高压加氢装置用阀门的钢材要求

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　　目前炼油工业中越来越多地采用加氢精制、加氢裂化等加氢工艺。高压加氢工艺是石油炼制深加工的一个重要工艺措施，它不仅能提高原油的轻油回收率，而且是油品脱硫的理想装置，能提高燃料油的质量，减轻燃油对环境的污染，从而提高炼油厂的整体经济效益和社会效益。随着我国炼高硫油量的增加，各大炼油厂都想以此来提高其炼油水平、能力和效益，因此，高压加氢装置的建设将是我国石油炼制行业的重点和热点。高压加氢装置用阀门的工况四个突出的特点是：临氢、高压(公称压力一般为Class 600~Class 2500)、高温(≤500℃)及伴随硫化氢。因此高压加氢装置用阀门是：技术含量高、质量要求严、安全可靠性要求很高的特殊阀门，那其对阀门选材的要求必然是严格而科学的。

　　我们通常讲钢的抗氢性能，主要是指钢的抗氢腐蚀性能，抗氢钢也主要是指抗氢腐蚀钢。美国《不锈钢手册》“第46章 不锈钢在高压氢中的应用”中指出：“氢能导致许多(材料)机械性能的降低，包括抗拉强度和塑性。降低数值的范围根据不同材料差别较大。如410(Cr13)型马氏体钢，在氢中塑性的损失很大，其切口强度仅为原来的80%，但对于奥氏体材料如316型，在氢中进行试验却没有发现其塑性或强度有明显的变化。强度降低特别危险，因为在低应力操作下就可能导致意外的破坏”。该文又指出：“马氏体和沉淀硬化不锈钢......这类钢有部分由于存在着马氏体组织而具有高的强度。这类钢在氢中的性能较差。”

　　该文献对奥氏体不锈钢在高压氢中的性能作了介绍，他们认为：“奥氏体的稳定性和抗氢能力存在一定的关系......表46-2列举各种奥氏体钢的有关数据，包括有切口和无切口性能。这类钢受氢影响使性能降低的程度远比马氏体和沉淀硬化钢为低，特别是强度的降低。”

　　尽管316型奥氏体不锈钢在高压氢中表现优秀，但因它没有比铬能形成更加稳定碳化物的合金元素，如Ti或Nb，不能进一步降低不锈钢因碳可能造成氢腐蚀，所以标准中未推荐采用。

　　在JB/T 11484-2013《高压加氢装置用阀门技术规范》标准规定了高压加氢装置用阀门选材为：“5.25 材料选用 壳体材料和内件材料选择”，高压加氢装置用阀门材料与其工作温度有着十分紧密的关系，这是由于高压氢气的特性决定的。所以，高压加氢装置用阀门选材时明显地按工作温度分档选材，这是高压加氢装置用阀门材料选择的突出特点。

　　为了尽可能降低高压加氢装置用阀门氢腐蚀及硫腐蚀，我们对抗氢钢采取如下铸造和冶炼及检验措施：

　　一是铸造工艺上保证铸造时，采用严格的“工艺出品率”的考核，铸造“工艺出品率”，是铸钢或铸造合金阀门的一个保证铸件质量的很重要的参数，一项十分重要的指标。所谓“工艺出品率”是指浇注铸件所用的金属液与铸件重量之比，也称“钢水收得率”。计算铸件工艺出品率N(%)公式为：

　　N(%)=铸件毛坯量/(浇注系统重+冒口重量+铸件毛坯重)*100%

　　高性能阀门的碳钢铸件工艺出品率不得高于48%;合金钢及不锈钢铸件的“工艺出品率”不得高于45%。并使铸件严格地实行“顺序凝固”，使铸钢件得到充分地补偿，以消除铸件产生缩孔或缩松的缺陷，从而获得组织致密的铸件。

　　二是尽量降低钢中可能产生裂纹倾向的合金元素及杂质含量，如碳钢严格控制杂质硫和磷，并控制其碳含量和“碳当量”，在JB/T 11484-2013标准中碳素钢“5.2.2.1应选用低碳、低硫、低磷的优质碳素钢，锻材选用ASTM A105;铸材选用ASTM A216 WCB、WCC。5.2.2.2钢中的S、P含量分别不大于0.02%;对焊连接阀门用WCB和WCC材料，碳含量C不大于0.23%;碳当量[CE]不大于0.43%，工作温度不大于204℃”。加氢装置用阀门，如使用温度超过204℃时，必须使用加有Cr、Mo、V、Ti、Nb(注：美国常称铌为钶(Cb))等形成稳定碳化物的合金钢或不锈钢。所以，在JB/T 11484-2013标准中的“5.23铬-钼钢应选用含碳量不大于0.16%的低碳、低硫、低磷的铬-钼钢，钢中的S、P含量应分别不大于0.02%。锻材选用ASTM A182 F11 Class 1、F22 Class 1;铸材选用ASTM A217 WC6、WC9，工作温度为205℃~350℃”。

　　氢在奥氏体钢中的溶解度要比在铁素体钢中大得多，氢在钢中的溶解度大小，对钢的氢脆会产生影响，因此，奥氏体钢的抗氢性能要比铁素体钢好。所以，在高温或腐蚀性高的时候，高压加氢用阀门的主体材料必须选用稳定化的奥氏体不锈钢，在JB/T 11484-2013标准中的“5.2.4 不锈钢应选用含合金元素Nb或Ti的优质稳定化不锈钢，锻材选用ASTM A182 F321、F347;铸材选用ASTM A351 CF8C、GB/T 12230 ZG0Cr18Ni9Ti，最高工作温度为500℃，碳含量应不低于0.040%”，因为钛和铌对碳的亲和力要比铬对碳的亲和力大，因此在碳化物形成过程中，钛或铌比铬更早与碳结合生成碳化钛(TiC)或碳化铌(Nb4C3)，并且碳化钛(TiC)或碳化铌(Nb4C3)在1100℃以下很稳定不溶于奥氏体，这就排除了在高温及低温下铬就不会与碳生成Cr23C6，因而不锈钢晶界就不至于发生贫铬现象，从而可消除不锈钢的晶间腐蚀。为了保证有足够的钛或铌与不锈钢中的碳起稳定化的化学反应，钛或铌在不锈钢中加入量应为：

　　0.7%≥Ti%≥5(C-0.02)%

　　1.0%≥Nb%≥10(C-0.02)%

　　三是冶炼要采用电弧炉加AOD等精炼炉，严格控制钢中的气体含量，从而减少夹杂物和气孔缺陷。

　　四是检验，在JB/T 11484-2013标准对高压加氢阀门毛坯质量规范了以下严格的检验要求：“5.3.4铸、锻件毛坯表面要求”的检验;“5.4.3(铸造不锈钢)晶间腐蚀”的检验;“5.4.4铸件内部质量要求”的检验;“5.4.5(铸造)材料金相组织”的检验;“5.5.2(锻造不锈钢)晶间腐蚀”的检验;“5.5.3锻件内部质量”的检验;“5.5.4(锻造)金相组织要求”的检验。