特殊合金閥門材質的選擇及應用

薛慧濤，李耀旭，薛 峰，卜明光，方玉晨，馬云飛，徐東霞，周 勇

（1.神華工程技術有限公司，北京 100011； 2.國家管網集團工程技術創新有限公司，天津 300450；3.中國石油工程建設公司華北分公司，河北 任丘 062550）

0 前 言

閥門作為石油、化工、長輸管線、市政工程等流體傳輸系統的控制部件，具有導流、截止、調節、防止逆流等功能。閥門材料選用是否安全合理，對閥門自身、管道系統的使用安全以及整個工廠的安全運行至關重要。

鑄鐵、碳素鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼等通用材料閥門普遍應用在公用工程及具有一定腐蝕性的工況下，使用經驗較為成熟；而雙相不銹鋼、蒙乃爾合金、英康奈爾合金材料的特殊用途閥門常應用在特殊腐蝕工況，且造價昂貴，因此需要慎重選擇使用。了解其金屬材料的特性、掌握正確的工程選材原則對生產裝置建設的經濟性和運行的可靠性都具有十分重要的意義。本研究分析了特種合金的特性以及使用注意事項，以期為工程設計人員選擇閥門材料提供一定的參考和借鑒。

1 雙相不銹鋼

雙相不銹鋼是指不銹鋼中兼具奧氏體和鐵素體組織的一個鋼種，其固溶體組織中兩個組織各占50%左右，通常鐵素體的含量在35%以上，且任一相的數量一般不超過65%。雙相不銹鋼性能上不僅保留了奧氏體不銹鋼優良的韌性和焊接性能，同時具有鐵素體不銹鋼的高強度等優點。

1.1 分類及牌號

雙相不銹鋼的主要成分為Fe、Cr、Ni、Mo等元素，雙相不銹鋼鑄造牌號執行 ASTM A890 /A890M 標準。在 ASTM A890/A890M－18a 標準中，根據化學成分的差別，鑄造雙相不銹鋼有1B、1C、2A、3A、4A、5A、6A 和 7A 等 8 個等級[1]。我國雙相不銹鋼鑄件標準GB/T 2100—2017 中也有與ASTM A890/890M標準相對應的材料牌號。

美國鍛造雙相不銹鋼主要執行標準為 ASTM A182 /A182M－20， 其 中 有F50、 F51、 F52、F53、F54、F55、F57、F59、F60、F61、F65、F66、F67、F68、F69 和F71 等16 個牌號。我國不銹鋼鍛件標準NB/T 47010—2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》中規定了六種鍛造雙相不銹鋼牌號[3]。由于使用習慣且美標牌號更豐富，目前國內閥門產品仍主要采用美國雙相不銹鋼牌號標準，其中常用牌號主要為ASTM A182 標準的F51/F53/F55/F61，ASTM A890 標準的1B/4A/5A/6A。雙相不銹鋼的耐點蝕能力和點蝕敏感系數（PREN=Cr%+3.3%Mo+16%N）相關，而PREN值跟材料的成分相關，材料牌號不同，成分不同，耐點蝕能力也有差異。

1.2 性能及應用

不銹鋼的成分和組織對應力腐蝕開裂敏感性（SCC）起著關鍵性作用。奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中容易發生SCC，而鐵素體具有更好的抗SCC 性能。鐵素體晶粒越小，抗SCC 性能越好，所以雙相不銹鋼具有較高的抗氯化物SCC 性能，其應力腐蝕開裂的門檻值約為奧氏體不銹鋼的3倍。在Cr-Ni 系不銹鋼中，固溶組織中鐵素體相和奧氏體相的比例常使用“鉻當量”和“鎳當量”來計算和評價[4]。

雙相不銹鋼解決了304 L、316 L等奧氏體不銹鋼在Cl-應力腐蝕下產生SCC 的危險，尤其是在孔蝕引起的應力腐蝕破裂場合。所以在Cl-應力腐蝕的諸多場合，雙相不銹鋼得到廣泛應用，例如煉油工業的催化裂化和加氫裂化裝置、石化行業的聚氯乙烯裝置和氯乙烯生產裝置、煤化工的污水處理裝置等。

1.3 使用注意事項

雙相不銹鋼組織中σ相硬且脆，其析出量直接影響雙相鋼的耐腐蝕性能。為了避免造成韌性和耐腐蝕性能下降，雙相不銹鋼固溶處理后需要快冷以縮短σ 相析出過程。雙相鋼在316～540 ℃范圍內長時間停留就會析出σ 相，國家和石化行業標準均對雙相鋼材料的使用溫度做出了相關規定，雙相不銹鋼的連續使用溫度上限要低于奧氏體不銹鋼。SH/T 3059—2012《石油化工管道設計器材選用規范》第6.2節規定：雙相不銹鋼的使用溫度不宜高于300 ℃。GB/T 20801.2—2020《壓力管道規范 工業管道》附錄C3.2和附錄C6.9分別提出設計選材時應注意雙相鋼475 ℃脆性和σ 相脆化的問題，所以在進行閥門選材時，不應將雙相鋼應用在高溫場合。

另外，雙相不銹鋼閥門一般采用950 ℃固溶退火處理消除應力，因為在950 ℃以下，馬氏體組織會逐漸析出脆性相，這與奧氏體不銹鋼通常在600～800 ℃條件下進行熱處理來消除應力有所不同。

2 蒙乃爾合金

蒙乃爾（Monel）合金為50%Ni 和30%Cu 的Ni-Cu系合金。在蒙乃爾合金中，Ni元素作為基體，提供鈍化能力；Cu元素作為主要合金元素，提高合金在還原性介質中的耐腐蝕性。此外還加入了Fe、C、Si等元素提升合金的組織性能。

2.1 分類及牌號

鑄造蒙乃爾合金在ASTM A494/494M-18a 標準 中 主 要 有M35-1、M35-2、M30H、M25S、M30C 五個牌號。我國在2017年也發布了鑄造閥門的鎳基合金標準GB/T 35740—2017《工業閥門用鎳和鎳基合金鑄件技術條件》，規定了Ni-Cu合金M35-1 和M30C 兩個鑄造牌號。實際生產使用中，牌號M35-1 合金因為C、Si 含量相對較低，更適于閥門鑄造而被廣泛應用。

鍛造蒙乃爾合金牌號主要有Monel400、MonelC、 Monel403、 Monel404、 MonelR-405、Monel406、Monel411、MonelK500、Monel501 和Monel502 等。ASTM B564 標準規定了鎳銅合金UNS N04400（Monel400）的化學成分和力學性能；ASTM B865-04 標準規定了沉淀硬化鎳銅鋁UNS N05500的化學成分和力學性能。Monel400和Monel K500是耐蝕閥門鍛造蒙乃爾合金較為常用的兩個牌號，Monel K500 是在Monel400 的基礎上加入Al、Ti 得到的可時效硬化的蒙乃爾合金牌號。

我國標準中NB/T 47028—2012《壓力容器用鎳及鎳合金鍛件》中規定了NiCu30 鎳銅合金牌號，其參照了ASTM 標準N0400（Monel400）的化學成分和力學性能。GB/T 26030—2010《鎳及鎳合金鍛件》 規定了NiCu30、NiCu30-LC、NiCu30Al3Ti三個鎳銅合金牌號，其中NiCu30 對應牌號Monel400。我國暫時還沒有相關閥門用鎳合金鍛件的技術標準。

2.2 性能與應用

作為鎳基合金的蒙乃爾合金，具有優異的抗還原酸、抗強堿介質及耐海水腐蝕的性能，被廣泛應用于氫氟酸、鹽酸、氯堿及還原性酸介質的設備和閥門中。蒙乃爾合金對氫氟酸的耐腐蝕性優良，可以使用在各種濃度的氫氟酸中，在濃度10%氫氟酸沸點下依然可以使用。在氫氟酸系統使用時，蒙乃爾合金閥門有兩種，一種是閥體、內件均為蒙乃爾合金，另一種是碳鋼閥體、蒙乃爾合金內件，兩種閥門依據工況的溫度和含水率進行選擇。由于Ni 與S、O 易發生化學反應，因此蒙乃爾合金不抗含硫介質和強氧化性介質的腐蝕，GB/T 20801—2020 第7.2.4 節 和SH/T 3059—2012 第6.2.2 節 都 對鎳銅合金在含硫環境、以及氧化和還原環境的使用溫度做出了明確的限制。

蒙乃爾合金因在氧氣中具有優異的阻燃性能和較高的“豁免壓力”，而被用作煤氣化及其他高壓氧氣工況下閥門和管道的主體材料，常見的金屬“豁免壓力”和最小壁厚要求見表1。例如，陜北某煤氣化裝置9.8 MPa 界區高壓氧氣的儀表根部閥內件就采用Monel K500合金。

表1 常見的金屬“豁免壓力”和最小壁厚要求（IGC Doc 13/12/E標準）

2.3 使用注意事項

由于鑄造和鍛造材料制備工藝的不同，ASTM 標準中蒙乃爾鑄造合金和鍛造合金在化學成分上做了調整，所以蒙乃爾合金鑄件牌號和鍛件牌號之間沒有一一對應關系。

我國GB/T 35740—2017《工業閥門用鎳和鎳基合金鑄件技術條件》與ASTM A494/494M 相比，是專門針對鎳合金鑄造閥門的規范，針對性更強。GB/T 35740—2017規定：鑄件不接受重大補焊；閥門必須為法蘭閥門，不應采用焊接形式連接；閥門密封面只接受本體密封面，不接受堆焊合金形式；另外在化學成分、冶煉鑄造、鑄件質量要求等方面，做出了更加嚴格而具體的規定[12]。工程人員在工程設計和閥門采購中應注意相關標準的區別。

3 英康乃爾合金

英康奈爾合金（Inconel）是在一種比不銹鋼含Ni量高、含Fe量低的鎳基合金，其耐熱堿液、堿硫化物的腐蝕性比不銹鋼好，并且耐高溫和高溫腐蝕。

3.1 分類及牌號

與美國ASTM標準相比，我國標準在鎳鉻鐵合金方面還相對欠缺，國內閥門材料多執行美國ASTM 標準，表2 為英康奈爾合金鑄件和鍛件對照表。

表2 英康奈爾合金鑄件和鍛件對照表

3.2 性能與應用

Inconel600 是鎳鉻鐵合金，高含鎳量使合金在還原環境中具備良好的耐蝕性，高含鉻量使合金與Ni 相比具有更優異的耐氧化性能[13]。Inconel600 對高溫硫酸、各種高濃度的有機酸具有良好的耐腐蝕性，比如常溫磷酸、脂肪酸等，但不能用于高溫的氫氟酸和濃鹽酸，在高溫強堿中也會產生應力腐蝕。GB/T 20801—2020 第7.2.4節和SH/T 3059—2012第6.2.2節都對鎳鉻鐵合金在含硫環境、以及氧化和還原環境的使用溫度做出了明確的限制。

Inconel625 是低碳鎳鉻鉬鈮合金，對各種腐蝕介質具有良好的耐腐蝕性，常用于還原性酸，抗點蝕、縫隙腐蝕等工況，在煙氣脫硫的酸性氣體環境應用廣泛。Inconel625 合金常用在煤氣化裝置的高壓氧氣管道中，金屬豁免壓力和最小厚度要求見表1。

4 結束語

雙相不銹鋼、蒙乃爾合金、英康奈爾合金作為特殊用途的閥門材料，以其優良的耐蝕性和力學性能在石化行業的特殊腐蝕場合發揮了重要作用。目前，我國特殊合金閥門無論是材料加工、關鍵部件制造，還是標準制定方面與國外發達國家相比還有一定差距，而經濟、合理的使用特殊閥門也是工程設計人員需要關注的部分，只有在工程設計中正確選材才能保證生產裝置的長期穩定運行。