鋯材閥門設計制造的幾項基礎工作
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(tǒng)，并成為其中溫度高、腐蝕強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、止回閥也有應用)作為輸送管線上控制介質流動的啟閉單元也得到了廣泛的應用。然而，在目前運行的裝置中，均依賴進口閥門，昂貴的代價及漫長的交貨期已使鋯材閥門國產(chǎn)化工作迫在眉睫。閥門產(chǎn)品標準、材料標準、閥門零件的設計計算準則等選用和規(guī)范是該類產(chǎn)品國產(chǎn)化工作的重要基礎部分。
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(tǒng)，并成為其中溫度高、腐蝕強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、止回閥也有應用)作為輸送管線上控制介質流動的啟閉單元也得到了廣泛的應用。然而，在目前運行的裝置中，均依賴進口閥門，昂貴的代價及漫長的交貨期已使鋯材閥門國產(chǎn)化工作迫在眉睫。閥門產(chǎn)品標準、材料標準、閥門零件的設計計算準則等選用和規(guī)范是該類產(chǎn)品國產(chǎn)化工作的重要基礎部分。
2、產(chǎn)品標準
經(jīng)對現(xiàn)有裝置上的閥門了解和資料查閱，使用了如下標準：
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、石化及相關工業(yè)用鋼制球閥
止回閥：
API594法蘭式、凸耳式、對夾式和對焊止回閥
API602石油和天然氣工業(yè)用公稱尺寸小于和等于DN100的鋼制閘閥、截止閥和止回閥
BS1868石油、石化及相關工業(yè)用法蘭端和對焊端鋼制止回閥
截止閥：
API602石油和天然氣工業(yè)用公稱尺寸小于和等于DN100的鋼制閘閥、截止閥和止回閥
通用閥門：
ASMEB16.34法蘭、螺紋和焊連接的閥門
上述標準均對各自的適用范圍、溫度壓力額定值、設計及性能、材料要求、檢查和試驗、標識、裝運進行了規(guī)范，但在各標準所規(guī)范的溫度壓力等級和承壓件材料中，API標準規(guī)范使用ASMEB16.34中規(guī)定的材料，BS標準規(guī)范使用BS1560、BS4504中規(guī)定的材料。然而，兩類標準中的材料均未包括鋯及鋯合金，也就是說，對于鋯材閥門，用于確定性能和設計選型的重要指標——溫度、壓力額定值在現(xiàn)行的國內(nèi)外標準中沒有，其值應根據(jù)使用的材料標準的材料屬性來自行確定，而產(chǎn)品標準中其它涉及材料的章節(jié)也應作相應的調(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，其最小壁厚應符合ASMEB16.34的規(guī)定”，因此，鋯旋塞閥最小壁厚應根據(jù)所選鋯材標準的材料屬性進行修正。
同時，上述標準中諸如密封系統(tǒng)要求、防噴出閥桿、操作執(zhí)行器要求、檢查和試驗要求、銘牌標識等應是遵循并達到的。
對于鋯及鋯合金閥門仍然應使用公稱壓力(PN)級或ASME額定級來表示所需壓力級的技術規(guī)范，即：PN20(150Lb)、PN50(300Lb)、PN110(600)。
另外，就是結構長度標準與連接法蘭標準，根據(jù)目前了解到的情況，結構長度選用的是AS-MEB16.10，連接法蘭標準選用的是ASMEB16.5，但法蘭的強度也應根據(jù)所選材料依據(jù)其屬性進行校核修正。
3、材料標準
鋯及鋯合金閥門主要使用了鑄件、鍛件、棒材三類標準：
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規(guī)范
較大口徑的閥體和閥芯采用鑄件，使用ASTMB752標準;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標準。
在ASTMB752中，規(guī)范了鋯及鋯合金鑄件的級別(分702C、704C、705C三個級別)、熔煉工藝要求、化學成份、熱處理及焊補、表面質量要求、標記，而在該標準的補充要求中，提出了射線探傷、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，上述要求對于制造閥門產(chǎn)品來講其零件的驗收應包括標準中的補充部分，只是其中的高溫等靜壓這一項因其應用于提高鑄造性能或消減內(nèi)部缺陷，我們認為該要求可應用于閥體這樣的承壓殼體，再進一步講，由于ASTMB752是一個通用鑄件標準，而非專用于閥門行業(yè)的一個鑄件技術條件，在閥體需要進行1.5倍公稱壓力的強度試驗的條件下，我們應考慮是否應適時地進行這些鑄件(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別(分R60702、R60704、R60705三個級別)、材料和制造、化學成分、工藝和質量等級要求、應力要求、試驗及方法、檢驗要求、標記要求。和B752明顯不同的是，其一，前述的各項要求均在正文中出現(xiàn);其二，探傷部分沒有出現(xiàn)，只是在補充要求中“規(guī)定內(nèi)部質量”一條中要求能夠達到商定的內(nèi)部質量要求;其三，本標準中要求每批產(chǎn)品的拉伸試驗和氫、氮含量的化學試驗應作做兩次。
從上述三個標準提供的內(nèi)容看來，作為閥門零件材料的基本驗收條件得到了滿足，但各標準中對溫度與許用應力的關系及其數(shù)值均未給出，因此，需要依據(jù)其它的標準規(guī)范來確定設計參數(shù)與材料制造使用準則。
4、閥門零件的設計計算準則等選用和規(guī)范
可確定鋯材閥門設計計算準則及材料制造使用的標準規(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
使用上述標準，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)閥門的設計許用溫度上限，當然，在不同的設計原則下該限值會有所不同(比如增加壁厚會使強度趨于安全從而獲得較高的限值);其次，我們可以獲得閥門承壓殼體材料的許用應力-ASME規(guī)范Ⅱ材料D篇的表1B常溫值取安全系數(shù)、閥門其它部件材料的許用應力-ASME規(guī)范Ⅱ材料D篇的表1B常溫許用值。同時，再結合射線照相檢驗、液體滲透檢驗及鑄造質量系數(shù)(對鑄件而言)構成了鋯及鋯合金閥門的材料許用應力體系。
需要說明的是采用前述標準僅是對國際公認規(guī)范的推薦使用，在實際應用時，其選擇應經(jīng)過協(xié)商。
明確了材料使用溫度上限、設計許用溫度上限、材料常溫許用應力之后，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力數(shù)據(jù)來明確閥門的溫壓值(或者說閥門的溫度壓力曲線)。
下面是依據(jù)上述原則確定的用于設計計算的(殼體)材料的強度極限參考值：
如果將上述兩類材料進行對比，各溫度下鋯705的強度要遠高于鋯702。通過對比及計算，選用鋯705材料可以獲得高于不銹鋼材質的剛性及強度，在耐腐蝕要求滿足的前題下，推薦選用該材料。
5、結語
按上述原則進行設計制造的鋯材閥門，通過了有限元強度分析驗證、殼體強度壓力試驗、殼體彎矩試驗、整體閥門抗壓、彎矩試驗等理論與實際試驗的驗證并與進口閥門進行了對比。閥門已投入實際工況使用，目前運行良好。我們相信，隨著各項理論研究與驗證工作的進一步深入，鋯材閥門國產(chǎn)化工作將進一步成熟。
