鋯及鋯合金閥門設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)體系的研究

　　介紹了鋯及鋯合金閥門的選型及其應(yīng)用領(lǐng)域。分析了閥門產(chǎn)品的設(shè)計制造、材料選用及設(shè)計計算等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。給出了鋯及鋯合金閥門的設(shè)計制造、焊接工藝及無損檢測檢驗(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。鋯材閥門作為輸送管線上控制介質(zhì)流動的啟閉單元也得到了廣泛的應(yīng)用。目前，生產(chǎn)該類閥門的國外企業(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://genius-power.com/)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)在目前運(yùn)行的醋酸裝置中，此類閥門主要依賴進(jìn)口，閥門的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、材料標(biāo)準(zhǔn)及零件的設(shè)計計算準(zhǔn)則的選用和規(guī)范是該類產(chǎn)品國產(chǎn)化工作的根本。

2、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

　　2.1、產(chǎn)品類型

　　鋯及鋯合金閥門類型有旋塞閥、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-溫度額定值是閥門設(shè)計制造首先面臨的問題。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，這兩類標(biāo)準(zhǔn)中的材料均未包括鋯及鋯合金。對于鋯及鋯合金閥門，用于確定設(shè)計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(qiáng)度值需經(jīng)試驗(yàn)確定。在計算壁厚時，應(yīng)根據(jù)ASME B16.34附錄B正確選擇計算方式和ASME規(guī)定的用于設(shè)計計算的(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(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)

　　鋯及鋯合金閥門規(guī)格采用公稱管徑(NPS)與ASME額定級(Class)。進(jìn)口裝置和國內(nèi)設(shè)計院所設(shè)計的這類閥門結(jié)構(gòu)長度基本選用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)長度。連接法蘭標(biāo)準(zhǔn)選用ASME B16.5，但在國內(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。

　　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。對于用鋯金屬所制造的閥門采用較短的結(jié)構(gòu)長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)計制造的閥門性能達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品的水平，而合理的價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)計要求

　　不同類型閥門產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中各自的設(shè)計要求諸如密封系統(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)識等，鋯材閥門應(yīng)同樣遵循。輸送B類流體的管道上使用軟密封球閥時應(yīng)選用防(耐)火型結(jié)構(gòu)的球閥。對于使用鋯材閥門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(nèi)裝置中所用的這兩類閥門通常無上述兩項(xiàng)要求。有些工藝管道因其特殊性會有防火要求，通過特殊的閥座設(shè)計(如在閥座軟密封帶內(nèi)側(cè)設(shè)計金屬密封帶等)。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意外受到火燒時可有效地防止介質(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的附加要求體現(xiàn)在其設(shè)計制造規(guī)范中。

3、材料標(biāo)準(zhǔn)

　　鋯及鋯合金閥門主要使用了ASTM B752、ASTM B493及ASTM B550等3類材料標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.1、鑄件標(biāo)準(zhǔn)

　　ASTM B752為通用鑄件標(biāo)準(zhǔn)，而非用于閥門行業(yè)的專業(yè)化鑄件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時也沒有被收錄到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)時應(yīng)根據(jù)閥門使用的特點(diǎn)來選擇使用其中的性能指標(biāo)和檢驗(yàn)要求，需要時應(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(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(亦稱為熱等靜壓)是通過消減內(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)度會有下降，其疲勞強(qiáng)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(jì)方面考慮，沒必要熱等靜壓。因此，可選擇性地應(yīng)用于閥體類的承壓殼體。按照閥門檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，閥體需要進(jìn)行1.5倍公稱壓力的強(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(yàn)規(guī)則和方法、檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)記要求等，基本符合閥門承壓件和控壓件的制造要求。該標(biāo)準(zhǔn)正文中沒有規(guī)定具體的無損檢測要求，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，作為閥門零部件生產(chǎn)時應(yīng)參照GB/T 12228中鍛件級別的要求根據(jù)不同壓力確定無損探傷要求。

4、設(shè)計準(zhǔn)則

　　4.1、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

　　鋯材閥門設(shè)計計算準(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)范采用僅是對國際公認(rèn)規(guī)范的推薦使用，在實(shí)際應(yīng)用時，其選擇應(yīng)經(jīng)過協(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材料(702C/R60702、705C/R60705)的設(shè)計許用溫度上限。在使用時會發(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)力值由室溫時的108下降到最高工作溫度375℃時的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)力降低幅度來確定該領(lǐng)域內(nèi)閥門材料的設(shè)計許用溫度上限。當(dāng)然，在不同的設(shè)計原則下該限值會有所不同(如增加壁厚和/或?qū)嶓w尺寸會使強(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)合閥門殼體件計算常用安全系數(shù)、斷裂應(yīng)力、蠕變率和鑄造質(zhì)量系數(shù)(對鑄件而言)計算取得。在確定鑄造質(zhì)量系數(shù)時，應(yīng)依據(jù)鑄造形式、首批鑄件檢驗(yàn)情況、關(guān)鍵截面無損檢驗(yàn)情況確定，基本在0.8～0.9之間。使用規(guī)范時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)(對鑄件而言)及射線照相檢驗(yàn)、液體滲透檢驗(yàn)等要求對質(zhì)量系數(shù)的影響構(gòu)成了鋯及鋯合金閥門的材料許用應(yīng)力計算準(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)

　　國內(nèi)工業(yè)級鋯制產(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，但常用于閥門設(shè)計制造的鑄件、鍛件的國家或行業(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)計單位所采用的閥門相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系、設(shè)計制造閥門的生產(chǎn)單位的實(shí)際設(shè)計制造檢驗(yàn)操作的系統(tǒng)性而言，閥門生產(chǎn)單位選擇標(biāo)準(zhǔn)體系完整的國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基本依據(jù)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(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的制定和發(fā)布規(guī)范了我國鋯制壓力容器設(shè)計和制造的質(zhì)量，也為鋯制閥門的設(shè)計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、無損檢測、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)來控制、要求設(shè)計和制造，能夠更好地保證鋯及鋯合金閥門的質(zhì)量。

6、結(jié)語

　　按前述標(biāo)準(zhǔn)和要求設(shè)計制造的鋯材閥門，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。在國內(nèi)近年來的醋酸裝置中，不同品種規(guī)格的百余臺國產(chǎn)閥門已進(jìn)入實(shí)際工況使用，經(jīng)過近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)計制造標(biāo)準(zhǔn)體系，鋯材閥門國產(chǎn)化工作將進(jìn)一步成熟。