鋯及鋯合金以其優(yōu)異的耐蝕性廣泛應(yīng)用于合成醋酸工藝裝置等系統(tǒng)，并成為其中溫度高、腐蝕強(qiáng)部分裝置與管路系統(tǒng)的首選金屬材料。鋯閥(其中以旋塞閥為主，球閥、截止閥、止回閥也有應(yīng)用)作為輸送管線上控制介質(zhì)流動(dòng)的啟閉單元也得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在目前運(yùn)行的裝置中，均依賴(lài)進(jìn)口閥門(mén)，昂貴的代價(jià)及漫長(zhǎng)的交貨期已使鋯材閥門(mén)國(guó)產(chǎn)化工作迫在眉睫。閥門(mén)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、材料標(biāo)準(zhǔn)、閥門(mén)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則等選用和規(guī)范是該類(lèi)產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化工作的重要基礎(chǔ)部分。

1、概述

　　鋯及鋯合金以其優(yōu)異的耐蝕性廣泛應(yīng)用于合成醋酸工藝裝置等系統(tǒng)，并成為其中溫度高、腐蝕強(qiáng)部分裝置與管路系統(tǒng)的首選金屬材料。鋯閥(其中以旋塞閥為主，球閥、截止閥、止回閥也有應(yīng)用)作為輸送管線上控制介質(zhì)流動(dòng)的啟閉單元也得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在目前運(yùn)行的裝置中，均依賴(lài)進(jìn)口閥門(mén)，昂貴的代價(jià)及漫長(zhǎng)的交貨期已使鋯材閥門(mén)國(guó)產(chǎn)化工作迫在眉睫。閥門(mén)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、材料標(biāo)準(zhǔn)、閥門(mén)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則等選用和規(guī)范是該類(lèi)產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化工作的重要基礎(chǔ)部分。

2、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

　　經(jīng)對(duì)現(xiàn)有裝置上的閥門(mén)了解和資料查閱，使用了如下標(biāo)準(zhǔn)：

　　旋塞閥：

　　API599法蘭端、螺紋端和焊接端金屬旋塞閥球閥：

　　API608法蘭端、螺紋端、焊接端金屬球閥BS5351石油、石化及相關(guān)工業(yè)用鋼制球閥

　　止回閥：

　　API594法蘭式、凸耳式、對(duì)夾式和對(duì)焊止回閥

　　API602石油和天然氣工業(yè)用公稱(chēng)尺寸小于和等于DN100的鋼制閘閥、截止閥和止回閥

　　BS1868石油、石化及相關(guān)工業(yè)用法蘭端和對(duì)焊端鋼制止回閥

　　截止閥：

　　API602石油和天然氣工業(yè)用公稱(chēng)尺寸小于和等于DN100的鋼制閘閥、截止閥和止回閥

　　通用閥門(mén)：

　　ASMEB16.34法蘭、螺紋和焊連接的閥門(mén)

　　上述標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)各自的適用范圍、溫度壓力額定值、設(shè)計(jì)及性能、材料要求、檢查和試驗(yàn)、標(biāo)識(shí)、裝運(yùn)進(jìn)行了規(guī)范，但在各標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的溫度壓力等級(jí)和承壓件材料中，API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用ASMEB16.34中規(guī)定的材料，BS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用BS1560、BS4504中規(guī)定的材料。然而，兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中的材料均未包括鋯及鋯合金，也就是說(shuō)，對(duì)于鋯材閥門(mén)，用于確定性能和設(shè)計(jì)選型的重要指標(biāo)——溫度、壓力額定值在現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有，其值應(yīng)根據(jù)使用的材料標(biāo)準(zhǔn)的材料屬性來(lái)自行確定，而產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中其它涉及材料的章節(jié)也應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整，如API599中2.2.1-d規(guī)定“閥體材料為ASMEB16.34中組別1、2、3的非油封旋塞閥門(mén)，其最小壁厚應(yīng)符合ASMEB16.34的規(guī)定”，因此，鋯旋塞閥最小壁厚應(yīng)根據(jù)所選鋯材標(biāo)準(zhǔn)的材料屬性進(jìn)行修正。

　　同時(shí)，上述標(biāo)準(zhǔn)中諸如密封系統(tǒng)要求、防噴出閥桿、操作執(zhí)行器要求、檢查和試驗(yàn)要求、銘牌標(biāo)識(shí)等應(yīng)是遵循并達(dá)到的。

　　對(duì)于鋯及鋯合金閥門(mén)仍然應(yīng)使用公稱(chēng)壓力(PN)級(jí)或ASME額定級(jí)來(lái)表示所需壓力級(jí)的技術(shù)規(guī)范，即：PN20(150Lb)、PN50(300Lb)、PN110(600)。

　　另外，就是結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)與連接法蘭標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)目前了解到的情況，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度選用的是AS-MEB16.10，連接法蘭標(biāo)準(zhǔn)選用的是ASMEB16.5，但法蘭的強(qiáng)度也應(yīng)根據(jù)所選材料依據(jù)其屬性進(jìn)行校核修正。

3、材料標(biāo)準(zhǔn)

　　鋯及鋯合金閥門(mén)主要使用了鑄件、鍛件、棒材三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)：

　　ASTMB752 鋯及鋯合金鑄件

　　ASTMB493 鋯及鋯合金鍛件

　　ASTMB550 鋯及鋯合金棒和絲材技術(shù)規(guī)范

　　較大口徑的閥體和閥芯采用鑄件，使用ASTMB752標(biāo)準(zhǔn);較小口徑(如1"及以下)的閥體和閥芯采用鍛件或棒材，使用ASTMB493和ASTMB550標(biāo)準(zhǔn)。

　　在ASTMB752中，規(guī)范了鋯及鋯合金鑄件的級(jí)別(分702C、704C、705C三個(gè)級(jí)別)、熔煉工藝要求、化學(xué)成份、熱處理及焊補(bǔ)、表面質(zhì)量要求、標(biāo)記，而在該標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充要求中，提出了射線探傷、液體滲透探傷、拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)及高溫等靜壓。顯然，上述要求對(duì)于制造閥門(mén)產(chǎn)品來(lái)講其零件的驗(yàn)收應(yīng)包括標(biāo)準(zhǔn)中的補(bǔ)充部分，只是其中的高溫等靜壓這一項(xiàng)因其應(yīng)用于提高鑄造性能或消減內(nèi)部缺陷，我們認(rèn)為該要求可應(yīng)用于閥體這樣的承壓殼體，再進(jìn)一步講，由于ASTMB752是一個(gè)通用鑄件標(biāo)準(zhǔn)，而非專(zhuān)用于閥門(mén)行業(yè)的一個(gè)鑄件技術(shù)條件，在閥體需要進(jìn)行1.5倍公稱(chēng)壓力的強(qiáng)度試驗(yàn)的條件下，我們應(yīng)考慮是否應(yīng)適時(shí)地進(jìn)行這些鑄件(包括閥體)的熱等靜壓處理。

　　在ASTMB493中，規(guī)范了鋯及鋯合金鍛件的級(jí)別(分R60702、R60704、R60705三個(gè)級(jí)別)、材料和制造、化學(xué)成分、工藝和質(zhì)量等級(jí)要求、應(yīng)力要求、試驗(yàn)及方法、檢驗(yàn)要求、標(biāo)記要求。和B752明顯不同的是，其一，前述的各項(xiàng)要求均在正文中出現(xiàn);其二，探傷部分沒(méi)有出現(xiàn)，只是在補(bǔ)充要求中“規(guī)定內(nèi)部質(zhì)量”一條中要求能夠達(dá)到商定的內(nèi)部質(zhì)量要求;其三，本標(biāo)準(zhǔn)中要求每批產(chǎn)品的拉伸試驗(yàn)和氫、氮含量的化學(xué)試驗(yàn)應(yīng)作做兩次。

　　從上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)提供的內(nèi)容看來(lái)，作為閥門(mén)零件材料的基本驗(yàn)收條件得到了滿足，但各標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)溫度與許用應(yīng)力的關(guān)系及其數(shù)值均未給出，因此，需要依據(jù)其它的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)確定設(shè)計(jì)參數(shù)與材料制造使用準(zhǔn)則。

4、閥門(mén)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則等選用和規(guī)范

　　可確定鋯材閥門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則及材料制造使用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推薦如下：

　　ASME規(guī)范Ⅷ卷Ⅰ壓力容器建造規(guī)則

　　ASME規(guī)范Ⅷ卷II壓力容器建造另一規(guī)則

　　ASME規(guī)范Ⅱ材料D篇性能

　　使用上述標(biāo)準(zhǔn)，我們首先能夠確定所使用材料使用溫度上限，即小于ASME規(guī)范Ⅱ材料D篇的表1B與表2B中的較小值，并以此確定不同材料(702C/R60702、705C/R60705)閥門(mén)的設(shè)計(jì)許用溫度上限，當(dāng)然，在不同的設(shè)計(jì)原則下該限值會(huì)有所不同(比如增加壁厚會(huì)使強(qiáng)度趨于安全從而獲得較高的限值);其次，我們可以獲得閥門(mén)承壓殼體材料的許用應(yīng)力-ASME規(guī)范Ⅱ材料D篇的表1B常溫值取安全系數(shù)、閥門(mén)其它部件材料的許用應(yīng)力-ASME規(guī)范Ⅱ材料D篇的表1B常溫許用值。同時(shí)，再結(jié)合射線照相檢驗(yàn)、液體滲透檢驗(yàn)及鑄造質(zhì)量系數(shù)(對(duì)鑄件而言)構(gòu)成了鋯及鋯合金閥門(mén)的材料許用應(yīng)力體系。

　　需要說(shuō)明的是采用前述標(biāo)準(zhǔn)僅是對(duì)國(guó)際公認(rèn)規(guī)范的推薦使用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其選擇應(yīng)經(jīng)過(guò)協(xié)商。

　　明確了材料使用溫度上限、設(shè)計(jì)許用溫度上限、材料常溫許用應(yīng)力之后，我們可依據(jù)ASME規(guī)范Ⅱ材料D篇的表1B中不同溫度下的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)來(lái)明確閥門(mén)的溫壓值(或者說(shuō)閥門(mén)的溫度壓力曲線)。

　　下面是依據(jù)上述原則確定的用于設(shè)計(jì)計(jì)算的(殼體)材料的強(qiáng)度極限參考值：

　　如果將上述兩類(lèi)材料進(jìn)行對(duì)比，各溫度下鋯705的強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于鋯702。通過(guò)對(duì)比及計(jì)算，選用鋯705材料可以獲得高于不銹鋼材質(zhì)的剛性及強(qiáng)度，在耐腐蝕要求滿足的前題下，推薦選用該材料。

5、結(jié)語(yǔ)

　　按上述原則進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的鋯材閥門(mén)，通過(guò)了有限元強(qiáng)度分析驗(yàn)證、殼體強(qiáng)度壓力試驗(yàn)、殼體彎矩試驗(yàn)、整體閥門(mén)抗壓、彎矩試驗(yàn)等理論與實(shí)際試驗(yàn)的驗(yàn)證并與進(jìn)口閥門(mén)進(jìn)行了對(duì)比。閥門(mén)已投入實(shí)際工況使用，目前運(yùn)行良好。我們相信，隨著各項(xiàng)理論研究與驗(yàn)證工作的進(jìn)一步深入，鋯材閥門(mén)國(guó)產(chǎn)化工作將進(jìn)一步成熟。