介紹了鋯及鋯合金閥門(mén)的選型及其應(yīng)用領(lǐng)域。分析了閥門(mén)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造、材料選用及設(shè)計(jì)計(jì)算等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。給出了鋯及鋯合金閥門(mén)的設(shè)計(jì)制造、焊接工藝及無(wú)損檢測(cè)檢驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)的確定方法與使用準(zhǔn)則。

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)的部分裝置與管路系統(tǒng)首選金屬材料。鋯材閥門(mén)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。目前，生產(chǎn)該類(lèi)閥門(mén)的國(guó)外企業(yè)有美國(guó)福斯公司(Flowserve)、美國(guó)蘇莫斯公司(XOMOX)和德國(guó)安策公司(AZ)等。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)在目前運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)、材料標(biāo)準(zhǔn)及零件的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則的選用和規(guī)范是該類(lèi)產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化工作的根本。

2、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

　　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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)制造首先面臨的問(wèn)題。然而在相關(guān)各標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的承壓件材料及其壓力-溫度等級(jí)中，API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用ASME B16.34中規(guī)定的材料，BS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用BS1560和BS4504中規(guī)定的材料，這兩類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中的材料均未包括鋯及鋯合金。對(duì)于鋯及鋯合金閥門(mén)，用于確定設(shè)計(jì)和使用性能選型的主體材料的壓力-溫度額定值在現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中未作規(guī)定，其值需要根據(jù)使用材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料屬性計(jì)算確定。ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范材料卷提供了鋯及鋯合金鍛件在不同溫度下的強(qiáng)度值可用于計(jì)算確定殼體材料的壓力-溫度等級(jí)，但鑄件在不同溫度下的強(qiáng)度值需經(jīng)試驗(yàn)確定。在計(jì)算壁厚時(shí)，應(yīng)根據(jù)ASME B16.34附錄B正確選擇計(jì)算方式和ASME規(guī)定的用于設(shè)計(jì)計(jì)算的(殼體)材料的強(qiáng)度、許用應(yīng)力值和依據(jù)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(duì)比及計(jì)算可知，各溫度下鋯705的強(qiáng)度遠(yuǎn)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(qiáng)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(shù)

　　鋯及鋯合金閥門(mén)規(guī)格采用公稱(chēng)管徑(NPS)與ASME額定級(jí)(Class)。進(jìn)口裝置和國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院所設(shè)計(jì)的這類(lèi)閥門(mén)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度基本選用ASME B16.10短系列，符合API594標(biāo)準(zhǔn)的部分產(chǎn)品按該標(biāo)準(zhǔn)自身確定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。連接法蘭標(biāo)準(zhǔn)選用ASME B16.5，但在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的實(shí)際工程應(yīng)用中，法蘭的強(qiáng)度按所選材料屬性進(jìn)行了校核修正，主要體現(xiàn)在法蘭厚度應(yīng)厚于鋼制法蘭的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的一致未作變動(dòng)。

　　多年的實(shí)際應(yīng)用表明，采用上述標(biāo)準(zhǔn)和部分修正完全可滿(mǎn)足系統(tǒng)壓力管道元件連接規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、安裝要求和使用性能要求。對(duì)于用鋯金屬所制造的閥門(mén)采用較短的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和修正的法蘭厚度，平衡了節(jié)約材料與高溫系統(tǒng)需要間的關(guān)系。在國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品運(yùn)行近3年的工程實(shí)踐證明，采用上述原則設(shè)計(jì)制造的閥門(mén)性能達(dá)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(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本。

　　2.4、設(shè)計(jì)要求

　　不同類(lèi)型閥門(mén)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中各自的設(shè)計(jì)要求諸如密封系統(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，鋯材閥門(mén)應(yīng)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(yīng)選用防(耐)火型結(jié)構(gòu)的球閥。對(duì)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(guó)內(nèi)裝置中所用的這兩類(lèi)閥門(mén)通常無(wú)上述兩項(xiàng)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(shè)計(jì)(如在閥座軟密封帶內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)金屬密封帶等)。在中法蘭連接和閥桿密封等密封環(huán)節(jié)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(nèi)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(xiàn)在其設(shè)計(jì)制造規(guī)范中。

3、材料標(biāo)準(zhǔn)

　　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(biāo)準(zhǔn)。

　　3.1、鑄件標(biāo)準(zhǔn)

　　ASTM B752為通用鑄件標(biāo)準(zhǔn)，而非用于閥門(mén)行業(yè)的專(zhuān)業(yè)化鑄件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也沒(méi)有被收錄到ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范材料卷中。因此，在使用該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)根據(jù)閥門(mén)使用的特點(diǎn)來(lái)選擇使用其中的性能指標(biāo)和檢驗(yàn)要求，需要時(shí)應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境和狀態(tài)進(jìn)行必要的補(bǔ)充。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋯及鋯合金鑄件的級(jí)別(分為702℃、704℃及705℃級(jí)別)、熔煉工藝要求、化學(xué)成分、熱處理及補(bǔ)焊、表面質(zhì)量要求和標(biāo)記等。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，零件的制造檢驗(yàn)應(yīng)包括標(biāo)準(zhǔn)中的補(bǔ)充部分。

　　高溫等靜壓(亦稱(chēng)為熱等靜壓)是通過(guò)消減內(nèi)部缺陷的高溫致密化處理達(dá)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)度會(huì)有下降，其疲勞強(qiáng)度可獲得較大的提高。如果該鑄件對(duì)疲勞性能要求不是十分重要，綜合經(jīng)濟(jì)方面考慮，沒(méi)必要熱等靜壓。因此，可選擇性地應(yīng)用于閥體類(lèi)的承壓殼體。按照閥門(mén)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，閥體需要進(jìn)行1.5倍公稱(chēng)壓力的強(qiáng)度試驗(yàn)，目的在于檢驗(yàn)閥體和閥蓋的致密性及包括閥體與閥蓋連接處在內(nèi)的整個(gè)殼體的耐壓能力。在這樣的檢驗(yàn)條件下，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)

　　在ASTM B493中，規(guī)范了鋯及鋯合金鍛件的級(jí)別(分為R60702、R60704及R60705級(jí)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(jí)要求、拉伸試驗(yàn)規(guī)則和方法、檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)正文中沒(méi)有規(guī)定具體的無(wú)損檢測(cè)要求，只是在補(bǔ)充要求S1條中要求能夠達(dá)到商定的內(nèi)部質(zhì)量要求。因此，作為閥門(mén)零部件生產(chǎn)時(shí)應(yīng)參照GB/T 12228中鍛件級(jí)別的要求根據(jù)不同壓力確定無(wú)損探傷要求。

4、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

　　4.1、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

　　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)為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)則及ASME規(guī)范卷Ⅱ材料D篇性能等。ASME規(guī)范采用僅是對(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。

　　4.2、材料使用溫度

　　使用上述規(guī)范，首先能夠確定所用材料的使用溫度上限，該值應(yīng)低于ASME規(guī)范中的較低值，并以此確定不同閥門(mén)材料(702C/R60702、705C/R60705)的設(shè)計(jì)許用溫度上限。在使用時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)材料允許使用的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工況工作溫度，但此時(shí)的許用應(yīng)力值卻降到很低的值。如R60702的許用應(yīng)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(yīng)根據(jù)工況溫度及合理的許用應(yīng)力降低幅度來(lái)確定該領(lǐng)域內(nèi)閥門(mén)材料的設(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(如增加壁厚和/或?qū)嶓w尺寸會(huì)使強(qiáng)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(yīng)力

　　(1)承壓殼體材料

　　許用應(yīng)力從ASME規(guī)范查取室溫值或從ASME規(guī)范取得室溫下的抗拉強(qiáng)度值和屈服強(qiáng)度值后結(jié)合閥門(mén)殼體件計(jì)算常用安全系數(shù)、斷裂應(yīng)力、蠕變率和鑄造質(zhì)量系數(shù)(對(duì)鑄件而言)計(jì)算取得。在確定鑄造質(zhì)量系數(shù)時(shí)，應(yīng)依據(jù)鑄造形式、首批鑄件檢驗(yàn)情況、關(guān)鍵截面無(wú)損檢驗(yàn)情況確定，基本在0.8～0.9之間。使用規(guī)范時(shí)考慮到材料的特殊性，應(yīng)檢驗(yàn)所用鑄鍛件的機(jī)械性能符合規(guī)范要求。

　　(2)閥門(mén)其他部件材料

　　根據(jù)不同零件的性能要求，可以使用ASME規(guī)范常溫許用值、溫度下的最大許用應(yīng)力值，對(duì)于R60702也可以使用ASME規(guī)范中的抗拉強(qiáng)度值和屈服強(qiáng)度值使用自行選擇其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的安全系數(shù)計(jì)算確定室溫及溫度下的許用應(yīng)力值。

　　(3)確定許用應(yīng)力值的準(zhǔn)則

　　結(jié)合安全系數(shù)、斷裂應(yīng)力、蠕變率、鑄造質(zhì)量系數(shù)(對(duì)鑄件而言)及射線照相檢驗(yàn)、液體滲透檢驗(yàn)等要求對(duì)質(zhì)量系數(shù)的影響構(gòu)成了鋯及鋯合金閥門(mén)的材料許用應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)則體系。在抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)為3.5、屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)為1.5的情況下，許用應(yīng)力在室溫～204℃的溫度區(qū)域以抗拉強(qiáng)度為決定性因素，在260～371℃的溫度區(qū)域以屈服強(qiáng)度為決定性因素。

5、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

　　國(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)鋯制產(chǎn)品始于壓力容器，并制定了部分鋯材標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T13747.1～24-1992、GB/T21183-2007以及GB/T26314-2010等，但常用于閥門(mén)設(shè)計(jì)制造的鑄件、鍛件的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未制定。盡管一些鋯材生產(chǎn)單位有相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但從目前的醋酸裝置設(shè)計(jì)單位所采用的閥門(mén)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系、設(shè)計(jì)制造閥門(mén)的生產(chǎn)單位的實(shí)際設(shè)計(jì)制造檢驗(yàn)操作的系統(tǒng)性而言，閥門(mén)生產(chǎn)單位選擇標(biāo)準(zhǔn)體系完整的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基本依據(jù)更為適宜。

　　2010年國(guó)家能源局發(fā)布并實(shí)施了NB/T 47011-2010行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的制定和發(fā)布規(guī)范了我國(guó)鋯制壓力容器設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量，也為鋯制閥門(mén)的設(shè)計(jì)和制造提供了重要的基礎(chǔ)支撐標(biāo)準(zhǔn)。盡管該標(biāo)準(zhǔn)在抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)、最高設(shè)計(jì)壓力上與ASME標(biāo)準(zhǔn)有差異，但在制造與焊接環(huán)境、焊接工藝、無(wú)損檢測(cè)、污染檢驗(yàn)等方面較之ASME標(biāo)準(zhǔn)都有具體的規(guī)定，便于遵循和執(zhí)行。因此，借鑒該標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制、要求設(shè)計(jì)和制造，能夠更好地保證鋯及鋯合金閥門(mén)的質(zhì)量。

6、結(jié)語(yǔ)

　　按前述標(biāo)準(zhǔn)和要求設(shè)計(jì)制造的鋯材閥門(mén)，進(jìn)行了閥體有限元分析、殼體強(qiáng)度壓力試驗(yàn)、整體閥門(mén)抗壓及彎矩試驗(yàn)、溫度交變后密封試驗(yàn)等理論與實(shí)際試驗(yàn)的驗(yàn)證。在國(guó)內(nèi)近年來(lái)的醋酸裝置中，不同品種規(guī)格的百余臺(tái)國(guó)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(yùn)行考核驗(yàn)證，目前運(yùn)行使用情況良好。隨著各項(xiàng)理論研究、試驗(yàn)與驗(yàn)證工作的進(jìn)一步深入，不斷完善設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)體系，鋯材閥門(mén)國(guó)產(chǎn)化工作將進(jìn)一步成熟。