魏濤* 董姝妙

（1.中國石油工程建設(shè)有限公司；2.中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司）

0 引言

閥門被廣泛應(yīng)用于石油天然氣行業(yè)的流體控制系統(tǒng)中，用來控制流體通斷，調(diào)節(jié)流量，改變系統(tǒng)壓力［1］。由于工況復(fù)雜，而且流體介質(zhì)通常具有腐蝕性等特點(diǎn)，石油和天然氣輸送系統(tǒng)對閥門產(chǎn)品的質(zhì)量要求比其他場合要高。因此，閥門主體材料的質(zhì)量非常重要。

閥門主體材料以鋼材為主，可用于輸送高溫、高壓、低溫和強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的工況。為使閥門能夠滿足不同工況條件下流體輸送的要求，其選材需要具有安全可靠性，且能夠保證閥門有足夠的使用壽命。特定工況條件下，在閥門的設(shè)計(jì)過程中，閥門主體材料的選擇尤為重要。閥門設(shè)計(jì)者和使用人員需要了解和掌握常用閥門主體材料的性能。

1 石油天然氣工業(yè)用閥門主體材料分類

鋼材是石油天然氣工業(yè)中最常使用的材料。其中，碳鋼是用于非腐蝕流體的理想材料，高溫鋼和低溫鋼可用于不同溫度工況，不銹鋼可用于強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的輸送系統(tǒng)。石油天然氣工業(yè)用閥門常用的主體材料可以按照服務(wù)工況和成型方法進(jìn)行分類。

1.1 按照服務(wù)工況分類

石油天然氣工業(yè)中，流體介質(zhì)主要為原油、天然氣、油氣水多相流和化學(xué)藥劑等，常見高溫高壓以及低溫、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)等各種復(fù)雜工況。流體控制系統(tǒng)中選用的閥門主體材料需要滿足上述不同工況要求，才能實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

按照服務(wù)工況，鋼制閥門主體材料可以分為四類，即普通碳鋼（ASTM A216系列和 ASTM A105系列）、高溫鋼（ASTM A217系列和ASTM A182系列）、低溫鋼（ASTM A352系列）和不銹鋼（ASTM A351系列和ASTM A182系列）。

1.2 按照材料制造工藝分類

按照鋼材制造工藝，石油天然氣工業(yè)用鋼制閥門的主體材料可以分為鑄件、鍛件和棒料，部分閥門主體材料還可以由管線三通和法蘭制造。其中，鑄件應(yīng)用最為普遍，費(fèi)用也最低。但是在鑄造過程中，金屬在模腔中的凝固過程可能產(chǎn)生收縮、分離或氣孔，使得鑄件不能應(yīng)用于苛刻環(huán)境。與鑄件相比，鍛件組織結(jié)構(gòu)更加均勻，具有更好的密度和強(qiáng)度完整性、更好的尺寸特性和更小的尺寸誤差，在強(qiáng)度和抗應(yīng)力方面也表現(xiàn)出比鑄件更好的性能。對于一些特殊工況，比如額定壓力較高、閥門尺寸較大時(shí)，需要使用鍛件［2］。

根據(jù)美國 ASTM（American Society for Testing Material，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會）出版的國際常用材料標(biāo)準(zhǔn)和美國閥門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)——《法蘭、螺紋和焊接連接閥門（Valves-Flanged, Threaded, and Welding End）》（ASME B16.34），結(jié)合上述兩種分類方式，對閥門主體材料進(jìn)行歸納總結(jié)，其分類如圖1所示。

圖1 閥門主體材料分類示意

2 閥門主體材料的化學(xué)成份作用

對于某種特定的閥門主體材料，通常需要了解的內(nèi)容主要有三項(xiàng)：材料的名稱、材料的化學(xué)組成和材料的適用場合。其中，最重要的是材料的化學(xué)組成。不同的化學(xué)成分使材料表現(xiàn)出不同性能，并被應(yīng)用于不同工況。閥門主體材料的化學(xué)成分主要包括碳、錳、鉻、鉬和鎳等元素，各元素的主要作用如表1所示。

表1 各元素主要作用

3 石油天然氣工業(yè)用閥門主體材料分述

國際常用的ASTM材料標(biāo)準(zhǔn)對閥門材料的規(guī)定非常全面。該標(biāo)準(zhǔn)不但規(guī)定了鑄件和鍛件的尺寸和外觀質(zhì)量，而且對材料的化學(xué)成分、熱處理要求、機(jī)械性能、物理性能、焊后熱處理和探傷等都有嚴(yán)格的規(guī)定［6］。閥門行業(yè)常將ASTM標(biāo)準(zhǔn)與材料牌號共同使用來指代某種具體材料，如：ASTM A216 WCB、ASTM A352 LCC等。本文按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合鑄件和鍛件的分類，對服務(wù)于不同工況的四類閥門主體材料歸納如下。

3.1 普通碳鋼

當(dāng)流體控制系統(tǒng)中流動介質(zhì)為非腐蝕性流體時(shí)，碳鋼是閥門主體材料的理想選擇。其材料性能可以滿足工況要求，且成本較低。

國際通用的閥門主體材料碳鋼鑄件標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A216/A216M，該標(biāo)準(zhǔn)中碳鋼鑄件的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2所示。

表2 碳鋼鑄件的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能

該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的材料包括三個(gè)等級，即WCA、WCB、WCC，牌號首位的“W”代表可焊接，中間的“C”代表鑄件，末尾的“A、B、C”代表不同強(qiáng)度等級。由表2的化學(xué)成分組成可以得知，三個(gè)牌號的鑄件錳含量遞增，所以 WCC強(qiáng)度最高，WCB次之，WCA最低。其中，WCB最為常用。在ASME B16.34中，WCB被劃分為第1.1組材料，根據(jù)該組材料的額定值可以得知，WCB的使用溫度范圍為-29～425 ℃。雖然ASTM A216/A216M標(biāo)準(zhǔn)名為《高溫用可熔焊碳鋼鑄件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，但其最高使用溫度不能超過425 ℃，并不能用于溫度很高的工況。

閥門主體用碳鋼鍛件對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為 ASTM A105/A105M，該標(biāo)準(zhǔn)中沒有關(guān)于等級的進(jìn)一步分類，即該標(biāo)準(zhǔn)只包含一種材料，其化學(xué)成分與ASTM A216中三種材料基本一致。在ASME B16.34中，將ASTM A105歸類為第1.1組材料，其使用溫度范圍同樣為-29～425 ℃。

3.2 高溫鋼

隨著溫度升高，金屬材料會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，即由于材料的強(qiáng)度降低而在應(yīng)力作用下產(chǎn)生形變。而且在高溫工況下，金屬容易被氧化和腐蝕，普通碳鋼已不能使用。當(dāng)流體控制系統(tǒng)中介質(zhì)溫度超過425 ℃時(shí)，閥門主體材料需要選擇高溫鋼材。

高溫鋼材鑄件對應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)是 ASTM A217/217M，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料主要化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3所示。

表3 高溫鋼材鑄件的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能

該標(biāo)準(zhǔn)包含了馬氏體不銹鋼及合金鋼鑄件，包含的材料牌號較多，表3中列出了常用的三種，即WC6、WC9和 C12A。由表 3的化學(xué)成分組成可以得知，與普通碳鋼相比，高溫鋼增加了鉻元素和鉬元素含量。高鉻含量是耐熱鋼的主要特點(diǎn)，其因此具有良好的高溫性能。隨著鉻元素含量的增加，耐熱鋼服務(wù)于高溫工況的性能也隨之增強(qiáng)。在 ASME B16.34中，分別將WC6和C12A劃分到第1.9組和第1.15組，根據(jù)這兩類材料的溫度壓力等級表可以得知，WC6的最高使用溫度可以達(dá)到595 ℃，C12A的最高使用溫度可以達(dá)到650 ℃。

閥門主體用高溫鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)為 ASTM A182/A182M，即《高溫下使用的鍛制或軋制的合金、不銹鋼鋼管法蘭、鍛制管件、閥門及零件的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》（本標(biāo)準(zhǔn)也是不銹鋼鍛件適用的標(biāo)準(zhǔn)），其中常用牌號為F11、F12、F21和F22。在ASME B16.34中，分別將 F21和 F22劃分到第 1.11組和第 1.10組，根據(jù)這兩類材料的溫度壓力等級表可以得知，F(xiàn)21和F22的最高使用溫度可以達(dá)到650 ℃。

3.3 低溫鋼

閥門主體材料采用普通碳鋼時(shí)，可服務(wù)工況的最低溫度為-29 ℃。如果溫度繼續(xù)降低，普通鋼材會由于溫度降至低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度以下而出現(xiàn)脆性斷裂，致使閥門泄漏。-29 ℃以下低溫工況的閥門主體材料需要選用低溫鋼材。

低溫鋼材鑄件的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是 ASTM A352/A352M，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料主要化學(xué)成分和力學(xué)性能如表4所示。

表4 低溫鋼材鑄件的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能

由表4可以得知，與普通碳鋼化學(xué)組成相比，低溫鋼材中加入了鎳元素。鎳元素的作用是降低鋼材低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度，使其可以服務(wù)于更低溫度的工況。最常用的三種低溫鋼材牌號為 LCA、LCB、LCC，牌號首位的“L”代表低溫用鋼，中間的“C”代表鑄件，末尾的“A、B、C”表示適用低溫等級。三種材料的沖擊試驗(yàn)溫度分別為-32 ℃、-46 ℃、-46 ℃，其中LCC低溫性能最好，可在-46 ℃使用，其強(qiáng)度也最高。

在ASTM材料標(biāo)準(zhǔn)中，沒有低溫鋼材鍛件的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，ASTM A352標(biāo)準(zhǔn)中的材料成分控制及熱處理工藝都比較復(fù)雜，低溫沖擊韌性常不達(dá)標(biāo)，因此，在-46 ℃以下更低溫度工況，不建議使用低鎳合金低溫鋼［7］，而通常選用奧氏體不銹鋼作為閥門主體材料［8］，如 ASTM A351標(biāo)準(zhǔn)中的 CF3和 CF8材料，可在-196 ℃使用。

3.4 不銹鋼

原油和天然氣中，常含有酸性氣體，如 H2S、CO2等。酸性氣體溶于水后產(chǎn)生的酸性介質(zhì)會對管道和閥門帶來電化學(xué)腐蝕，對閥門造成腐蝕破壞［9］。在含酸性介質(zhì)的流體輸送系統(tǒng)中，閥門主體材料需要選用耐酸不銹鋼。

不銹鋼材鑄件的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是 ASTM A351/A351M，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料主要化學(xué)成分和力學(xué)性能如表5所示。

由表5可以得知，與普通碳鋼化學(xué)成分相比，不銹鋼中鉻、鉬、鎳的含量均明顯提高，因此，不銹鋼具有良好的抗腐蝕性。在ASTM A351中，常用的不銹鋼材料分為CF3、CF8和CF3M、CF8M四種，牌號首位的“C”代表用于腐蝕介質(zhì)工況，中間的“F”表示鉻和鎳的含量為 Cr19Ni9，末尾的“M”表示含有鉬元素［10］。由表5的化學(xué)成分可以得知，CF3和CF3M的抗腐蝕性好于CF8和CF8M。由于CF8中的碳含量高于 CF3，其抗腐蝕性不如 CF3，但其強(qiáng)度高于CF3。

與高溫鋼材鍛件相同，在ASTM材料標(biāo)準(zhǔn)中，不銹鋼材鍛件的標(biāo)準(zhǔn)同樣是ASTM A182。在ASTM A182中，根據(jù)金相結(jié)構(gòu)不同，不銹鋼材料分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼（奧氏體-鐵素體不銹鋼）。其中，常用的是奧氏體不銹鋼，牌號為F304、F304L和F316、F316L，牌號末尾的“L”代表低碳，因此，F(xiàn)304L和F316L比F304和F316的抗腐蝕性更強(qiáng)。

在ASME B16.34中，CF3和CF8被歸為第2.1組材料，根據(jù)該組材料的溫度壓力等級表可以得知，CF3、CF8的最高使用溫度可達(dá)425 ℃。但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在酸性介質(zhì)中，不銹鋼的耐腐蝕溫度上限為200 ℃，因此，為充分發(fā)揮不銹鋼的抗腐蝕效果，其使用溫度不宜超過200 ℃。

表5 鑄件的主要化學(xué)成分和力學(xué)性能

4 閥門主體材料選擇方式和原則

某海外天然氣處理廠項(xiàng)目主要是采用丙烷制冷工藝對天然氣進(jìn)行脫水脫烴，產(chǎn)品氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入輸氣管道外輸，工藝系統(tǒng)中的流體包括天然氣、丙烷、乙二醇、凝析油、含油污水和消防用水等。其中，天然氣組分：甲烷含量 96.7%、乙烷含量 1%、二氧化碳含量 0.5%，不含硫化氫。本文以該天然氣處理廠項(xiàng)目中各主要裝置的閥門為例，探討閥門主體材料的選擇在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

4.1 普通碳鋼閥門選用

在脫水脫烴裝置中，原料天然氣經(jīng)過處理后外輸。處理后的天然氣溫度為 17.3～36.4 ℃，壓力約為10.8 MPa，且天然氣中不含酸性氣體，不具有腐蝕性，低溫分離器出口管道壓力等級為15 MPa，該管路中所用的閥門材質(zhì)選用普通碳鋼，即可滿足工況要求，本項(xiàng)目選用的閥門主體材料是A216 WCB。根據(jù)ASME B16.34所示，在17.3～36.4 ℃，材質(zhì)為WCB的閥門最高工作壓力為15.3 MPa，管路中天然氣的壓力約為10.8 MPa，選用WCB滿足最高工作壓力要求。A216 WCB也是本項(xiàng)目使用最多的閥門主體材料，能夠滿足多數(shù)工況條件下天然氣和凝析油的輸送要求。

4.2 高溫閥門選用

在燃料氣橇裝置中，來氣主要為脫水脫烴橇的產(chǎn)品氣。產(chǎn)品氣經(jīng)過電加熱器加熱后，進(jìn)入閃蒸罐進(jìn)行氣液分離，得到合格的燃料氣。該產(chǎn)品氣進(jìn)入電加熱器后，其溫度被加熱至約 110 ℃，壓力升高至約14.4 MPa，而管道壓力等級為15 MPa，若選用普通碳鋼材料A216 WCB，根據(jù)ASME B16.34所示，15 MPa閥門在110 ℃條件下所能承受的最高壓力約為13.8 MPa，不能滿足安全輸送要求，因此，本項(xiàng)目燃料氣橇裝置中閥門選用的材料是 A217 WC6。根據(jù)ASME B16.34所示，在110 ℃，A217 WC6可承受的最高壓力約為15.4 MPa，可以滿足輸送要求。

4.3 低溫閥門選用

在脫水脫烴裝置中，二級預(yù)冷器出口管道壓力等級為15 MPa，輸送的天然氣溫度約為-24 ℃，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流后，溫度降至-30 ℃。因?yàn)檩斔徒橘|(zhì)的溫度低于碳鋼閥門所承受的最低溫度，因此節(jié)流閥的閥體材料選用能在-46 ℃使用的A352 LCB。根據(jù)ASME B16.34所示，材質(zhì)為A352 LCB的15 MPa閥門在-30 ℃環(huán)境中能承受的最大壓力為14.41 MPa，經(jīng)過節(jié)流后的天然氣壓力降至9 MPa，選用A352 LCB安全可靠。此外，丙烷制冷裝置中低溫閥門的主體材料也選用了A352 LCB。

4.4 不銹鋼閥門選用

在消防水罐裝置區(qū)，消防水來自淡化后的海水，其中氯離子含量為2 340 mg/L，具有較強(qiáng)的腐蝕性，因此，不能選用普通碳鋼作為閥門主體材料。該裝置區(qū)閥門選用的材料是A182 F51雙相不銹鋼，避免產(chǎn)生腐蝕，保證管道系統(tǒng)安全。

該項(xiàng)目中，原水罐裝置區(qū)和原水井裝置區(qū)的閥門主體材料也選用了不銹鋼材料。同時(shí)，部分高溫工況條件下的閥門主體材料也選用了不銹鋼材料，如：燃料氣橇裝置中的壓力調(diào)節(jié)閥，選用的是A351 CF8M，因?yàn)橄啾扔谄胀ㄌ间?，不銹鋼材料具有良好的耐高溫性能。

5 結(jié)束語

石油天然氣工業(yè)用閥門的設(shè)計(jì)和制造，應(yīng)當(dāng)結(jié)合閥門工作介質(zhì)的壓力、溫度和流體物性等，根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，合理選用閥門主體材料，確保閥門材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并滿足使用工況的要求。

ASTM標(biāo)準(zhǔn)對每種材料的技術(shù)要求非常全面，本文所述的每種材料的性能指標(biāo)是在特定的熱處理?xiàng)l件下才具有的，不能包含所有情況。在根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)選用閥門主體材料時(shí)，需要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)原文規(guī)定，并參考ASME等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確選材。