高压阀门铸件的工艺设计与应用

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国际市场重燃料油需求量减少，中馏分油特别是柴油馏分需求量大幅度增加的情况下，以及有关运输燃料环境法规的日益严格，炼厂迫切的需要新的石油炼化工艺及设备来实现这-目标。随着 UOP公司首先将加氢技术用于艺生产，经过几十年的发展，高压加氢工艺已发展成为石油炼制深加工的-个重要工艺措施，它既能捉高原油的轻油回收率，义能提高燃料油的质量，减轻燃油对环境的污染，从而提高炼油厂的整体经济效益和社会效益。高压加氢装置还能为石油化工装置提供优质的原料，也是油品脱硫的理想装置。我国20世纪 90年代开始了高压加氢装置的建设，以此来提高高硫油的炼制质量、能力和效益。因此，高压加氢装置的建设将是我国石油炼制行业的重点和热点。

高压加氢装置中的阀门承压部件，其功能虽与普通阀门虽无较大区别，但需要具有抗高温蠕变、耐高温腐蚀，耐高压、耐疲劳、防氢脆等特点，特别是在高温高压条件小，因氢分子很小，容易进入金属晶格，造成极大内应力，降低材料性能 。因此，需采用具有抗氢腐蚀和抗硫化氢腐蚀的材料进行制造，通常选用奥氏体不锈钢[2-4]。因生产难度较大，国内目前尚缺乏成套供应的能力 主要原因在于阀门制造厂与用户(尤其是工程设计部门)沟通联系不够，不了解阀门的使用条件和要求，缺少-套与介质条件相适应的技术文件、模具和 纸等，而且缺少工业化批量生产的经验。基于此，开发高压加氢装置中的阀门，不仅能降低阀门价格，而且可减少供货周期，方便补充订货，同时又能推动阀门行业的发展。

2 阀体设计要求2.1 阀体结构公司承接中石化240万吨/年加氢裂化装置止回阀，该产品型号：DN400 25001b，材料为 CF8C，属高温高压超低磷硫阀门，用于硫酸介质环境，铸件毛重4300 kg，外形尺寸 1 600 mmx900 minx1 400 mm，铸件结构如图1所示。

图 1 CF8C止回阀图示2.2 主要技术参数及要求基于该阀门使用环境，设计采用 CF8C不锈钢材料对阀体铸件进行浇注。其材料成分与 ASTM A351标准基本相同，只是 S、P限制为 S≤0.015，P≤0。

020，较 A351标准要求更高。该材料力学性能要求：抗拉强度(MPa)：>/485；屈服强度(MPa)：≥205；延收稿 日期：20l3-06-11作者简介：郑繁华(I962-)，男，浙江文成人，工程帅，主要从事铸锻件方面的工作· 106·· 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 应用与试验伸率(L 4d )：≥30%，并附加金相组织及侵蚀试验要求，试验按 ASTM E381执行，结果符合下列要求硫化物≤1.0级，硅酸盐 ≤1.5级，氧化铝≤1.0级，球化氧化物≤2级，总级别数≤5级，不允许有尺寸大于ASTM E45标准的2.5级的偏析和带状不均匀组织，不允许有条状夹渣和裂纹。

所有铸件需逐件进行射线探伤检查，检查范围符合 ASME B16.34，检查方法按 MSS SP54标准进行；按ASTM E165标准逐件 100%进行液体渗透检查；每批铸件均应抽检-次进行敏化态晶间侵蚀试验，试验方法和试验结果应符合 ASTM A262 E法的要求。

3 阀体制造工艺3.1 铸造工艺目前国内生产的加氢裂化高压阀门在工程使用中主要存在以下问题：阀体泄漏(铸造阀体砂眼、裂纹等)、阀门密封面内漏、填料函密封泄漏、阀盖与阀体连接处泄漏及阀杆断裂等。因此，需严格制造工艺。该阀体铸件整体结构为三通管状，铸件全体积100%着色探伤，同时管口及管口内腔止回阀加工面100%进行射线探伤。

由于不锈钢铸件体收缩大，易产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷，为满足射线探伤要求，防止缩松、裂纹等缺陷的产生，工艺设计力求达到顺序凝固，最大限度保证铸件致密度。为保证铸件表面质量，对于局部厚大部位施放虚热系数较大的铬矿砂激冷，砂型和型芯表面涂刷耐火度较高的镁砂粉醇基涂料，并保证足够的涂层厚度。此外，为保证铸件外表面质量，满足着色探伤要求 ，采用间接外冷铁加快铸件局部热节的冷却，加强顺序凝固，防止缩松和裂纹。

由于 CF8C钢液含铬量高，在浇注过程中钢液表面易产生氧化铬膜，使得流动降低，氧化铬膜还使铸件易产生冷隔、表面皱皮和夹渣等现象，钢液温度愈低浇注时间愈长时，氧化现象愈严重。因此需适当提高浇注温度并缩短浇注时间。

为了保证铸件能良好充型，防止铸件缩孔，裂纹等缺陷的产生，在阀体开模试制前，工艺人员首先根据铸件结构进行旧能多的虚拟方案试验，减少在现场反复的模具试制，同时也减少了修改模具造成的时间浪费和模具费损失，减少铸造缺陷，提高工艺出品率。通过优化工艺方案，降低了铸造工艺设计运用于实际风险。

3.2 冶炼工艺按照 ASTM A351标准 CF8C化学成分为 P≤0。

040%，S≤0.040%，基于客户对化学成分的苛刻要求(S≤0.015%，P≤0.020%)，采用电弧炉氧化法冶炼AOD精炼工艺可满足成品P要求，但生产成本较高，劳动强度大，且不能满足客户较低报价(成本)要求；采用电弧炉返 回法冶炼AOD精炼工艺成本较低，但要求返回料中 P的含量低，目前，市成采购的返回料中 P含量-般在 0.040%左右，所以，采购到含 P量<0.030%返回料是实现电弧炉返回法冶炼AOD精炼操作的前提，在此基础上，通过配入适量的低 P钢和使用较廉价的铬铁等，可在较低成本下生产出满足客户要求的高质量产品。钢水经电弧炉初炼及 AOD精炼深度脱 s，可使成品 S≤0.010%，确蓖户成品 S≤0.015%的要求。

AOD(Argon-Oxygen Decarhurization)精炼炉即实施氩-氧脱碳，去气、夹杂物较彻底，可冶炼超低碳(C<0.03%)和超低硫(S<0.003%)的钢水，钢水纯净度高、气体含量低，同时可准确控制钢水中碳及合金元素含量 ，达到理想的 cr、 当量比，使后序热处理过程得到奥氏体适量铁素体组织(4% ～16%)，当钢中含有适量的6铁素体时，可以改善奥氏体不锈钢的晶问腐蚀倾向，保证了阀体使用性能。

3.3 热处理工艺奥氏体类不锈钢铸件的铸态是奥氏体碳化物或奥氏体铁素体两相组织，为了使钢具有最佳的抗腐蚀性 ，该类铸钢件均需施行固溶处理：即将铸件加热到 950-1 175 c《，使碳化物完全溶解，保温后淬入水中，控制水介质初始温度(<50℃)和冷却速度，从而得到奥氏体组织与适量的铁素体组织。为了提高该不锈铸钢的抗晶界腐蚀性能，在固溶处理后，尚须进行稳定化处理：将铸件重新加热到 850～930 oC空冷，因 Nb与 C的结合能力更强 J，这样首先形成稳定的NbC，保证奥氏体中足够的铬含量，尽量减少铬形成碳化物(Cr ，C )沿奥氏体晶体界析出，使晶界附近贫铬，以防止晶间腐蚀，改善钢的使用性能。

4 实物检测目前已试制该阀体铸件 3件，经性能处理后，力学性能完全合格；通过金相检测，夹杂物等级及铁素体含量均满足要求。RT检验-次通过，PT检测未发现超标缺陷。

5 结 论(1)开模试制前，通过华铸 CAE数值模拟，切实有效的减少了现场反复的模具试制，同时也减少了修改模具造成的时间浪费和模具费损失，减少铸造缺陷，提高工艺出品率，交付产品质量达标，并得到客户认可。

(2)通过电弧炉返回法AOD精炼的冶炼方式，降低了钢液中P、S及气体的含量，提高了钢液的纯净度，有效减少了气孔等缺陷的产生注温度的适(下转第 112页)· 107 ·设计与制造 2013年第4期(第26卷，总第126期)·机械研究与应用 ·结合TRIZ理论创新软件Pro/I，受到专利热收缩将管固定在壁中 的启发，可使用热收缩树脂制作照明拈的外壁，并将光源做成柱状～待固定的光源插入活动靠背两侧的预留孑L中】背侧面上孔的周围有凸出部分。用-段长度较短的热收缩柱形件将凸出部分和-部分插入管包覆起来。在相对较低的温度下加热热收缩柱形件。在所提供的热的作用下，柱形件发生热收缩，即其尺寸减校柱形件被压缩，在壁内将照明拈与凸出部分连结起来。这样，便将照明拈固定在了床上活动靠背上。

此安装方式简单轻便，占用很小的空间，且比传统的插入式安装要牢固很多。

另外，传统的照明拈或者床头台灯的光线分布不均匀，易被遮挡且不适合阅读。要解决这个问题，运用 Solution KB软件对专利进行检索，如图6所示，图6 光片均匀分布光线运用光片使光线均匀且充分地分布到整个空间(上接第 107页)当提高，提高了钢液的流动性，使其良好充型，保证了铸件质量。

(3)通过固溶化稳定化的热处理工艺，保证了铸件的机械性能，结合冶炼时钢液 Cr/Ni当量控制，使夹杂物等级也均低于标准要求，铁素体含量约为8%左右，产品性能-次合格。