锆材阀门设计制造的几项基础工作

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安泵阀总厂有限公司 作者:锆材泵阀项目组

  锆及锆合金以其优异的耐蚀性广泛应用于合成醋酸工艺装置等系统,并成为其中温度高、腐蚀强部分装置与管路系统的首选金属材料。锆阀(其中以旋塞阀为主,球阀、截止阀、止回阀也有应用)作为输送管线上控制介质流动的启闭单元也得到了广泛的应用。然而,在目前运行的装置中,均依赖进口阀门,昂贵的代价及漫长的交货期已使锆材阀门国产化工作迫在眉睫。阀门产品标准、材料标准、阀门零件的设计计算准则等选用和规范是该类产品国产化工作的重要基础部分。

1、概述

  锆及锆合金以其优异的耐蚀性广泛应用于合成醋酸工艺装置等系统,并成为其中温度高、腐蚀强部分装置与管路系统的首选金属材料。锆阀(其中以旋塞阀为主,球阀、截止阀、止回阀也有应用)作为输送管线上控制介质流动的启闭单元也得到了广泛的应用。然而,在目前运行的装置中,均依赖进口阀门,昂贵的代价及漫长的交货期已使锆材阀门国产化工作迫在眉睫。阀门产品标准、材料标准、阀门零件的设计计算准则等选用和规范是该类产品国产化工作的重要基础部分。

2、产品标准

  经对现有装置上的阀门了解和资料查阅,使用了如下标准:

  旋塞阀:

  API599法兰端、螺纹端和焊接端金属旋塞阀球阀:

  API608法兰端、螺纹端、焊接端金属球阀BS5351石油、石化及相关工业用钢制球阀

  止回阀:

  API594法兰式、凸耳式、对夹式和对焊止回阀

  API602石油和天然气工业用公称尺寸小于和等于DN100的钢制闸阀、截止阀和止回阀

  BS1868石油、石化及相关工业用法兰端和对焊端钢制止回阀

  截止阀:

  API602石油和天然气工业用公称尺寸小于和等于DN100的钢制闸阀、截止阀和止回阀

  通用阀门:

  ASMEB16.34法兰、螺纹和焊连接的阀门

  上述标准均对各自的适用范围、温度压力额定值、设计及性能、材料要求、检查和试验、标识、装运进行了规范,但在各标准所规范的温度压力等级和承压件材料中,API标准规范使用ASMEB16.34中规定的材料,BS标准规范使用BS1560、BS4504中规定的材料。然而,两类标准中的材料均未包括锆及锆合金,也就是说,对于锆材阀门,用于确定性能和设计选型的重要指标——温度、压力额定值在现行的国内外标准中没有,其值应根据使用的材料标准的材料属性来自行确定,而产品标准中其它涉及材料的章节也应作相应的调整,如API599中2.2.1-d规定“阀体材料为ASMEB16.34中组别1、2、3的非油封旋塞阀门,其最小壁厚应符合ASMEB16.34的规定”,因此,锆旋塞阀最小壁厚应根据所选锆材标准的材料属性进行修正。

  同时,上述标准中诸如密封系统要求、防喷出阀杆、操作执行器要求、检查和试验要求、铭牌标识等应是遵循并达到的。

  对于锆及锆合金阀门仍然应使用公称压力(PN)级或ASME额定级来表示所需压力级的技术规范,即:PN20(150Lb)、PN50(300Lb)、PN110(600)。

  另外,就是结构长度标准与连接法兰标准,根据目前了解到的情况,结构长度选用的是AS-MEB16.10,连接法兰标准选用的是ASMEB16.5,但法兰的强度也应根据所选材料依据其属性进行校核修正。

3、材料标准

  锆及锆合金阀门主要使用了铸件、锻件、棒材三类标准:

  ASTMB752 锆及锆合金铸件

  ASTMB493 锆及锆合金锻件

  ASTMB550 锆及锆合金棒和丝材技术规范

  较大口径的阀体和阀芯采用铸件,使用ASTMB752标准;较小口径(如1"及以下)的阀体和阀芯采用锻件或棒材,使用ASTMB493和ASTMB550标准。

  在ASTMB752中,规范了锆及锆合金铸件的级别(分702C、704C、705C三个级别)、熔炼工艺要求、化学成份、热处理及焊补、表面质量要求、标记,而在该标准的补充要求中,提出了射线探伤、液体渗透探伤、拉伸试验、硬度试验、冲击试验及高温等静压。显然,上述要求对于制造阀门产品来讲其零件的验收应包括标准中的补充部分,只是其中的高温等静压这一项因其应用于提高铸造性能或消减内部缺陷,我们认为该要求可应用于阀体这样的承压壳体,再进一步讲,由于ASTMB752是一个通用铸件标准,而非专用于阀门行业的一个铸件技术条件,在阀体需要进行1.5倍公称压力的强度试验的条件下,我们应考虑是否应适时地进行这些铸件(包括阀体)的热等静压处理。

  在ASTMB493中,规范了锆及锆合金锻件的级别(分R60702、R60704、R60705三个级别)、材料和制造、化学成分、工艺和质量等级要求、应力要求、试验及方法、检验要求、标记要求。和B752明显不同的是,其一,前述的各项要求均在正文中出现;其二,探伤部分没有出现,只是在补充要求中“规定内部质量”一条中要求能够达到商定的内部质量要求;其三,本标准中要求每批产品的拉伸试验和氢、氮含量的化学试验应作做两次。

  从上述三个标准提供的内容看来,作为阀门零件材料的基本验收条件得到了满足,但各标准中对温度与许用应力的关系及其数值均未给出,因此,需要依据其它的标准规范来确定设计参数与材料制造使用准则。

4、阀门零件的设计计算准则等选用和规范

  可确定锆材阀门设计计算准则及材料制造使用的标准规范推荐如下:

  ASME规范Ⅷ卷Ⅰ压力容器建造规则

  ASME规范Ⅷ卷II压力容器建造另一规则

  ASME规范Ⅱ材料D篇性能

  使用上述标准,我们首先能够确定所使用材料使用温度上限,即小于ASME规范Ⅱ材料D篇的表1B与表2B中的较小值,并以此确定不同材料(702C/R60702、705C/R60705)阀门的设计许用温度上限,当然,在不同的设计原则下该限值会有所不同(比如增加壁厚会使强度趋于安全从而获得较高的限值);其次,我们可以获得阀门承压壳体材料的许用应力-ASME规范Ⅱ材料D篇的表1B常温值取安全系数、阀门其它部件材料的许用应力-ASME规范Ⅱ材料D篇的表1B常温许用值。同时,再结合射线照相检验、液体渗透检验及铸造质量系数(对铸件而言)构成了锆及锆合金阀门的材料许用应力体系。

  需要说明的是采用前述标准仅是对国际公认规范的推荐使用,在实际应用时,其选择应经过协商。

  明确了材料使用温度上限、设计许用温度上限、材料常温许用应力之后,我们可依据ASME规范Ⅱ材料D篇的表1B中不同温度下的许用应力数据来明确阀门的温压值(或者说阀门的温度压力曲线)。

  下面是依据上述原则确定的用于设计计算的(壳体)材料的强度极限参考值:

锆材阀门设计制造的几项基础工作

  如果将上述两类材料进行对比,各温度下锆705的强度要远高于锆702。通过对比及计算,选用锆705材料可以获得高于不锈钢材质的刚性及强度,在耐腐蚀要求满足的前题下,推荐选用该材料。

5、结语

  按上述原则进行设计制造的锆材阀门,通过了有限元强度分析验证、壳体强度压力试验、壳体弯矩试验、整体阀门抗压、弯矩试验等理论与实际试验的验证并与进口阀门进行了对比。阀门已投入实际工况使用,目前运行良好。我们相信,随着各项理论研究与验证工作的进一步深入,锆材阀门国产化工作将进一步成熟。

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