锆及锆合金阀门设计制造标准体系的研究
介绍了锆及锆合金阀门的选型及其应用领域。分析了阀门产品的设计制造、材料选用及设计计算等标准的规定。给出了锆及锆合金阀门的设计制造、焊接工艺及无损检测检验等标准的确定方法与使用准则。
1、概述
锆及锆合金以其优异的耐蚀性广泛应用于合成醋酸工艺装置等系统，并成为其中温度高、腐蚀强的部分装置与管路系统首选金属材料。锆材阀门作为输送管线上控制介质流动的启闭单元也得到了广泛的应用。目前，生产该类阀门的国外企业有美国福斯公司(Flowserve)、美国苏莫斯公司(XOMOX)和德国安策公司(AZ)等。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)调研后发现在目前运行的醋酸装置中，此类阀门主要依赖进口，阀门的产品标准、材料标准及零件的设计计算准则的选用和规范是该类产品国产化工作的根本。
2、产品标准
2.1、产品类型
锆及锆合金阀门类型有旋塞阀、球阀、止回阀和截止阀等，其中以旋塞阀为主。产品通常使用和参照的标准主要有API 594、API 599、API 602、API 608、BS 1868、BS 5351、ASME B16.34和API 6D等。
2.2、压力-温度额定值
压力-温度额定值是阀门设计制造首先面临的问题。然而在相关各标准所规范的承压件材料及其压力-温度等级中，API标准规范使用ASME B16.34中规定的材料，BS标准规范使用BS1560和BS4504中规定的材料，这两类标准中的材料均未包括锆及锆合金。对于锆及锆合金阀门，用于确定设计和使用性能选型的主体材料的压力-温度额定值在现行的国内外标准中未作规定，其值需要根据使用材料标准规定的材料属性计算确定。ASME锅炉及压力容器规范材料卷提供了锆及锆合金锻件在不同温度下的强度值可用于计算确定壳体材料的压力-温度等级，但铸件在不同温度下的强度值需经试验确定。在计算壁厚时，应根据ASME B16.34附录B正确选择计算方式和ASME规定的用于设计计算的(壳体)材料的强度、许用应力值和依据醋酸装置用锆及锆合金阀门使用温度确定的材料最高使用温度参考值(表1)。经对比及计算可知，各温度下锆705的强度远高于锆702，锆705可以获得高于316L等不锈钢材质的刚性及强度。在满足耐腐蚀要求的前提下，推荐选用该材料。
表1 锆及锆合金阀门使用温度确定的材料最高使用温度参考值
2.3、连接尺寸及参数
锆及锆合金阀门规格采用公称管径(NPS)与ASME额定级(Class)。进口装置和国内设计院所设计的这类阀门结构长度基本选用ASME B16.10短系列，符合API594标准的部分产品按该标准自身确定的结构长度。连接法兰标准选用ASME B16.5，但在国内外产品的实际工程应用中，法兰的强度按所选材料属性进行了校核修正，主要体现在法兰厚度应厚于钢制法兰的标准尺寸，其他尺寸包括外径、连接孔尺寸及密封尺寸等为保证连接标准的一致未作变动。
多年的实际应用表明，采用上述标准和部分修正完全可满足系统压力管道元件连接规范化、标准化、安装要求和使用性能要求。对于用锆金属所制造的阀门采用较短的结构长度和修正的法兰厚度，平衡了节约材料与高温系统需要间的关系。在国产化产品运行近3年的工程实践证明，采用上述原则设计制造的阀门性能达到进口产品的水平，而合理的价格取得了较低的系统建设和运行维护成本。
2.4、设计要求
不同类型阀门产品标准中各自的设计要求诸如密封系统要求、防喷出阀杆、操作执行器要求、检查和试验要求、铭牌标识等，锆材阀门应同样遵循。输送B类流体的管道上使用软密封球阀时应选用防(耐)火型结构的球阀。对于使用锆材阀门的管道输送的多为加有催化剂的醋酸介质，尚不属于易燃易爆流体，所以，在目前国内装置中所用的这两类阀门通常无上述两项要求。有些工艺管道因其特殊性会有防火要求，通过特殊的阀座设计(如在阀座软密封带内侧设计金属密封带等)。在中法兰连接和阀杆密封等密封环节有柔性石墨的密封材料在阀门意外受到火烧时可有效地防止介质在内部和向外部泄漏。因此，可以将抗静电和防火要求作为锆材阀门的附加要求体现在其设计制造规范中。
3、材料标准
锆及锆合金阀门主要使用了ASTM B752、ASTM B493及ASTM B550等3类材料标准。
3.1、铸件标准
ASTM B752为通用铸件标准，而非用于阀门行业的专业化铸件技术标准，同时也没有被收录到ASME锅炉及压力容器规范材料卷中。因此，在使用该标准时应根据阀门使用的特点来选择使用其中的性能指标和检验要求，需要时应根据使用环境和状态进行必要的补充。该标准规定了锆及锆合金铸件的级别(分为702℃、704℃及705℃级别)、熔炼工艺要求、化学成分、热处理及补焊、表面质量要求和标记等。在该标准的补充要求中，提出了射线探伤、液体渗透探伤、拉伸试验、硬度试验、冲击试验及高温等静压。显然，零件的制造检验应包括标准中的补充部分。
高温等静压(亦称为热等静压)是通过消减内部缺陷的高温致密化处理达到提高铸件综合性能的目的。高温等静压后，由于晶粒发生粗化，通常其抗拉强度和屈服强度会有下降，其疲劳强度可获得较大的提高。如果该铸件对疲劳性能要求不是十分重要，综合经济方面考虑，没必要热等静压。因此，可选择性地应用于阀体类的承压壳体。按照阀门检验标准要求，阀体需要进行1.5倍公称压力的强度试验，目的在于检验阀体和阀盖的致密性及包括阀体与阀盖连接处在内的整个壳体的耐压能力。在这样的检验条件下，应考虑是否适时地进行这些铸件(包括阀体)的热等静压处理。
3.2、锻件标准
在ASTM B493中，规范了锆及锆合金锻件的级别(分为R60702、R60704及R60705级别)、材料和制造、化学成分、拉伸性能要求、工艺和质量等级要求、拉伸试验规则和方法、检验规则及标记要求等，基本符合阀门承压件和控压件的制造要求。该标准正文中没有规定具体的无损检测要求，只是在补充要求S1条中要求能够达到商定的内部质量要求。因此，作为阀门零部件生产时应参照GB/T 12228中锻件级别的要求根据不同压力确定无损探伤要求。
4、设计准则
4.1、标准规范
锆材阀门设计计算准则及材料制造使用的标准为ASME规范Ⅷ卷Ⅰ压力容器建造规则，ASME规范Ⅷ卷II压力容器建造另一规则及ASME规范卷Ⅱ材料D篇性能等。ASME规范采用仅是对国际公认规范的推荐使用，在实际应用时，其选择应经过协商。
4.2、材料使用温度
使用上述规范，首先能够确定所用材料的使用温度上限，该值应低于ASME规范中的较低值，并以此确定不同阀门材料(702C/R60702、705C/R60705)的设计许用温度上限。在使用时会发现材料允许使用的温度远远高于工况工作温度，但此时的许用应力值却降到很低的值。如R60702的许用应力值由室温时的108下降到最高工作温度375℃时的35.5，而工况温度通常为200℃以下。因此，还应根据工况温度及合理的许用应力降低幅度来确定该领域内阀门材料的设计许用温度上限。当然，在不同的设计原则下该限值会有所不同(如增加壁厚和/或实体尺寸会使强度趋于安全从而获得较高的许用温度限值)。
4.3、材料许用应力
(1)承压壳体材料
许用应力从ASME规范查取室温值或从ASME规范取得室温下的抗拉强度值和屈服强度值后结合阀门壳体件计算常用安全系数、断裂应力、蠕变率和铸造质量系数(对铸件而言)计算取得。在确定铸造质量系数时，应依据铸造形式、首批铸件检验情况、关键截面无损检验情况确定，基本在0.8～0.9之间。使用规范时考虑到材料的特殊性，应检验所用铸锻件的机械性能符合规范要求。
(2)阀门其他部件材料
根据不同零件的性能要求，可以使用ASME规范常温许用值、温度下的最大许用应力值，对于R60702也可以使用ASME规范中的抗拉强度值和屈服强度值使用自行选择其他标准规范的安全系数计算确定室温及温度下的许用应力值。
(3)确定许用应力值的准则
结合安全系数、断裂应力、蠕变率、铸造质量系数(对铸件而言)及射线照相检验、液体渗透检验等要求对质量系数的影响构成了锆及锆合金阀门的材料许用应力计算准则体系。在抗拉强度的安全系数为3.5、屈服强度的安全系数为1.5的情况下，许用应力在室温～204℃的温度区域以抗拉强度为决定性因素，在260～371℃的温度区域以屈服强度为决定性因素。
5、相关标准
国内工业级锆制产品始于压力容器，并制定了部分锆材标准，如GB/T13747.1～24-1992、GB/T21183-2007以及GB/T26314-2010等，但常用于阀门设计制造的铸件、锻件的国家或行业标准尚未制定。尽管一些锆材生产单位有相应的企业标准，但从目前的醋酸装置设计单位所采用的阀门相关标准体系、设计制造阀门的生产单位的实际设计制造检验操作的系统性而言，阀门生产单位选择标准体系完整的国际标准规范为基本依据更为适宜。
2010年国家能源局发布并实施了NB/T 47011-2010行业标准，该标准的制定和发布规范了我国锆制压力容器设计和制造的质量，也为锆制阀门的设计和制造提供了重要的基础支撑标准。尽管该标准在抗拉强度的安全系数、最高设计压力上与ASME标准有差异，但在制造与焊接环境、焊接工艺、无损检测、污染检验等方面较之ASME标准都有具体的规定，便于遵循和执行。因此，借鉴该标准来控制、要求设计和制造，能够更好地保证锆及锆合金阀门的质量。
6、结语
按前述标准和要求设计制造的锆材阀门，进行了阀体有限元分析、壳体强度压力试验、整体阀门抗压及弯矩试验、温度交变后密封试验等理论与实际试验的验证。在国内近年来的醋酸装置中，不同品种规格的百余台国产阀门已进入实际工况使用，经过近3年工业运行考核验证，目前运行使用情况良好。随着各项理论研究、试验与验证工作的进一步深入，不断完善设计制造标准体系，锆材阀门国产化工作将进一步成熟。
