石油天然气工业用阀门主体材料综述

2019-01-23魏涛董姝妙

油气与新能源 2019年1期

魏涛* 董姝妙

（1.中国石油工程建设有限公司；2.中国石油工程建设有限公司北京设计分公司）

0 引言

阀门被广泛应用于石油天然气行业的流体控制系统中，用来控制流体通断，调节流量，改变系统压力［1］。由于工况复杂，而且流体介质通常具有腐蚀性等特点，石油和天然气输送系统对阀门产品的质量要求比其他场合要高。因此，阀门主体材料的质量非常重要。

阀门主体材料以钢材为主，可用于输送高温、高压、低温和强腐蚀性介质的工况。为使阀门能够满足不同工况条件下流体输送的要求，其选材需要具有安全可靠性，且能够保证阀门有足够的使用寿命。特定工况条件下，在阀门的设计过程中，阀门主体材料的选择尤为重要。阀门设计者和使用人员需要了解和掌握常用阀门主体材料的性能。

1 石油天然气工业用阀门主体材料分类

钢材是石油天然气工业中最常使用的材料。其中，碳钢是用于非腐蚀流体的理想材料，高温钢和低温钢可用于不同温度工况，不锈钢可用于强腐蚀性介质的输送系统。石油天然气工业用阀门常用的主体材料可以按照服务工况和成型方法进行分类。

1.1 按照服务工况分类

石油天然气工业中，流体介质主要为原油、天然气、油气水多相流和化学药剂等，常见高温高压以及低温、强腐蚀性介质等各种复杂工况。流体控制系统中选用的阀门主体材料需要满足上述不同工况要求，才能实现安全生产。

按照服务工况，钢制阀门主体材料可以分为四类，即普通碳钢（ASTM A216系列和 ASTM A105系列）、高温钢（ASTM A217系列和ASTM A182系列）、低温钢（ASTM A352系列）和不锈钢（ASTM A351系列和ASTM A182系列）。

1.2 按照材料制造工艺分类

按照钢材制造工艺，石油天然气工业用钢制阀门的主体材料可以分为铸件、锻件和棒料，部分阀门主体材料还可以由管线三通和法兰制造。其中，铸件应用最为普遍，费用也最低。但是在铸造过程中，金属在模腔中的凝固过程可能产生收缩、分离或气孔，使得铸件不能应用于苛刻环境。与铸件相比，锻件组织结构更加均匀，具有更好的密度和强度完整性、更好的尺寸特性和更小的尺寸误差，在强度和抗应力方面也表现出比铸件更好的性能。对于一些特殊工况，比如额定压力较高、阀门尺寸较大时，需要使用锻件［2］。

根据美国 ASTM（American Society for Testing Material，美国材料与试验协会）出版的国际常用材料标准和美国阀门设计标准——《法兰、螺纹和焊接连接阀门（Valves-Flanged, Threaded, and Welding End）》（ASME B16.34），结合上述两种分类方式，对阀门主体材料进行归纳总结，其分类如图1所示。

图1 阀门主体材料分类示意

2 阀门主体材料的化学成份作用

对于某种特定的阀门主体材料，通常需要了解的内容主要有三项：材料的名称、材料的化学组成和材料的适用场合。其中，最重要的是材料的化学组成。不同的化学成分使材料表现出不同性能，并被应用于不同工况。阀门主体材料的化学成分主要包括碳、锰、铬、钼和镍等元素，各元素的主要作用如表1所示。

表1 各元素主要作用

3 石油天然气工业用阀门主体材料分述

国际常用的ASTM材料标准对阀门材料的规定非常全面。该标准不但规定了铸件和锻件的尺寸和外观质量，而且对材料的化学成分、热处理要求、机械性能、物理性能、焊后热处理和探伤等都有严格的规定［6］。阀门行业常将ASTM标准与材料牌号共同使用来指代某种具体材料，如：ASTM A216 WCB、ASTM A352 LCC等。本文按照ASTM标准，结合铸件和锻件的分类，对服务于不同工况的四类阀门主体材料归纳如下。

3.1 普通碳钢

当流体控制系统中流动介质为非腐蚀性流体时，碳钢是阀门主体材料的理想选择。其材料性能可以满足工况要求，且成本较低。

国际通用的阀门主体材料碳钢铸件标准为ASTM A216/A216M，该标准中碳钢铸件的主要化学成分和力学性能如表2所示。

表2 碳钢铸件的主要化学成分和力学性能

该标准中规定的材料包括三个等级，即WCA、WCB、WCC，牌号首位的“W”代表可焊接，中间的“C”代表铸件，末尾的“A、B、C”代表不同强度等级。由表2的化学成分组成可以得知，三个牌号的铸件锰含量递增，所以 WCC强度最高，WCB次之，WCA最低。其中，WCB最为常用。在ASME B16.34中，WCB被划分为第1.1组材料，根据该组材料的额定值可以得知，WCB的使用温度范围为-29～425 ℃。虽然ASTM A216/A216M标准名为《高温用可熔焊碳钢铸件标准规范》，但其最高使用温度不能超过425 ℃，并不能用于温度很高的工况。

阀门主体用碳钢锻件对应的标准为 ASTM A105/A105M，该标准中没有关于等级的进一步分类，即该标准只包含一种材料，其化学成分与ASTM A216中三种材料基本一致。在ASME B16.34中，将ASTM A105归类为第1.1组材料，其使用温度范围同样为-29～425 ℃。

3.2 高温钢

随着温度升高，金属材料会产生蠕变现象，即由于材料的强度降低而在应力作用下产生形变。而且在高温工况下，金属容易被氧化和腐蚀，普通碳钢已不能使用。当流体控制系统中介质温度超过425 ℃时，阀门主体材料需要选择高温钢材。

高温钢材铸件对应的材料标准是 ASTM A217/217M，该标准规定的材料主要化学成分和力学性能如表3所示。

表3 高温钢材铸件的主要化学成分和力学性能

该标准包含了马氏体不锈钢及合金钢铸件，包含的材料牌号较多，表3中列出了常用的三种，即WC6、WC9和 C12A。由表 3的化学成分组成可以得知，与普通碳钢相比，高温钢增加了铬元素和钼元素含量。高铬含量是耐热钢的主要特点，其因此具有良好的高温性能。随着铬元素含量的增加，耐热钢服务于高温工况的性能也随之增强。在 ASME B16.34中，分别将WC6和C12A划分到第1.9组和第1.15组，根据这两类材料的温度压力等级表可以得知，WC6的最高使用温度可以达到595 ℃，C12A的最高使用温度可以达到650 ℃。

阀门主体用高温钢锻件标准为 ASTM A182/A182M，即《高温下使用的锻制或轧制的合金、不锈钢钢管法兰、锻制管件、阀门及零件的标准规范》（本标准也是不锈钢锻件适用的标准），其中常用牌号为F11、F12、F21和F22。在ASME B16.34中，分别将 F21和 F22划分到第 1.11组和第 1.10组，根据这两类材料的温度压力等级表可以得知，F21和F22的最高使用温度可以达到650 ℃。

3.3 低温钢

阀门主体材料采用普通碳钢时，可服务工况的最低温度为-29 ℃。如果温度继续降低，普通钢材会由于温度降至低温脆性转变温度以下而出现脆性断裂，致使阀门泄漏。-29 ℃以下低温工况的阀门主体材料需要选用低温钢材。

低温钢材铸件的标准规范是 ASTM A352/A352M，该标准规定的材料主要化学成分和力学性能如表4所示。

表4 低温钢材铸件的主要化学成分和力学性能

由表4可以得知，与普通碳钢化学组成相比，低温钢材中加入了镍元素。镍元素的作用是降低钢材低温脆性转变温度，使其可以服务于更低温度的工况。最常用的三种低温钢材牌号为 LCA、LCB、LCC，牌号首位的“L”代表低温用钢，中间的“C”代表铸件，末尾的“A、B、C”表示适用低温等级。三种材料的冲击试验温度分别为-32 ℃、-46 ℃、-46 ℃，其中LCC低温性能最好，可在-46 ℃使用，其强度也最高。

在ASTM材料标准中，没有低温钢材锻件的标准。同时，ASTM A352标准中的材料成分控制及热处理工艺都比较复杂，低温冲击韧性常不达标，因此，在-46 ℃以下更低温度工况，不建议使用低镍合金低温钢［7］，而通常选用奥氏体不锈钢作为阀门主体材料［8］，如 ASTM A351标准中的 CF3和 CF8材料，可在-196 ℃使用。

3.4 不锈钢

原油和天然气中，常含有酸性气体，如 H2S、CO2等。酸性气体溶于水后产生的酸性介质会对管道和阀门带来电化学腐蚀，对阀门造成腐蚀破坏［9］。在含酸性介质的流体输送系统中，阀门主体材料需要选用耐酸不锈钢。

不锈钢材铸件的标准规范是 ASTM A351/A351M，该标准规定的材料主要化学成分和力学性能如表5所示。

由表5可以得知，与普通碳钢化学成分相比，不锈钢中铬、钼、镍的含量均明显提高，因此，不锈钢具有良好的抗腐蚀性。在ASTM A351中，常用的不锈钢材料分为CF3、CF8和CF3M、CF8M四种，牌号首位的“C”代表用于腐蚀介质工况，中间的“F”表示铬和镍的含量为 Cr19Ni9，末尾的“M”表示含有钼元素［10］。由表5的化学成分可以得知，CF3和CF3M的抗腐蚀性好于CF8和CF8M。由于CF8中的碳含量高于 CF3，其抗腐蚀性不如 CF3，但其强度高于CF3。

与高温钢材锻件相同，在ASTM材料标准中，不锈钢材锻件的标准同样是ASTM A182。在ASTM A182中，根据金相结构不同，不锈钢材料分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢（奥氏体-铁素体不锈钢）。其中，常用的是奥氏体不锈钢，牌号为F304、F304L和F316、F316L，牌号末尾的“L”代表低碳，因此，F304L和F316L比F304和F316的抗腐蚀性更强。

在ASME B16.34中，CF3和CF8被归为第2.1组材料，根据该组材料的温度压力等级表可以得知，CF3、CF8的最高使用温度可达425 ℃。但是在实际应用时，在酸性介质中，不锈钢的耐腐蚀温度上限为200 ℃，因此，为充分发挥不锈钢的抗腐蚀效果，其使用温度不宜超过200 ℃。

表5 铸件的主要化学成分和力学性能

4 阀门主体材料选择方式和原则

某海外天然气处理厂项目主要是采用丙烷制冷工艺对天然气进行脱水脱烃，产品气经压缩机增压后进入输气管道外输，工艺系统中的流体包括天然气、丙烷、乙二醇、凝析油、含油污水和消防用水等。其中，天然气组分：甲烷含量 96.7%、乙烷含量 1%、二氧化碳含量 0.5%，不含硫化氢。本文以该天然气处理厂项目中各主要装置的阀门为例，探讨阀门主体材料的选择在实际工程中的应用。

4.1 普通碳钢阀门选用

在脱水脱烃装置中，原料天然气经过处理后外输。处理后的天然气温度为 17.3～36.4 ℃，压力约为10.8 MPa，且天然气中不含酸性气体，不具有腐蚀性，低温分离器出口管道压力等级为15 MPa，该管路中所用的阀门材质选用普通碳钢，即可满足工况要求，本项目选用的阀门主体材料是A216 WCB。根据ASME B16.34所示，在17.3～36.4 ℃，材质为WCB的阀门最高工作压力为15.3 MPa，管路中天然气的压力约为10.8 MPa，选用WCB满足最高工作压力要求。A216 WCB也是本项目使用最多的阀门主体材料，能够满足多数工况条件下天然气和凝析油的输送要求。

4.2 高温阀门选用

在燃料气橇装置中，来气主要为脱水脱烃橇的产品气。产品气经过电加热器加热后，进入闪蒸罐进行气液分离，得到合格的燃料气。该产品气进入电加热器后，其温度被加热至约 110 ℃，压力升高至约14.4 MPa，而管道压力等级为15 MPa，若选用普通碳钢材料A216 WCB，根据ASME B16.34所示，15 MPa阀门在110 ℃条件下所能承受的最高压力约为13.8 MPa，不能满足安全输送要求，因此，本项目燃料气橇装置中阀门选用的材料是 A217 WC6。根据ASME B16.34所示，在110 ℃，A217 WC6可承受的最高压力约为15.4 MPa，可以满足输送要求。

4.3 低温阀门选用

在脱水脱烃装置中，二级预冷器出口管道压力等级为15 MPa，输送的天然气温度约为-24 ℃，经过节流阀节流后，温度降至-30 ℃。因为输送介质的温度低于碳钢阀门所承受的最低温度，因此节流阀的阀体材料选用能在-46 ℃使用的A352 LCB。根据ASME B16.34所示，材质为A352 LCB的15 MPa阀门在-30 ℃环境中能承受的最大压力为14.41 MPa，经过节流后的天然气压力降至9 MPa，选用A352 LCB安全可靠。此外，丙烷制冷装置中低温阀门的主体材料也选用了A352 LCB。