鋯及鋯合金閥門(mén)設計制造標準體系的研究
介紹了鋯及鋯合金閥門(mén)的選型及其應用領(lǐng)域。分析了閥門(mén)產(chǎn)品的設計制造、材料選用及設計計算等標準的規定。給出了鋯及鋯合金閥門(mén)的設計制造、焊接工藝及無(wú)損檢測檢驗等標準的確定方法與使用準則。
1、概述
鋯及鋯合金以其優(yōu)異的耐蝕性廣泛應用于合成醋酸工藝裝置等系統，并成為其中溫度高、腐蝕強的部分裝置與管路系統首選金屬材料。鋯材閥門(mén)作為輸送管線(xiàn)上控制介質(zhì)流動(dòng)的啟閉單元也得到了廣泛的應用。目前，生產(chǎn)該類(lèi)閥門(mén)的國外企業(yè)有美國福斯公司(Flowserve)、美國蘇莫斯公司(XOMOX)和德國安策公司(AZ)等。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)調研后發(fā)現在目前運行的醋酸裝置中，此類(lèi)閥門(mén)主要依賴(lài)進(jìn)口，閥門(mén)的產(chǎn)品標準、材料標準及零件的設計計算準則的選用和規范是該類(lèi)產(chǎn)品國產(chǎn)化工作的根本。
2、產(chǎn)品標準
2.1、產(chǎn)品類(lèi)型
鋯及鋯合金閥門(mén)類(lèi)型有旋塞閥、球閥、止回閥和截止閥等，其中以旋塞閥為主。產(chǎn)品通常使用和參照的標準主要有API 594、API 599、API 602、API 608、BS 1868、BS 5351、ASME B16.34和API 6D等。
2.2、壓力-溫度額定值
壓力-溫度額定值是閥門(mén)設計制造首先面臨的問(wèn)題。然而在相關(guān)各標準所規范的承壓件材料及其壓力-溫度等級中，API標準規范使用ASME B16.34中規定的材料，BS標準規范使用BS1560和BS4504中規定的材料，這兩類(lèi)標準中的材料均未包括鋯及鋯合金。對于鋯及鋯合金閥門(mén)，用于確定設計和使用性能選型的主體材料的壓力-溫度額定值在現行的國內外標準中未作規定，其值需要根據使用材料標準規定的材料屬性計算確定。ASME鍋爐及壓力容器規范材料卷提供了鋯及鋯合金鍛件在不同溫度下的強度值可用于計算確定殼體材料的壓力-溫度等級，但鑄件在不同溫度下的強度值需經(jīng)試驗確定。在計算壁厚時(shí)，應根據ASME B16.34附錄B正確選擇計算方式和ASME規定的用于設計計算的(殼體)材料的強度、許用應力值和依據醋酸裝置用鋯及鋯合金閥門(mén)使用溫度確定的材料最高使用溫度參考值(表1)。經(jīng)對比及計算可知，各溫度下鋯705的強度遠高于鋯702，鋯705可以獲得高于316L等不銹鋼材質(zhì)的剛性及強度。在滿(mǎn)足耐腐蝕要求的前提下，推薦選用該材料。
表1 鋯及鋯合金閥門(mén)使用溫度確定的材料最高使用溫度參考值
2.3、連接尺寸及參數
鋯及鋯合金閥門(mén)規格采用公稱(chēng)管徑(NPS)與ASME額定級(Class)。進(jìn)口裝置和國內設計院所設計的這類(lèi)閥門(mén)結構長(cháng)度基本選用ASME B16.10短系列，符合API594標準的部分產(chǎn)品按該標準自身確定的結構長(cháng)度。連接法蘭標準選用ASME B16.5，但在國內外產(chǎn)品的實(shí)際工程應用中，法蘭的強度按所選材料屬性進(jìn)行了校核修正，主要體現在法蘭厚度應厚于鋼制法蘭的標準尺寸，其他尺寸包括外徑、連接孔尺寸及密封尺寸等為保證連接標準的一致未作變動(dòng)。
多年的實(shí)際應用表明，采用上述標準和部分修正完全可滿(mǎn)足系統壓力管道元件連接規范化、標準化、安裝要求和使用性能要求。對于用鋯金屬所制造的閥門(mén)采用較短的結構長(cháng)度和修正的法蘭厚度，平衡了節約材料與高溫系統需要間的關(guān)系。在國產(chǎn)化產(chǎn)品運行近3年的工程實(shí)踐證明，采用上述原則設計制造的閥門(mén)性能達到進(jìn)口產(chǎn)品的水平，而合理的價(jià)格取得了較低的系統建設和運行維護成本。
2.4、設計要求
不同類(lèi)型閥門(mén)產(chǎn)品標準中各自的設計要求諸如密封系統要求、防噴出閥桿、操作執行器要求、檢查和試驗要求、銘牌標識等，鋯材閥門(mén)應同樣遵循。輸送B類(lèi)流體的管道上使用軟密封球閥時(shí)應選用防(耐)火型結構的球閥。對于使用鋯材閥門(mén)的管道輸送的多為加有催化劑的醋酸介質(zhì)，尚不屬于易燃易爆流體，所以，在目前國內裝置中所用的這兩類(lèi)閥門(mén)通常無(wú)上述兩項要求。有些工藝管道因其特殊性會(huì )有防火要求，通過(guò)特殊的閥座設計(如在閥座軟密封帶內側設計金屬密封帶等)。在中法蘭連接和閥桿密封等密封環(huán)節有柔性石墨的密封材料在閥門(mén)意外受到火燒時(shí)可有效地防止介質(zhì)在內部和向外部泄漏。因此，可以將抗靜電和防火要求作為鋯材閥門(mén)的附加要求體現在其設計制造規范中。
3、材料標準
鋯及鋯合金閥門(mén)主要使用了ASTM B752、ASTM B493及ASTM B550等3類(lèi)材料標準。
3.1、鑄件標準
ASTM B752為通用鑄件標準，而非用于閥門(mén)行業(yè)的專(zhuān)業(yè)化鑄件技術(shù)標準，同時(shí)也沒(méi)有被收錄到ASME鍋爐及壓力容器規范材料卷中。因此，在使用該標準時(shí)應根據閥門(mén)使用的特點(diǎn)來(lái)選擇使用其中的性能指標和檢驗要求，需要時(shí)應根據使用環(huán)境和狀態(tài)進(jìn)行必要的補充。該標準規定了鋯及鋯合金鑄件的級別(分為702℃、704℃及705℃級別)、熔煉工藝要求、化學(xué)成分、熱處理及補焊、表面質(zhì)量要求和標記等。在該標準的補充要求中，提出了射線(xiàn)探傷、液體滲透探傷、拉伸試驗、硬度試驗、沖擊試驗及高溫等靜壓。顯然，零件的制造檢驗應包括標準中的補充部分。
高溫等靜壓(亦稱(chēng)為熱等靜壓)是通過(guò)消減內部缺陷的高溫致密化處理達到提高鑄件綜合性能的目的。高溫等靜壓后，由于晶粒發(fā)生粗化，通常其抗拉強度和屈服強度會(huì )有下降，其疲勞強度可獲得較大的提高。如果該鑄件對疲勞性能要求不是十分重要，綜合經(jīng)濟方面考慮，沒(méi)必要熱等靜壓。因此，可選擇性地應用于閥體類(lèi)的承壓殼體。按照閥門(mén)檢驗標準要求，閥體需要進(jìn)行1.5倍公稱(chēng)壓力的強度試驗，目的在于檢驗閥體和閥蓋的致密性及包括閥體與閥蓋連接處在內的整個(gè)殼體的耐壓能力。在這樣的檢驗條件下，應考慮是否適時(shí)地進(jìn)行這些鑄件(包括閥體)的熱等靜壓處理。
3.2、鍛件標準
在A(yíng)STM B493中，規范了鋯及鋯合金鍛件的級別(分為R60702、R60704及R60705級別)、材料和制造、化學(xué)成分、拉伸性能要求、工藝和質(zhì)量等級要求、拉伸試驗規則和方法、檢驗規則及標記要求等，基本符合閥門(mén)承壓件和控壓件的制造要求。該標準正文中沒(méi)有規定具體的無(wú)損檢測要求，只是在補充要求S1條中要求能夠達到商定的內部質(zhì)量要求。因此，作為閥門(mén)零部件生產(chǎn)時(shí)應參照GB/T 12228中鍛件級別的要求根據不同壓力確定無(wú)損探傷要求。
4、設計準則
4.1、標準規范
鋯材閥門(mén)設計計算準則及材料制造使用的標準為ASME規范Ⅷ卷Ⅰ壓力容器建造規則，ASME規范Ⅷ卷II壓力容器建造另一規則及ASME規范卷Ⅱ材料D篇性能等。ASME規范采用僅是對國際公認規范的推薦使用，在實(shí)際應用時(shí)，其選擇應經(jīng)過(guò)協(xié)商。
4.2、材料使用溫度
使用上述規范，首先能夠確定所用材料的使用溫度上限，該值應低于A(yíng)SME規范中的較低值，并以此確定不同閥門(mén)材料(702C/R60702、705C/R60705)的設計許用溫度上限。在使用時(shí)會(huì )發(fā)現材料允許使用的溫度遠遠高于工況工作溫度，但此時(shí)的許用應力值卻降到很低的值。如R60702的許用應力值由室溫時(shí)的108下降到最高工作溫度375℃時(shí)的35.5，而工況溫度通常為200℃以下。因此，還應根據工況溫度及合理的許用應力降低幅度來(lái)確定該領(lǐng)域內閥門(mén)材料的設計許用溫度上限。當然，在不同的設計原則下該限值會(huì )有所不同(如增加壁厚和/或實(shí)體尺寸會(huì )使強度趨于安全從而獲得較高的許用溫度限值)。
4.3、材料許用應力
(1)承壓殼體材料
許用應力從ASME規范查取室溫值或從ASME規范取得室溫下的抗拉強度值和屈服強度值后結合閥門(mén)殼體件計算常用安全系數、斷裂應力、蠕變率和鑄造質(zhì)量系數(對鑄件而言)計算取得。在確定鑄造質(zhì)量系數時(shí)，應依據鑄造形式、首批鑄件檢驗情況、關(guān)鍵截面無(wú)損檢驗情況確定，基本在0.8～0.9之間。使用規范時(shí)考慮到材料的特殊性，應檢驗所用鑄鍛件的機械性能符合規范要求。
(2)閥門(mén)其他部件材料
根據不同零件的性能要求，可以使用ASME規范常溫許用值、溫度下的最大許用應力值，對于R60702也可以使用ASME規范中的抗拉強度值和屈服強度值使用自行選擇其他標準規范的安全系數計算確定室溫及溫度下的許用應力值。
(3)確定許用應力值的準則
結合安全系數、斷裂應力、蠕變率、鑄造質(zhì)量系數(對鑄件而言)及射線(xiàn)照相檢驗、液體滲透檢驗等要求對質(zhì)量系數的影響構成了鋯及鋯合金閥門(mén)的材料許用應力計算準則體系。在抗拉強度的安全系數為3.5、屈服強度的安全系數為1.5的情況下，許用應力在室溫～204℃的溫度區域以抗拉強度為決定性因素，在260～371℃的溫度區域以屈服強度為決定性因素。
5、相關(guān)標準
國內工業(yè)級鋯制產(chǎn)品始于壓力容器，并制定了部分鋯材標準，如GB/T13747.1～24-1992、GB/T21183-2007以及GB/T26314-2010等，但常用于閥門(mén)設計制造的鑄件、鍛件的國家或行業(yè)標準尚未制定。盡管一些鋯材生產(chǎn)單位有相應的企業(yè)標準，但從目前的醋酸裝置設計單位所采用的閥門(mén)相關(guān)標準體系、設計制造閥門(mén)的生產(chǎn)單位的實(shí)際設計制造檢驗操作的系統性而言，閥門(mén)生產(chǎn)單位選擇標準體系完整的國際標準規范為基本依據更為適宜。
2010年國家能源局發(fā)布并實(shí)施了NB/T 47011-2010行業(yè)標準，該標準的制定和發(fā)布規范了我國鋯制壓力容器設計和制造的質(zhì)量，也為鋯制閥門(mén)的設計和制造提供了重要的基礎支撐標準。盡管該標準在抗拉強度的安全系數、最高設計壓力上與ASME標準有差異，但在制造與焊接環(huán)境、焊接工藝、無(wú)損檢測、污染檢驗等方面較之ASME標準都有具體的規定，便于遵循和執行。因此，借鑒該標準來(lái)控制、要求設計和制造，能夠更好地保證鋯及鋯合金閥門(mén)的質(zhì)量。
6、結語(yǔ)
按前述標準和要求設計制造的鋯材閥門(mén)，進(jìn)行了閥體有限元分析、殼體強度壓力試驗、整體閥門(mén)抗壓及彎矩試驗、溫度交變后密封試驗等理論與實(shí)際試驗的驗證。在國內近年來(lái)的醋酸裝置中，不同品種規格的百余臺國產(chǎn)閥門(mén)已進(jìn)入實(shí)際工況使用，經(jīng)過(guò)近3年工業(yè)運行考核驗證，目前運行使用情況良好。隨著(zhù)各項理論研究、試驗與驗證工作的進(jìn)一步深入，不斷完善設計制造標準體系，鋯材閥門(mén)國產(chǎn)化工作將進(jìn)一步成熟。
