高压阀门铸件的工艺设计与应用∗

郑繁华

（兰州黄河石化机械设备有限责任公司，甘肃兰州 730050）

高压阀门铸件的工艺设计与应用∗

郑繁华

（兰州黄河石化机械设备有限责任公司，甘肃兰州 730050）

重点介绍了加氢裂化装置止回阀铸件的生产工艺设计和具体生产过程，通过对铸件生产过程的铸造工艺、冶炼工艺及热处理工艺的再设计，在较低成本下生产出满足客户要求的高质量产品。

高压阀门；铸钢件工艺设计；应用

1 引 言

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一目标。随着UOP公司首先将加氢技术用于工艺生产，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一个重要工艺措施，它既能提高原油的轻油回收率，又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［1］。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，缺少一套与介质条件相适应的技术文件、模具和图纸等，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 2500lb，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4 300 kg，外形尺寸1 600 mm×900 mm×1 400 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；延伸率（L0＝4d0）：≥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；每批铸件均应抽检一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尽可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，市场可采购的返回料中P含量一般在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%，确保客户成品S≤0.015%的要求。

AOD（Argon－Oxygen Decarburization）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、Ni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δ铁素体时，可以改善奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向，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℃，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℃空冷，因Nb与C的结合能力更强［5］，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（Cr23C6）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检验一次通过，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。浇注温度的适当提高，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，产品性能一次合格。

［1］ 朱 飞.PAT装置加氢反应器出料控制阀国产化改造的探讨［J］.中国仪器仪表，2008（10）：48－51.

［2］ 〔美〕唐纳德皮克纳，I.M.伯恩斯坦.不锈钢手册［M］.北京：机械工业出版社，1987.

［3］ 黄嘉琥，吴 剑.耐腐蚀铸锻材料应用手册［M］.北京：机械工业出版社，1991.

［4］ 吴伟阳，乐精华.高压加氢装置阀门的工况要求及技术分析［J］.阀门，2006（6）：33～37.

［5］ 吴承建，陈国良.金属材料学［M］.第2版.北京：冶金工业出版社，2009.

Technology Design and Application on High Pressure Valve Steel Casting

ZHENG Fan－hua
（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

郑繁华（1962－），男，浙江文成人，工程师，主要从事铸锻件方面的工作。