具有上述的功能，加之其成本較高鉻鎳的不銹耐熱鋼低，所以，在閥門(mén)生產(chǎn)中鑄鋼鉻五鉬是在Cr-Mo系高溫鑄鋼中應(yīng)用zui多的鋼號(hào)。
表2 常用的鉻-鉬高溫鋼的壓力-溫度額定值比較[1]
工作溫度 | 鋼號(hào) | 各磅級(jí)的工作壓力，磅/平方英寸（表壓） | |||||||
150 | 300 | 400 | 600 | 900 | 1500 | 2500 | 4500 | ||
800 °F（427℃ ） | WC4，WC5 ，F(xiàn)5 | 80 | 510 | 675 | 1015 | 1525 | 2540 | 4230 | 7610 |
WC4，F(xiàn)11C1.2，F(xiàn)11C1.2 | 80 | 510 | 675 | 1015 | 1525 | 2540 | 4230 | 7610 | |
WC9，F(xiàn)11C1.3 | 80 | 510 | 675 | 1015 | 1525 | 2540 | 4230 | 7610 | |
C5，F(xiàn)5 | 80 | 510 | 675 | 1015 | 1525 | 2540 | 4230 | 7610 | |
1000 °F（427 ℃） | WC4，WC5，F(xiàn)5 | 20 | 200 | 270 | 405 | 605 | 1010 | 1685 | 3035 |
WC4，F(xiàn)11C1.2，F(xiàn)11C1.2 | 20 | 215 | 290 | 430 | 650 | 1080 | 1800 | 3240 | |
WC9，F(xiàn)11C1.3 | 20 | 260 | 345 | 520 | 780 | 1305 | 2170 | 3910 | |
C5，F(xiàn)5 | 20 | 200 | 265 | 400 | 595 | 995 | 1655 | 2985 | |
因此，WC6、WC9（用于介質(zhì)為水和蒸汽）和C5（用于介質(zhì)為水和蒸汽及油品）等也是PⅠ高溫閥門(mén)的主體材料之一。
在PⅢ級(jí)和PⅣ級(jí)溫度下，CF8M、316和316H型不銹耐熱鋼的壓力-溫度額定值數(shù)值z(mì)ui高（表1），所以，PⅢ級(jí)和PⅣ級(jí)高溫閥門(mén)的主體材料可選用CF8M、316和316H型不銹耐熱鋼。CK-20、310和310H型高Cr、Ni不銹耐熱鋼（Cr25Ni20），由于其Cr、Ni含量高，在高溫時(shí)其抗腐蝕和抗氧化性能均優(yōu)于其他不銹耐熱鋼，同時(shí)其在高溫下抗蠕變性能及抗高溫?cái)嗔训膽?yīng)力等也優(yōu)于其他的不銹耐熱鋼。但在1500°F時(shí)，310的“不加火壓力容器”的zui大許用應(yīng)力zui低（表3），材料價(jià)格高。通常及科研用PⅣ級(jí)高溫閥門(mén)多傾向選用CK-20、310和310H型高Cr、Ni不銹耐熱鋼。
表3 常用的不銹耐熱鋼在（1500°F）816℃時(shí)高溫力學(xué)性能[2]
鋼號(hào) | 304 | 316 | 321 | 347 | 310 | ||
屈服強(qiáng)度（MPa） | 78.6 | 112.4 | 94.5 | 113.1 |
| ||
極限抗拉強(qiáng)度（MPa） | 144.8 | 172.4 | 168.2 | 168.2 |
| ||
彈性模量 | E（抗壓）（GPa） | 124.8 | 131.7 | 131.7 | 133.8 | 131 | |
G（剪切）（GPa） | 51 | 51.7 | 49 | 49.6 | 47.6 | ||
在1000h內(nèi)產(chǎn)生1%仲長(zhǎng)的平均應(yīng)力（MPa） | 10.3 | 16.5 | 10.3 | 13.8 | 20.7 | ||
在1000h產(chǎn)生斷裂的平均應(yīng)力（MPa） | 816 ℃ | 48.3 | 62.1 | 48.3 | 62.1 | 75.8 | |
871 ℃ | 27.6 | 41.4 |
|
| 48.3 | ||
在1000h內(nèi)斷裂的平均應(yīng)力（MPa） | 816 ℃ | 27.6 | 48.3 | 27.6 | 27.6 | 41.4 | |
871 ℃ | 20.7 | 20.7 | 15.7 |
| 27.6 | ||
在1000h內(nèi)導(dǎo)致斷裂的平均應(yīng)力（MPa） |
| 22.4 | 25.5 | 8.8 | 20 |
| |
在1000h內(nèi)導(dǎo)致斷裂的平均應(yīng)力（MPa） |
| 15.9 | 13.4 |
| 13.4 |
| |
在1600°F（871℃）的斷裂特性（MPa） | 100h |
| 34.5 |
|
| （310S）45.5 | |
1000h |
| 18.6 |
|
| （310S）27.6 | ||
10000h |
| 9.7 |
|
| （310S）17.2 | ||
不加火壓力容器的zui大許用應(yīng)力（抗拉數(shù)值）（MPa） | 5.2 | 10.3 | 6.9 | 6.9 | 1.4 | ||
*：在（美國(guó)）“不銹鋼手冊(cè)” 的原譯文中翻譯為“不受熱”。
以上介紹了各高溫等級(jí)的閥門(mén)主體材料選用的鋼號(hào)等， 然而各高溫等級(jí)的閥門(mén)內(nèi)件、緊固連接件及填料和墊片等又有嚴(yán)格的要求且有很大的差異。
高溫閥門(mén)用不銹耐熱鋼（包括用于高溫閥門(mén)的鉻-鉬高溫鑄鋼）的化學(xué)成分設(shè)計(jì)和控制（工廠的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)），其鑄造、冶煉及熱處理技術(shù)是關(guān)鍵， 高溫閥門(mén)的質(zhì)量主要是所用的材料的質(zhì)量。在石化工業(yè)中使用的高溫不銹耐熱鋼，應(yīng)采用電弧爐冶煉。在電弧爐冶煉時(shí)，應(yīng)對(duì)高溫不銹耐熱鋼進(jìn)行充分地脫硫和脫磷，除渣及除氣精煉、凈化晶界和細(xì)化晶粒， 提高抗高溫蠕變等功能。通常用于防腐蝕的未采用抗高溫的特殊冶煉工藝措施的CF8和CF8M不銹鋼，不宜用作抗高溫的耐熱不銹鋼。
4 結(jié)語(yǔ)
高溫閥門(mén)的高溫等級(jí)共分五級(jí)，即閥門(mén)工作溫度t>425~550℃ 為PⅠ級(jí)， 工作溫度t>550~650℃為PH級(jí)，工作溫度t>650~730℃為PⅢ級(jí)，工作溫度t>730~816℃為PⅣ級(jí)，工作溫度t>816℃為PV級(jí)。PI級(jí)和PⅡ級(jí)高溫閥門(mén)的主體材料可選用ZG0Cr19Ni11Ti、ZG1Cr18Ni9Ti、321和321H或CF8、304和304H等不銹耐熱鋼。PI級(jí)高溫閥門(mén)若用于介質(zhì)為水和蒸汽時(shí)，可選用WC6和WC9若用于介質(zhì)為水和蒸汽及油品時(shí)，可選用CS（ZG1Cr5Mo）等Cr-Mo高溫鋼。PⅢ和PⅣ級(jí)可選用CFSM、316和316H不銹耐熱鋼。PⅣ級(jí)也可選用CK-20、310和310H高鉻鎳不銹耐熱鋼。PⅤ級(jí)高溫閥門(mén)可根據(jù)其工作介質(zhì)和工作壓力及采用的特殊的設(shè)計(jì)方法等選用合理的能滿足該閥門(mén)使用的材料。但高溫閥門(mén)使用的Cr-Mo耐熱鋼應(yīng)采用電弧爐冶煉，并應(yīng)采用抗高溫的冶煉工藝。與本文相關(guān)的論文：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的開(kāi)關(guān)量控制
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