高壓閥門鑄件的工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用?

鄭繁華

（蘭州黃河石化機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730050）

高壓閥門鑄件的工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用?

鄭繁華

（蘭州黃河石化機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730050）

重點(diǎn)介紹了加氫裂化裝置止回閥鑄件的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)和具體生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)對(duì)鑄件生產(chǎn)過(guò)程的鑄造工藝、冶煉工藝及熱處理工藝的再設(shè)計(jì)，在較低成本下生產(chǎn)出滿足客戶要求的高質(zhì)量產(chǎn)品。

高壓閥門；鑄鋼件工藝設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1 引 言

國(guó)際市場(chǎng)重燃料油需求量減少，中餾分油特別是柴油餾分需求量大幅度增加的情況下，以及有關(guān)運(yùn)輸燃料環(huán)境法規(guī)的日益嚴(yán)格，煉廠迫切的需要新的石油煉化工藝及設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。隨著UOP公司首先將加氫技術(shù)用于工藝生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，高壓加氫工藝已發(fā)展成為石油煉制深加工的一個(gè)重要工藝措施，它既能提高原油的輕油回收率，又能提高燃料油的質(zhì)量，減輕燃油對(duì)環(huán)境的污染，從而提高煉油廠的整體經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。高壓加氫裝置還能為石油化工裝置提供優(yōu)質(zhì)的原料，也是油品脫硫的理想裝置。我國(guó)20世紀(jì)90年代開始了高壓加氫裝置的建設(shè)，以此來(lái)提高高硫油的煉制質(zhì)量、能力和效益。因此，高壓加氫裝置的建設(shè)將是我國(guó)石油煉制行業(yè)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

高壓加氫裝置中的閥門承壓部件，其功能雖與普通閥門雖無(wú)較大區(qū)別，但需要具有抗高溫蠕變、耐高溫腐蝕，耐高壓、耐疲勞、防氫脆等特點(diǎn)，特別是在高溫高壓條件小，因氫分子很小，容易進(jìn)入金屬晶格，造成極大內(nèi)應(yīng)力，降低材料性能［1］。因此，需采用具有抗氫腐蝕和抗硫化氫腐蝕的材料進(jìn)行制造，通常選用奧氏體不銹鋼［2－4］。因生產(chǎn)難度較大，國(guó)內(nèi)目前尚缺乏成套供應(yīng)的能力。主要原因在于閥門制造廠與用戶（尤其是工程設(shè)計(jì)部門）溝通聯(lián)系不夠，不了解閥門的使用條件和要求，缺少一套與介質(zhì)條件相適應(yīng)的技術(shù)文件、模具和圖紙等，而且缺少工業(yè)化批量生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)?；诖?，開發(fā)高壓加氫裝置中的閥門，不僅能降低閥門價(jià)格，而且可減少供貨周期，方便補(bǔ)充訂貨，同時(shí)又能推動(dòng)閥門行業(yè)的發(fā)展。

2 閥體設(shè)計(jì)要求

2.1 閥體結(jié)構(gòu)

公司承接中石化240萬(wàn)噸／年加氫裂化裝置止回閥，該產(chǎn)品型號(hào)：DN400 2500lb，材料為CF8C，屬高溫高壓超低磷硫閥門，用于硫酸介質(zhì)環(huán)境，鑄件毛重4 300 kg，外形尺寸1 600 mm×900 mm×1 400 mm，鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CF8C止回閥圖示

2.2 主要技術(shù)參數(shù)及要求

基于該閥門使用環(huán)境，設(shè)計(jì)采用CF8C不銹鋼材料對(duì)閥體鑄件進(jìn)行澆注。其材料成分與ASTM A351標(biāo)準(zhǔn)基本相同，只是S、P限制為S≤0.015，P≤0.020，較A351標(biāo)準(zhǔn)要求更高。該材料力學(xué)性能要求：抗拉強(qiáng)度（MPa）：≥485；屈服強(qiáng)度（MPa）：≥205；延伸率（L0＝4d0）：≥30%，并附加金相組織及侵蝕試驗(yàn)要求，試驗(yàn)按ASTM E381執(zhí)行，結(jié)果符合下列要求硫化物≤1.0級(jí)，硅酸鹽≤1.5級(jí)，氧化鋁≤1.0級(jí)，球化氧化物≤2級(jí)，總級(jí)別數(shù)≤5級(jí)，不允許有尺寸大于ASTM E45標(biāo)準(zhǔn)的2.5級(jí)的偏析和帶狀不均勻組織，不允許有條狀?yuàn)A渣和裂紋。

所有鑄件需逐件進(jìn)行射線探傷檢查，檢查范圍符合ASME B16.34，檢查方法按MSS SP54標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；按ASTM E165標(biāo)準(zhǔn)逐件100%進(jìn)行液體滲透檢查；每批鑄件均應(yīng)抽檢一次進(jìn)行敏化態(tài)晶間侵蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合ASTM A262 E法的要求。

3 閥體制造工藝

3.1 鑄造工藝

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的加氫裂化高壓閥門在工程使用中主要存在以下問(wèn)題：閥體泄漏（鑄造閥體砂眼、裂紋等）、閥門密封面內(nèi)漏、填料函密封泄漏、閥蓋與閥體連接處泄漏及閥桿斷裂等。因此，需嚴(yán)格制造工藝。該閥體鑄件整體結(jié)構(gòu)為三通管狀，鑄件全體積100%著色探傷，同時(shí)管口及管口內(nèi)腔止回閥加工面100%進(jìn)行射線探傷。

由于不銹鋼鑄件體收縮大，易產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋等缺陷，為滿足射線探傷要求，防止縮松、裂紋等缺陷的產(chǎn)生，工藝設(shè)計(jì)力求達(dá)到順序凝固，最大限度保證鑄件致密度。為保證鑄件表面質(zhì)量，對(duì)于局部厚大部位施放虛熱系數(shù)較大的鉻礦砂激冷，砂型和型芯表面涂刷耐火度較高的鎂砂粉醇基涂料，并保證足夠的涂層厚度。此外，為保證鑄件外表面質(zhì)量，滿足著色探傷要求，采用間接外冷鐵加快鑄件局部熱節(jié)的冷卻，加強(qiáng)順序凝固，防止縮松和裂紋。

由于CF8C鋼液含鉻量高，在澆注過(guò)程中鋼液表面易產(chǎn)生氧化鉻膜，使得流動(dòng)降低，氧化鉻膜還使鑄件易產(chǎn)生冷隔、表面皺皮和夾渣等現(xiàn)象，鋼液溫度愈低澆注時(shí)間愈長(zhǎng)時(shí)，氧化現(xiàn)象愈嚴(yán)重。因此需適當(dāng)提高澆注溫度并縮短澆注時(shí)間。

為了保證鑄件能良好充型，防止鑄件縮孔，裂紋等缺陷的產(chǎn)生，在閥體開模試制前，工藝人員首先根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行盡可能多的虛擬方案試驗(yàn)，減少在現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)的模具試制，同時(shí)也減少了修改模具造成的時(shí)間浪費(fèi)和模具費(fèi)損失，減少鑄造缺陷，提高工藝出品率。通過(guò)優(yōu)化工藝方案，降低了鑄造工藝設(shè)計(jì)運(yùn)用于實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 冶煉工藝

按照ASTM A351標(biāo)準(zhǔn)CF8C化學(xué)成分為P≤0.040%，S≤0.040%，基于客戶對(duì)化學(xué)成分的苛刻要求（S≤0.015%，P≤0.020%），采用電弧爐氧化法冶煉＋AOD精煉工藝可滿足成品P要求，但生產(chǎn)成本較高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且不能滿足客戶較低報(bào)價(jià)（成本）要求；采用電弧爐返回法冶煉＋AOD精煉工藝成本較低，但要求返回料中P的含量低，目前，市場(chǎng)可采購(gòu)的返回料中P含量一般在0.040%左右，所以，采購(gòu)到含P量＜0.030%返回料是實(shí)現(xiàn)電弧爐返回法冶煉＋AOD精煉操作的前提，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)配入適量的低P鋼和使用較廉價(jià)的鉻鐵等，可在較低成本下生產(chǎn)出滿足客戶要求的高質(zhì)量產(chǎn)品。鋼水經(jīng)電弧爐初煉及AOD精煉深度脫S，可使成品S≤0.010%，確保客戶成品S≤0.015%的要求。

AOD（Argon－Oxygen Decarburization）精煉爐即實(shí)施氬—氧脫碳，去氣、夾雜物較徹底，可冶煉超低碳（C＜0.03%）和超低硫（S＜0.003%）的鋼水，鋼水純凈度高、氣體含量低，同時(shí)可準(zhǔn)確控制鋼水中碳及合金元素含量，達(dá)到理想的Cr、Ni當(dāng)量比，使后序熱處理過(guò)程得到奧氏體＋適量鐵素體組織（4%～16%），當(dāng)鋼中含有適量的δ鐵素體時(shí)，可以改善奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕傾向，保證了閥體使用性能。

3.3 熱處理工藝

奧氏體類不銹鋼鑄件的鑄態(tài)是奧氏體＋碳化物或奧氏體＋鐵素體兩相組織，為了使鋼具有最佳的抗腐蝕性，該類鑄鋼件均需施行固溶處理：即將鑄件加熱到950～1 175℃，使碳化物完全溶解，保溫后淬入水中，控制水介質(zhì)初始溫度（＜50℃）和冷卻速度，從而得到奧氏體組織與適量的鐵素體組織。為了提高該不銹鑄鋼的抗晶界腐蝕性能，在固溶處理后，尚須進(jìn)行穩(wěn)定化處理：將鑄件重新加熱到850～930℃空冷，因Nb與C的結(jié)合能力更強(qiáng)［5］，這樣首先形成穩(wěn)定的NbC，保證奧氏體中足夠的鉻含量，盡量減少鉻形成碳化物（Cr23C6）沿奧氏體晶體界析出，使晶界附近貧鉻，以防止晶間腐蝕，改善鋼的使用性能。

4 實(shí)物檢測(cè)

目前已試制該閥體鑄件3件，經(jīng)性能處理后，力學(xué)性能完全合格；通過(guò)金相檢測(cè)，夾雜物等級(jí)及鐵素體含量均滿足要求。RT檢驗(yàn)一次通過(guò)，PT檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

5 結(jié) 論

（1）開模試制前，通過(guò)華鑄CAE數(shù)值模擬，切實(shí)有效的減少了現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)的模具試制，同時(shí)也減少了修改模具造成的時(shí)間浪費(fèi)和模具費(fèi)損失，減少鑄造缺陷，提高工藝出品率，交付產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)，并得到客戶認(rèn)可。

（2）通過(guò)電弧爐返回法＋AOD精煉的冶煉方式，降低了鋼液中P、S及氣體的含量，提高了鋼液的純凈度，有效減少了氣孔等缺陷的產(chǎn)生。澆注溫度的適當(dāng)提高，提高了鋼液的流動(dòng)性，使其良好充型，保證了鑄件質(zhì)量。

（3）通過(guò)固溶化＋穩(wěn)定化的熱處理工藝，保證了鑄件的機(jī)械性能，結(jié)合冶煉時(shí)鋼液Cr／Ni當(dāng)量控制，使夾雜物等級(jí)也均低于標(biāo)準(zhǔn)要求，鐵素體含量約為8%左右，產(chǎn)品性能一次合格。

［1］ 朱 飛.PAT裝置加氫反應(yīng)器出料控制閥國(guó)產(chǎn)化改造的探討［J］.中國(guó)儀器儀表，2008（10）：48－51.

［2］ 〔美〕唐納德皮克納，I.M.伯恩斯坦.不銹鋼手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［3］ 黃嘉琥，吳 劍.耐腐蝕鑄鍛材料應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［4］ 吳偉陽(yáng)，樂(lè)精華.高壓加氫裝置閥門的工況要求及技術(shù)分析［J］.閥門，2006（6）：33～37.

［5］ 吳承建，陳國(guó)良.金屬材料學(xué)［M］.第2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

Technology Design and Application on High Pressure Valve Steel Casting

ZHENG Fan－h(huán)ua
（Lanzhou Yellow River Petroleum＆Chemical Mechanical Equipment Co.，Ltd，Lanzhou Gansu 730050，China）

In this article，the technology design and manufacturing process on the check valve casting steel of the hydrogenation cracking unit are mainly introduced，after the redesign of casting process，smelting technology and heat treatment process dur?ing actual operation，the high quality products which meets the needs of customer are produced with a low cost.

high pressure valve；technology design on steel casting；application

TH16

A

1007－4414（2013）04－0106－02

2013－06－11

鄭繁華（1962－），男，浙江文成人，工程師，主要從事鑄鍛件方面的工作。