冶金自动化工程仪表阀门材料的选择与安装材料的选择

潘龙

中冶北方(大连)工程技术有限公司  辽宁大连  116600

摘 要：冶金自动化仪器在制造与应用中都需要大量的材料，而且它的安装环境也非常严格，如果仪器出现故障，那么整个仪器的性能都会受到影响。在冶金自动化仪器的使用中，对材料的选用和使用方法都有详细的要求，在材料的购买过程中按照相关的标准来进行，可以提高设备的质量和安全性。在选材工艺上应综合考虑多种因素，既保证了冶金自动化仪表的安全运行，又避免了设备安装费用的浪费，本文将对此进行详细讨论，首先针对于阀门常用金属材质进行了分析介绍，其次针对于加氢仪表阀门的材料选择进行了论述，最后对于仪表阀门材料的选择和安装要点进行了总结，希望为相关从业人员提供一定的参考和借鉴。

关键词：冶金自动化仪表；仪表阀门材料的选择；安装材料选择

0引言

在冶金自动化工程中，仪表阀门因其控制精度高，调节曲线好，类型多种多样，适用工况多，作为最主要的一类执行单元，在关键控制节点上握住各个工艺流程的咽喉。这就要求其除具备良好的控制性能外，还需有稳定可靠的现场表现，对各种苛刻的工况条件有良好的适应性，配合适当的检修和设备监督管理对策，使其在项目工程实践中得到合适的应用[1]。

为达到上述要求，从制造环节到应用环节的材料的选择和使用是否合适就至关重要，本文以仪表阀门为例，在其生命周期内的涉及到的各种材料的选择进行了探讨。

1仪表阀门常用金属材质

本文以碳素钢、合金钢和不锈钢这三类常用的仪表阀门金属材质为例。

1.1碳素钢

碳素钢是一种碳含量不超过2.1%，含有少量杂质如硫、磷、氧、硅等的铁合金。常见的碳素钢是 WCB和A105，两者的主要差别是 WCB是铸钢，A105是锻钢，常温下是以铁素体为主，极少数是珠光体。这两种钢在无腐蚀性的环境中具有很好的应用前景，其机械性能能够达到大部分的要求[2]。

1.2合金钢

合金钢是以碳素钢为原料，加入铬、镍、钼、钛等合金成分，以提高钢材的综合性能。根据合金元素含量的差异，可将其划分为：（1）合金元素总量不超过5%的低合金钢；(2)中合金钢（5%至10%的合金元素总重量）；(3)高合金钢（总重量比10%以上）。在氢气设备中常用的合金钢材料是WC6、WC9，是一种铬-钼钢，其在高温下的强度、耐高温、耐硫化物、耐氢腐蚀等方面都有很好的应用前景。

1.3不锈钢

不锈钢的主要防锈材料是铬，在不锈钢表面上能起到一层致密的钝化作用，起到保护金属免受腐蚀的作用。一般情况下，不锈钢的含铬量应该在10.5%以上，不然，就会导致不锈钢的耐蚀性丧失。不锈钢的种类很多，根据不锈钢的化学性质、合金的内部结构可分为：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相钢等。马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢在石油化工装置中得到了广泛的应用。马氏体不锈钢耐腐蚀性能差，稳定性差，成本低。马氏体不锈钢是一种常见的材料，例如440A,B,C，410不锈钢等。奥氏体不锈钢是目前炼厂仪器设备中使用最多的一种，其镍含量较高，有的钢用锰替代了一部分镍。在某些奥氏体不锈钢中添加 Mo可以使其耐腐蚀性能得到进一步的改善。普通的304、316是在700℃以下的低碳奥氏体不锈钢。316 L是一种耐腐蚀的超低碳奥氏体不锈钢，其耐高温力学性能差，工作温度不超过450℃。316 L耐腐蚀，耐高温环烷酸腐蚀。321、347为稳定的奥氏体不锈钢，其耐腐蚀性、耐高温力学、抗氧化性均优于普通奥氏体。321不锈钢是以304不锈钢为原料，加入钛后，其硬度大大提高，力学性能得到改善，并在高温、高压氢环境下得到改善。347不锈钢加入了铌，使其抗氢性能更好，并使钢的热强度得到改善。稳定型奥氏体不锈钢常用于高温氢气和硫化氢共存的场合。

下面就几种不锈钢的性能特征进行分析

(1) 铁素体不锈钢的性能特点：

其中，铁和铬是最主要的，铬的含量超过12%。它的耐蚀性比普通碳钢好，因为铬是一种特别容易钝化的耐腐蚀元素。同时，碳素含量低，硬度和强度都比碳钢低。由于无相变，对铁素体进行热处理，无法改善其机械性能。

(2)马氏体不锈钢的性能特点：

由于马氏体不锈钢中的碳含量高，硬度高，耐磨性能好，马氏体不锈钢经热处理后硬度和耐磨性能均有所提高。但是，马氏体不锈钢中的碳含量明显增加，其耐蚀性能比铁素体不锈钢差。马氏体不锈钢尤其适用于低腐蚀性、高强度和高硬度的场合[3]。

(3) 奥氏体不锈钢的性能特点：

奥氏体不锈钢具有高镍含量，在常温下仍然保持其奥氏体组织。奥氏体不锈钢采用平面立式方体点阵，通常具有较好的耐腐蚀性能，此外，试验结果表明，镍能显著提高材料的抗裂纹能力。奥氏体不锈钢在加入镍后，其温度可达到-196~700℃。然而，由于加入了镍元素，所以其价格高于马氏体和铁素体不锈钢。若在用于更高温、高压的工况下，321不锈钢或347不锈钢，与304不锈钢、316L不锈钢相比更加合适，因为其加入钛元素或铌元素。在高温条件下钛元素和铌元素可以形成稳定的碳化物，从而避免晶格腐蚀的发生，因而在有高温的腐蚀性介质的工况中更能发挥出其性能的优势所在

[4]。

(4)双相不锈钢（DSS）的性能特点：

双相不锈钢是由奥氏体和铁素体双相结构组成的，其中较少的一相含量也应达到30%以上，低碳钢中，铬元素含在18%~28%之间，镍元素含量在3%~10%之间。与铁素体不锈钢相比，其抗晶间腐蚀性能良好，低温焊接性能良好；与奥氏体不锈钢比较，其耐氯性、强度、耐蚀性和耐蚀性能均优于奥氏体不锈钢，可以用于海水，工业废水等氯离子含量较高的腐蚀性工况。综合来看，这是一种既有铁素体又有奥氏体的特性。

2、应用案例——加氢仪表阀门的材料选择

随着氢能产业发展热度持续升温，其在钢铁等工业领域脱碳中扮演的角色也逐渐得到认可。国家发展改革委价格成本调查中心近期发布的《钢铁产业供应链实现“双碳”目标路径分析及对成本的影响》也将“氢”摆到了重要位置。其中氢气代替一氧化碳作为还原剂，在不产生CO2的情况下，可以实现钢铁产品的脱碳，这也是未来发展方向[5]。

2.1阀体材质的选择

根据碳钢材料的温压曲线，确定仪表阀门的结构形式和耐温耐压等级。一般情况下，为了延长仪表阀门的使用寿命，接触介质的关键部件采用的是奥氏体不锈钢，不接触介质的部位可以采用价格相对低廉的材料，所以接触介质部分采用奥氏体不锈钢对阀门的成本没有明显的影响却达到了更耐用的效果。在氢气加氢厂注水泵出口和贫胺液泵出口的阀中，这两个介质是水和贫胺液，没有氢气和硫磺，只有很低的温度，为了节省成本，可以采用碳钢，但是可以考虑将阀内件换成416或440 C等马氏体不锈钢，而不需要堆焊硬质合金。在中压蒸汽管线的阀门，因其高温可达到400摄氏度，因此阀体材料宜选用WC6或WC9。在超过200℃时，材料中的氢气会通过金属的孔洞而发生腐蚀。

此外硫化氢的腐蚀更为明显，并且随着温度的增加，硫化氢的强度也会急剧增加。在这个部位，铁素体、马氏体、双相不锈钢都很难经受氢气和硫化氢的侵蚀，因此，应选用具有抗氢气、抗硫化氢的奥氏体不锈钢。另外，316不锈钢中还包含钼 (Mo)元素，提高了其抗腐蚀性的性能，这是304不锈钢材料所没有的[6]。当介质压力较大，含有氢气，温度不超过300℃时，可以选择铬钼钢作为仪器的材料；总体来说，316不锈钢的耐腐蚀性、高温、强度都要好于304不锈钢，能适应更苛刻的环境，但是其价格也高于304。在加氢设备的反应部位，阀体材料一般由阀门生产商选用316不锈钢，这是由于阀材料的成本只是整个阀门成本的一个很小的组成部分，所以316不会明显地增加成本，但是具有更好的抗腐蚀性。在高压分离器底部液体出口的液面调节阀是氢气分离中最重要的一个环节，在这个部位会出现空化现象，严重地冲击阀门内部零件，从而降低阀门的使用寿命。这里所选的阀门材料可以考虑在高温工况下耐高温耐腐蚀性能更优益的321不锈钢或347不锈钢，以增加其使用寿命，并在阀门的选型中选择防气蚀的结构形式，以降低气蚀对阀门的寿命的影响。321不锈钢是Ni-Cr-Mo型奥氏体不锈钢，是一种具有高温抗潜变性能，其中的铬元素起到关键作用，可以防止在高温环境下晶界内的铬的碳化物形成后产生的贫铬现象，增强其抗晶间腐蚀的能力；另外，在304不锈钢的基础上，加入钛，其高温性能优良，抗氧化，抗蠕变，在高温下优于316。347不锈钢属高碳含铌Cr-Ni奥氏体不锈钢，其耐晶间腐蚀和多硫酸晶间应力腐蚀，因为含有稳定的铌元素，因此该钢的高温强度高于321不锈钢。

2.2仪表阀门阀芯阀座关键部件材质的选择

为了延长阀门的使用寿命，无论是采用碳钢或不锈钢材料的加氢阀，如果阀体材料是321或347，那么阀芯材料应该使用321,347或更高级的材料，即是说阀门内件的材质一般不能低于阀体的材质。对进口和出口压力大的调节阀，采用在阀内件表面堆焊施特莱材料，以进一步延长阀门的使用寿命。316是常用的抗腐蚀材料，如果阀体材料是低于316的材质，那么依据工况条件阀门内部的材料选择316不锈钢也是合理的。仪表阀门的阀杆材料一般采用硬度和强度较高的沉淀硬化型马氏体不锈钢，在设计阀杆的过程中需对阀杆索要承受的力矩和材质的性能做综合因素的分析，其腐蚀性需从材质方面考虑，但强度可以通过加粗阀杆的方式予以增强。

3冶金自动化仪表工程的常用材料以及材料使用性能

3.1导线电缆

电线电缆是冶金自动化仪器在电力设备中的重要组成部分，它在实际应用中起到了为设备供电、传递电流模拟信号、传输频率信号、数字信号等的作用。由于是物理层面的硬连接，在工业现场上被认为是非常可靠的。当电线和电缆发生故障后，工厂主控制系统就会与短线的仪器无法联系，无法对仪器检测的工艺参数进行实时的参数监控。导线电缆不但要与装置相连，还要与车间及厂级的控制系统相连接，将监控数据的内容及时地传送给控制模块。因此，为保证准确的传递模拟信号数据，信号比较集中容易受干扰的区域要考虑双屏蔽，即单回路信号对屏蔽外增加一层总屏蔽，并保证屏蔽层得到可靠的单端接地。根据工艺环境温度的条件，考虑采用耐高温或耐低温电缆，根据火灾发生的可能性选择是否采用阻燃电缆，根据电缆的敷设方式选择是否应用铠装电缆。

3.2绝缘材料

绝缘层的作用是避免导线与空气的直接接触，从而引起火灾和短路。在选择绝缘材料时，需要具备一定的耐热性，因为在传输的过程中，导线、电缆的温度会升高，如果绝缘材料的耐热性能达不到要求，可能引发火灾。选择的绝缘材料可参照国家有关冶金自动化设备的安全管理规定。同时，作为冶金自动化仪器的绝缘材料，在设计敷设路由时应考虑其承载能力是否符合要求。

3.3紧固材料

紧固件是一种用于冶金自动化仪器安装的材料，其品种繁多，规格高度标准化，有很高的可替换性，便于施工材料供应商备货，也方便施工过程中就近采购，其固定方式多样，形式多样，如螺栓、螺母、自攻钉、铆钉、固定卡销、U型管卡、固定法兰、固定管箍等均能起到紧固材料的作用，阀门为例主要采用法兰固定，它的主要功能是对仪器和有关部件进行固定，它可以把仪器和检测器部件固定到所安装的电器上。仪器本身会有一个凸缘，另外还需要技术人员自己配制另一片法兰，在安装过程中用隔板将它固定在指定的位置。在安装法兰牢固材料时，必须具备一定的承载力，并按所安装的装置的重量选用相应的凸缘[7]。材质上根据工况的不同，可以选择普通碳钢、合金钢、不锈钢等，在加工方面可以选择热处理、渗碳等方式增加其相应性能指标。

3.4管阀件

管阀件主要应用于冶金自动化仪器的截止功能。它能切断传送线，并能保护断开一端，防止与空气直接接触，从而影响仪器在使用过程中的精度。管道阀件的安装必须符合一定的要求，在冶金自动化仪器的使用过程中，如果发生阀门部件脱落，则对测量的结果会产生干扰导致错误的发生。在其安装工艺上，要注意到具体的安装部位和装配的零件是否匹配，不配合规格的管件去强行配合就会发生现场常见的跑冒滴漏的现象。截止阀和球阀是目前较为常见的两种类型，它们各有利弊，在安装和使用过程中，要根据具体的安装和运行范围，进行进一步的选择[8]。

4结语

在冶金自动化仪器仪表应用中，仪表阀门的阀体、阀芯、法兰的应用条件是非常严格的，要按照介质、温度、压力、腐蚀性来选择合适的材质，并根据周围的温度、湿度、灰尘的浓度，室内还是室外，地上还是地下，日照，降水，海风腐蚀等各种因素来提供相应的防护、尺寸、有效的密度补偿和干燥度的调整。为了获得优良的使用性能，需要在设计中充分考虑上述的工况条件，如果不认真对待上述可能发生的情况，会影响到测量与控制，导致仪表应用的失败。正确、合理地选用仪器设备的安装材料，直接关系到仪器设备的准确、稳定、可靠的操作，这就要求技术人员在多年的工程设计实践中，加强对仪器仪表设备本身和安装的认识，从而使仪器设备的应用效果更好，安装质量得到不断的提升。

参考文献

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[3]陈飚.化工仪表的腐蚀问题分析及处理[J].中国石油和化工标准与质量,2018,38(16):25-26.

[4]钱玉水．马氏体不锈钢在不同态下的腐蚀性能研究［D］．太原:太原理工大学，2012．

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[6]王钰博.化工仪表腐蚀失效研究[J].化工管理,2020(09):162-163.

[7]陈昌昊.加氢装置中仪表阀门的材料选择[J].山东化工,2021,50(20):179-180.DOI:10.19319/j.cnki.issn.1008-021x.2021.20.064.

[8]石丰艳,程彬,张晗.自控仪表安装方案材料编码及自动汇料出图的研究[J].石油化工自动化,2021,57(S1):128-130.

[9]商亚卿.浅谈冶金工业中自动化仪表的应用[J].世界有色金属,2016(11):169-170.