特殊合金阀门材质的选择及应用

薛慧涛，李耀旭，薛 峰，卜明光，方玉晨，马云飞，徐东霞，周 勇

（1.神华工程技术有限公司，北京 100011； 2.国家管网集团工程技术创新有限公司，天津 300450；3.中国石油工程建设公司华北分公司，河北 任丘 062550）

0 前 言

阀门作为石油、化工、长输管线、市政工程等流体传输系统的控制部件，具有导流、截止、调节、防止逆流等功能。阀门材料选用是否安全合理，对阀门自身、管道系统的使用安全以及整个工厂的安全运行至关重要。

铸铁、碳素钢、合金钢、奥氏体不锈钢等通用材料阀门普遍应用在公用工程及具有一定腐蚀性的工况下，使用经验较为成熟；而双相不锈钢、蒙乃尔合金、英康奈尔合金材料的特殊用途阀门常应用在特殊腐蚀工况，且造价昂贵，因此需要慎重选择使用。了解其金属材料的特性、掌握正确的工程选材原则对生产装置建设的经济性和运行的可靠性都具有十分重要的意义。本研究分析了特种合金的特性以及使用注意事项，以期为工程设计人员选择阀门材料提供一定的参考和借鉴。

1 双相不锈钢

双相不锈钢是指不锈钢中兼具奥氏体和铁素体组织的一个钢种，其固溶体组织中两个组织各占50%左右，通常铁素体的含量在35%以上，且任一相的数量一般不超过65%。双相不锈钢性能上不仅保留了奥氏体不锈钢优良的韧性和焊接性能，同时具有铁素体不锈钢的高强度等优点。

1.1 分类及牌号

双相不锈钢的主要成分为Fe、Cr、Ni、Mo等元素，双相不锈钢铸造牌号执行 ASTM A890 /A890M 标准。在 ASTM A890/A890M－18a 标准中，根据化学成分的差别，铸造双相不锈钢有1B、1C、2A、3A、4A、5A、6A 和 7A 等 8 个等级[1]。我国双相不锈钢铸件标准GB/T 2100—2017 中也有与ASTM A890/890M标准相对应的材料牌号。

美国锻造双相不锈钢主要执行标准为 ASTM A182 /A182M－20， 其 中 有F50、 F51、 F52、F53、F54、F55、F57、F59、F60、F61、F65、F66、F67、F68、F69 和F71 等16 个牌号。我国不锈钢锻件标准NB/T 47010—2017《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》中规定了六种锻造双相不锈钢牌号[3]。由于使用习惯且美标牌号更丰富，目前国内阀门产品仍主要采用美国双相不锈钢牌号标准，其中常用牌号主要为ASTM A182 标准的F51/F53/F55/F61，ASTM A890 标准的1B/4A/5A/6A。双相不锈钢的耐点蚀能力和点蚀敏感系数（PREN=Cr%+3.3%Mo+16%N）相关，而PREN值跟材料的成分相关，材料牌号不同，成分不同，耐点蚀能力也有差异。

1.2 性能及应用

不锈钢的成分和组织对应力腐蚀开裂敏感性（SCC）起着关键性作用。奥氏体不锈钢在氯化物溶液中容易发生SCC，而铁素体具有更好的抗SCC 性能。铁素体晶粒越小，抗SCC 性能越好，所以双相不锈钢具有较高的抗氯化物SCC 性能，其应力腐蚀开裂的门槛值约为奥氏体不锈钢的3倍。在Cr-Ni 系不锈钢中，固溶组织中铁素体相和奥氏体相的比例常使用“铬当量”和“镍当量”来计算和评价[4]。

双相不锈钢解决了304 L、316 L等奥氏体不锈钢在Cl-应力腐蚀下产生SCC 的危险，尤其是在孔蚀引起的应力腐蚀破裂场合。所以在Cl-应力腐蚀的诸多场合，双相不锈钢得到广泛应用，例如炼油工业的催化裂化和加氢裂化装置、石化行业的聚氯乙烯装置和氯乙烯生产装置、煤化工的污水处理装置等。

1.3 使用注意事项

双相不锈钢组织中σ相硬且脆，其析出量直接影响双相钢的耐腐蚀性能。为了避免造成韧性和耐腐蚀性能下降，双相不锈钢固溶处理后需要快冷以缩短σ 相析出过程。双相钢在316～540 ℃范围内长时间停留就会析出σ 相，国家和石化行业标准均对双相钢材料的使用温度做出了相关规定，双相不锈钢的连续使用温度上限要低于奥氏体不锈钢。SH/T 3059—2012《石油化工管道设计器材选用规范》第6.2节规定：双相不锈钢的使用温度不宜高于300 ℃。GB/T 20801.2—2020《压力管道规范 工业管道》附录C3.2和附录C6.9分别提出设计选材时应注意双相钢475 ℃脆性和σ 相脆化的问题，所以在进行阀门选材时，不应将双相钢应用在高温场合。

另外，双相不锈钢阀门一般采用950 ℃固溶退火处理消除应力，因为在950 ℃以下，马氏体组织会逐渐析出脆性相，这与奥氏体不锈钢通常在600～800 ℃条件下进行热处理来消除应力有所不同。

2 蒙乃尔合金

蒙乃尔（Monel）合金为50%Ni 和30%Cu 的Ni-Cu系合金。在蒙乃尔合金中，Ni元素作为基体，提供钝化能力；Cu元素作为主要合金元素，提高合金在还原性介质中的耐腐蚀性。此外还加入了Fe、C、Si等元素提升合金的组织性能。

2.1 分类及牌号

铸造蒙乃尔合金在ASTM A494/494M-18a 标准 中 主 要 有M35-1、M35-2、M30H、M25S、M30C 五个牌号。我国在2017年也发布了铸造阀门的镍基合金标准GB/T 35740—2017《工业阀门用镍和镍基合金铸件技术条件》，规定了Ni-Cu合金M35-1 和M30C 两个铸造牌号。实际生产使用中，牌号M35-1 合金因为C、Si 含量相对较低，更适于阀门铸造而被广泛应用。

锻造蒙乃尔合金牌号主要有Monel400、MonelC、 Monel403、 Monel404、 MonelR-405、Monel406、Monel411、MonelK500、Monel501 和Monel502 等。ASTM B564 标准规定了镍铜合金UNS N04400（Monel400）的化学成分和力学性能；ASTM B865-04 标准规定了沉淀硬化镍铜铝UNS N05500的化学成分和力学性能。Monel400和Monel K500是耐蚀阀门锻造蒙乃尔合金较为常用的两个牌号，Monel K500 是在Monel400 的基础上加入Al、Ti 得到的可时效硬化的蒙乃尔合金牌号。

我国标准中NB/T 47028—2012《压力容器用镍及镍合金锻件》中规定了NiCu30 镍铜合金牌号，其参照了ASTM 标准N0400（Monel400）的化学成分和力学性能。GB/T 26030—2010《镍及镍合金锻件》 规定了NiCu30、NiCu30-LC、NiCu30Al3Ti三个镍铜合金牌号，其中NiCu30 对应牌号Monel400。我国暂时还没有相关阀门用镍合金锻件的技术标准。

2.2 性能与应用

作为镍基合金的蒙乃尔合金，具有优异的抗还原酸、抗强碱介质及耐海水腐蚀的性能，被广泛应用于氢氟酸、盐酸、氯碱及还原性酸介质的设备和阀门中。蒙乃尔合金对氢氟酸的耐腐蚀性优良，可以使用在各种浓度的氢氟酸中，在浓度10%氢氟酸沸点下依然可以使用。在氢氟酸系统使用时，蒙乃尔合金阀门有两种，一种是阀体、内件均为蒙乃尔合金，另一种是碳钢阀体、蒙乃尔合金内件，两种阀门依据工况的温度和含水率进行选择。由于Ni 与S、O 易发生化学反应，因此蒙乃尔合金不抗含硫介质和强氧化性介质的腐蚀，GB/T 20801—2020 第7.2.4 节 和SH/T 3059—2012 第6.2.2 节 都 对镍铜合金在含硫环境、以及氧化和还原环境的使用温度做出了明确的限制。

蒙乃尔合金因在氧气中具有优异的阻燃性能和较高的“豁免压力”，而被用作煤气化及其他高压氧气工况下阀门和管道的主体材料，常见的金属“豁免压力”和最小壁厚要求见表1。例如，陕北某煤气化装置9.8 MPa 界区高压氧气的仪表根部阀内件就采用Monel K500合金。

表1 常见的金属“豁免压力”和最小壁厚要求（IGC Doc 13/12/E标准）

2.3 使用注意事项

由于铸造和锻造材料制备工艺的不同，ASTM 标准中蒙乃尔铸造合金和锻造合金在化学成分上做了调整，所以蒙乃尔合金铸件牌号和锻件牌号之间没有一一对应关系。

我国GB/T 35740—2017《工业阀门用镍和镍基合金铸件技术条件》与ASTM A494/494M 相比，是专门针对镍合金铸造阀门的规范，针对性更强。GB/T 35740—2017规定：铸件不接受重大补焊；阀门必须为法兰阀门，不应采用焊接形式连接；阀门密封面只接受本体密封面，不接受堆焊合金形式；另外在化学成分、冶炼铸造、铸件质量要求等方面，做出了更加严格而具体的规定[12]。工程人员在工程设计和阀门采购中应注意相关标准的区别。

3 英康乃尔合金

英康奈尔合金（Inconel）是在一种比不锈钢含Ni量高、含Fe量低的镍基合金，其耐热碱液、碱硫化物的腐蚀性比不锈钢好，并且耐高温和高温腐蚀。

3.1 分类及牌号

与美国ASTM标准相比，我国标准在镍铬铁合金方面还相对欠缺，国内阀门材料多执行美国ASTM 标准，表2 为英康奈尔合金铸件和锻件对照表。

表2 英康奈尔合金铸件和锻件对照表

3.2 性能与应用

Inconel600 是镍铬铁合金，高含镍量使合金在还原环境中具备良好的耐蚀性，高含铬量使合金与Ni 相比具有更优异的耐氧化性能[13]。Inconel600 对高温硫酸、各种高浓度的有机酸具有良好的耐腐蚀性，比如常温磷酸、脂肪酸等，但不能用于高温的氢氟酸和浓盐酸，在高温强碱中也会产生应力腐蚀。GB/T 20801—2020 第7.2.4节和SH/T 3059—2012第6.2.2节都对镍铬铁合金在含硫环境、以及氧化和还原环境的使用温度做出了明确的限制。

Inconel625 是低碳镍铬钼铌合金，对各种腐蚀介质具有良好的耐腐蚀性，常用于还原性酸，抗点蚀、缝隙腐蚀等工况，在烟气脱硫的酸性气体环境应用广泛。Inconel625 合金常用在煤气化装置的高压氧气管道中，金属豁免压力和最小厚度要求见表1。

4 结束语

双相不锈钢、蒙乃尔合金、英康奈尔合金作为特殊用途的阀门材料，以其优良的耐蚀性和力学性能在石化行业的特殊腐蚀场合发挥了重要作用。目前，我国特殊合金阀门无论是材料加工、关键部件制造，还是标准制定方面与国外发达国家相比还有一定差距，而经济、合理的使用特殊阀门也是工程设计人员需要关注的部分，只有在工程设计中正确选材才能保证生产装置的长期稳定运行。