耐熱閥門閥體加工工藝

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之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應用，現(xiàn)在介紹耐熱閥門閥體加工工藝闡述了耐熱閥門鑄鋼C5 閥體的開裂成因，分析了鑄件的鑄造缺陷、缺陷補焊和熱處理操作等與閥體開裂之間的關系，提出了預防的措施。

1、耐熱閥門閥體加工工藝概述
在石化采煉行業(yè)的538℃高溫工況下，美國試驗與材料學會標準ASTM A217中的耐熱鑄鋼C5(國標ZG1Cr5Mo) 是常用的高中壓耐熱閥門材料。C5 鋼的冶煉、熱處理和鑄件缺陷補焊等熱加工工藝復雜，特別是鑄件的缺陷補焊，須進行熱焊和焊后熱處理，才能確保鑄件質量。這其中或由鑄造缺陷集中，或由缺陷補焊不當，或由熱處理工藝操作不當?shù)仍颍诟邷馗邏合聵O易產生裂紋，進而造成殼體泄漏。本文針對規(guī)格為DN250mm，壓力為PN40bar，材質為C5的鑄鋼閥體，在使用溫度為380～400℃，使用壓力為PN20bar工況下出現(xiàn)裂紋的原因進行分析，提出了預防措施。

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(組合式減壓閥,可調式減壓閥,自力式減壓閥鋼的耐熱溫度不是熔點，耐熱溫度是指鋼在此溫度下各種性能指標能達到使用要求，比方說鋼強度在加熱情況下是會降低的。所以目前耐熱鋼也就是1000度左右。 下面儀控君為大家介紹幾種常用鋼的物理性質。



1.熱化學穩(wěn)定鋼

常用鋼種有：3Cr18Ni25Si2、 3Cr18Mn12Si2N 等。

它們的抗氧化性能很好，高工作溫度可達約1000℃，多用于制造加熱爐的受熱構件、鍋爐中的吊鉤等。它們常以鑄件的形式使用，主要熱處理是固溶處理，以獲得均勻的奧氏體組織。

2.熱強鋼

常用鋼種的牌號、化學成分、熱處理、性能介紹如下：

① 珠光體耐熱鋼：常用牌號是15CrMo和12CrMoV兩種。這類鋼合金元素含量少，用于工作溫度低于600℃的結構件，如鍋爐的爐管、過熱器、石油熱裂裝置、氣閥等。

② 馬氏體耐熱鋼：常用鋼種為Cr12 型（1Cr11MoV、1Cr12WMoV）和Cr13 型（1Cr13、2Cr13）鋼。含有大量Cr，抗氧化性及熱強性均高，淬透性好，高工作溫度與珠光體耐熱鋼相近，但熱強性高得多。多用于制造600℃以下受力較大零件，如汽輪機葉片等，多在調質狀態(tài)下使用。

③ 奧氏體耐熱鋼：常用的鋼種是1Cr18Ni9Ti和Cr13型一樣既是不銹鋼又可作耐熱鋼使用。其熱化學穩(wěn)定性和熱強性都比珠光體和馬氏體耐熱鋼高，工作溫度可達750℃～800℃，用于制作一些比較重要的零件如燃氣輪機輪盤和葉片等。

3.耐熱合金（高溫合金）

根據(jù)生產工藝高溫合金分為變形高溫合金和鑄造高溫合金兩種。變形高溫合金的牌號以“GH”后接4位阿拉伯數(shù)字表示。G、H相應為“高、合”漢語拼音字首，*位數(shù)字1表示固溶強化型鐵基合金，2表示時效強化型鐵基合金，3表示固溶強化型鎳基合金，4表示時效強化型鎳基合金，6表示鈷基合金。

鑄造高溫合金用K表示，后接3位數(shù)字。*位數(shù)字1表示時效硬化型鐵基合金，4表示時效硬化型鎳基合金，6表示鈷基合金。*位數(shù)字后的數(shù)字均為順序號。 鎳基合金的熱強性很高，塑性很差，鍛軋加工相當困難，鑄造生產時性能較好。



2、閥體形貌
經目視檢測，在閥體A法蘭根部外表面有明顯可見裂紋區(qū)。經射線探傷檢測，在閥體B 法蘭根部內部存在裂紋區(qū)。兩處裂紋都發(fā)生在閥體的端法蘭根部。裂紋發(fā)生部位，法蘭與通徑外表面相交處均為直角，未倒圓角過渡。

3、材料性能
從閥體材料檢測結果分析，其化學成分中元素Mn 含量稍低(表1) ，力學性能指標的屈服強度過低，抗拉強度偏低(表2) ，硬度(平均為170 HB) 、伸長率和延伸率指標均良好。如無其他內部鑄造缺陷，在400℃高溫的20bar 壓力沖擊下，鑄件不至于開裂泄漏。

耐熱閥門閥體熱加工工藝分析圖1 閥體表1 化學成分Wt%耐熱閥門閥體熱加工工藝分析表2 力學性能



耐熱閥門閥體熱加工工藝分析

從使用工況分析，PN4.0 MPa 的C5( ZG1Cr5Mo) 閥門在400℃高溫下，大允許工作壓力為3.04MPa(30.4bar) 。而閥門實際使用壓力僅為2.0 MPa，在允許使用范圍內。

從閥體金相組織照片分析，閥體開裂剖切截面裂紋形貌顯示，法蘭根部轉角區(qū)域裂紋成90°貫穿的疏松( 縮松下同) 孔洞非常明顯( 圖2 ～圖4) 。

耐熱閥門閥體熱加工工藝分析

圖2 近轉角區(qū)域疏松形貌

耐熱閥門閥體熱加工工藝分析

圖3 近轉角疏松區(qū)域組織分布形貌

耐熱閥門閥體熱加工工藝分析

圖4 近轉角裂紋區(qū)域組織形貌



4、開裂原因分析
4.1、鑄造工藝

從金相照片分析，閥體鑄件A 法蘭基體組織枝晶偏析發(fā)達，分布有疏松，裂紋區(qū)域疏松成片聚集，破壞了金屬的連續(xù)性，使聚集處有效面積減少。疏松是鑄造工藝設置不當，鋼水補縮順序凝固不良引起的，與冒口體積和位置有關。法蘭根部與閥體通徑相交，壁厚較其他部位厚，屬于鑄造熱節(jié)部位，諸多因素造成了較大面積的疏松，導致在高溫和壓力不斷沖擊下產生裂紋，并由里到外貫穿法蘭與通徑結合部(法蘭根部) ，造成介質泄漏。

4.2、熱處理

C5 鑄件的熱處理工藝是正火+ 回火，金屬顯微組織是貝氏體或較細的珠光體+ 鐵素體。對比開裂閥體的顯微組織、硬度和力學性能，其鑄件強度偏低，特別是屈服強度過低，而塑性較高，可能是回火溫度偏高造成。熱處理工藝操作不當，使得閥體基體的力學性能不足，鑄件強度不夠。由于鑄件內部組織存在較發(fā)達的枝晶偏析和成片聚集的疏松，在鑄件熱處理(正火) 過程中組織應力和冷卻應力集中，對鑄件疏松區(qū)域形成應力沖擊和應力集中，增加了閥體開裂的可能性。

4.3、結構

閥體端法蘭兩平面均為機加工成型，按規(guī)定，凡加工面與任何面垂直相交，相交處必須倒圓角處理，以減少應力。開裂閥體端法蘭反平面與通徑相交處均為直角，沒有以圓角過渡，造成了應力集中。從開裂鑄件上采集的試樣經高倍分析( 圖5) ，可以觀察到鑄件疏松區(qū)晶粒表面的結晶紋，同時還顯示，疏松區(qū)邊緣呈向外撕裂狀，均伴有氧化現(xiàn)象。經分析，在壓力管道中由于應力集中和鑄件疏松缺陷，在高溫高壓沖擊下，形成了從內到外的貫穿性裂紋，導致介質外漏。耐熱閥門閥體熱加工工藝分析圖5 B 法蘭徑向試樣開裂形貌



4.4、補焊

A 法蘭裂紋在外部，目視可見。B 法蘭裂紋在內部，RT 法檢出。從金相照片分析，母材與焊材交界處和堆焊區(qū)均存在裂紋，裂紋是在補焊時產生的。C5 鑄鋼是一種貝氏體(馬氏體) 耐熱鋼，合金成分多，各合金相變速率不一致，補焊前鑄件或缺陷及周圍區(qū)域須預熱，如未經預熱，熔敷金屬與母材溫差太大，在半熔化區(qū)和熱影響區(qū)會出現(xiàn)馬氏體組織，進而由焊接應力集中產生裂紋。另外，補焊后要及時回火，進行消應處理。

C5 鑄件正確的焊補工藝是對鑄件缺陷及周圍區(qū)域進行300℃ 左右的預熱，然后用R507 焊條施焊。施焊后馬上進行720℃ 左右的回火處理，以減少焊接應力和熱影響區(qū)、補焊區(qū)的硬度。缺陷處焊材( 熔敷金屬) 的硬度必須保持與母材一致或接近。NACE MR0175 規(guī)定，熔化區(qū)、熱影響區(qū)和母材的硬度差多不超過2HRC。控制硬度消除鑄件開裂的隱患，更適合于通硫化氫介質的閥門。補焊區(qū)如不進行熱處理，焊補區(qū)的硬度一般會遠遠高于母材。NACE MR0175 標準認為，硬度是導致裂紋的敏感因素。對于C5 合金鋼鑄件缺陷一定要熱補和及時進行焊后熱處理才能確保補焊質量。



5、結語
C5 閥體法蘭一側外部開裂主要原因為鑄件的熱節(jié)部位存在嚴重的大面積疏松缺陷，這些缺陷破壞了金屬基體的連續(xù)性。其次，熱處理工藝不當使得基體強度不足，在壓力的反復沖擊下應力集中區(qū)域裂開。法蘭另一側內部裂紋主要是由于補焊時未進行預熱和焊后處理，引發(fā)了裂紋。為防止裂紋產生。鑄件進廠前應進行材質、尺寸、外觀和壁厚等常規(guī)檢查，并加強對鑄件的硬度和金相組織檢查，以判斷鑄件本身的缺陷和熱處理狀態(tài)是否合格。高溫高壓閥門硫化氫和氫氧氣閥門、以及其他重要管線閥門鑄件還應按ASME B16. 34 規(guī)定進行射線探傷，問題鑄件應及早發(fā)現(xiàn)并及時處理，避免在投入使用后再出現(xiàn)殼體泄漏現(xiàn)象。有缺陷的鑄件補焊必須按工藝規(guī)范操作，補焊工藝須經評定合格，補焊后須進行焊后熱處理和無損探傷檢測。閥門鑄件在機加工時應嚴格按照工藝執(zhí)行，凡兩平面垂直相交處一定要加工出圓角，避免直角造成應力集中。與本產品相關論文：200X先導隔膜式水用減壓閥安裝要求