超低溫閥門用奧氏體不銹鋼

本文深入探討了奧氏體不銹鋼作為超低溫閥門材料的優(yōu)越性能、選材要求、種類與應(yīng)用、工藝處理等方面，強(qiáng)調(diào)了其在超低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和適用性，特別是針對-196℃以下工況的不可替代性。

1、概述

奧氏體不銹鋼是在使用條件下以奧氏體組織或以奧氏體組織為主的不銹鋼。奧氏體不銹鋼具有多種優(yōu)越的性能 , 可用于各種不同的領(lǐng)域中 , 尤其是優(yōu)異的低溫韌性使之作為低溫結(jié)構(gòu)材料而被廣泛應(yīng)用在超低溫工程中。目前 , 超低溫閥大多選用奧氏體不銹鋼制造。

2

分析

2.1

工況條件

超低溫閥門是低溫工程中不可缺少的流體管路控制裝置。超低溫閥門的功能與普通閥門基本一致 , 也是用于接通或切斷管路介質(zhì)、調(diào)節(jié)介質(zhì)壓力和流量。目前 , 超低溫閥門有閘閥、截止閥、止回閥、球閥、蝶閥及節(jié)流閥等類型 , 主要用于氣體的液化、分離、輸送和貯存等設(shè)備上。使用溫度可達(dá)- 270 ℃以下。

超低溫閥是在深冷的低溫范圍內(nèi)工作的閥門。對其工作溫度的劃界 , 目前尚無統(tǒng)一的規(guī)定。例如俄羅斯 ( 前蘇聯(lián) ) 把在-272～-153 ℃溫度范圍工作的閥門稱為超低溫閥門。日本液化石油氣管理法則把工作在低于-150℃的閥門稱為超低溫閥門。我國目前尚未規(guī)定超低溫閥門的溫度界限。在閥門行業(yè) , 趨向以-100℃作為超低溫閥門的工作溫度上限 , 也就是把工作溫度低于-100℃的閥門定為超低溫度閥門。這是一種按閥門使用材料來進(jìn)行分界的方法。即當(dāng)工作溫度<100℃時 , 閥門的主體材料選用奧氏體不銹鋼。

2.2

選材

超低溫閥門的工作介質(zhì)不僅溫度低 , 而且大部分或有毒 , 或易燃易爆 , 而且滲透性強(qiáng) , 因此決定了對閥門用材的諸多特殊要求。

(1) 良好的耐低溫性

超低溫閥不僅要求在設(shè)定的溫度下能正常運(yùn)轉(zhuǎn) , 同時也要保證在常溫下的工作性能。因此 , 所選材料既要滿足常溫力學(xué)性能 , 又要符合使用溫度下對力學(xué)性能的要求。尤其要求材料在超低溫下應(yīng)具有足夠的韌性以避免低應(yīng)力下的脆性斷裂。同時要求材料組織穩(wěn)定 , 保證在使用過程當(dāng)中不會因相變而引起尺寸變化 , 最終造成閥門密封失效。

(2) 與介質(zhì)相容性

超低溫閥門用材應(yīng)與工作介質(zhì)相容 , 即對介質(zhì)具有足夠的化學(xué)抵抗力 , 保證閥門在使用期限內(nèi) ,與介質(zhì)相接觸材料的化學(xué)及物理性質(zhì)不會發(fā)生顯著變化。同時 , 閥門用材還應(yīng)符合低溫介質(zhì)防爆性的-51-2008 年第3期 閥門 相容條件。

(3) 低的熱導(dǎo)率

由于超低溫閥的工作溫度很低 , 為下降傳熱 ,控制熱漏 , 閥門除采用特殊結(jié)構(gòu) ( 設(shè)置絕熱裝置 )外 , 還應(yīng)選用熱導(dǎo)率相對低的材料 , 以減少熱損失。

(4) 良好的焊接性能

鍛焊結(jié)構(gòu)的閥體材料或?qū)高B接的閥門主體材料 , 應(yīng)考慮材料的焊接性能和在使用溫度下焊縫的可靠性。需熔敷特殊合金(如Co-Cr-W 硬質(zhì)合金)的密封面時 , 還應(yīng)考慮材料本身堆焊 (噴焊)的可行性。

經(jīng)過分析 , 具有面心立方晶格的銅、鋁合金和奧氏體不銹鋼等材料 , 因沒有低溫脆性現(xiàn)象 , 故可作為超低溫閥門用材。雖然銅、鋁合金各有一定的優(yōu)點(diǎn) , 但因強(qiáng)度低 , 一般只用于低壓及小口徑閥門。而9%鎳鋼雖然可用于-196℃工況中 , 但由于工藝復(fù)雜 , 一般很少選用。只有奧氏體不銹鋼適宜作為各種規(guī)格、不同壓力等級的超低溫閥門用材。

3

奧氏體不銹鋼

3.1

種類

奧氏體不銹鋼的種類繁多 , 但在超低溫閥門制造中 , 廣泛應(yīng)用的是 Cr - Ni 奧氏體不銹鋼 , 即美國標(biāo)準(zhǔn)中的 300 系列不銹鋼 ( 表1)。其中 , F304 、F304L 、 F316 和 F316L 是超低溫閥中用量較多的幾種牌號。這四種牌號鋼都屬于亞穩(wěn)型不銹鋼 , 在超低溫下會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變 ( 即相變) ,如果需要得到穩(wěn)定的奧氏體組織 , 可選用 F310 奧氏體不銹鋼。

表 1 中所列各種牌號的不銹鋼可用于超低溫下- 254 ℃或更低。在國外的一些標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中 , 對奧氏體不銹鋼的使用溫度范圍有明確的規(guī)定。例如日本高壓氣體法規(guī)定 , SUS304L 和 SUS316L ( 相當(dāng)于 F304L 和 F316L) 允許使用到 - 269 ℃ , 而SUS304 和 SUS316 ( 相當(dāng)于 F304 和 F316) 只允許使用到 - 254 ℃ , 這 可 能 是 因 為 SUS304 和SUS316 在焊接過程當(dāng)中 , 其熱影響區(qū)容易產(chǎn)生晶界碳化物 , 可造成低溫劣化而造成沖擊韌性下降的原因。

3.2

性能

隨著溫度的下降 , 奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度顯著提高 ( 表2)。從強(qiáng)度觀點(diǎn)看 , 這意味著在常溫下有足夠強(qiáng)度的閥門在超低溫下也必然是安全的。強(qiáng)度的提高 , 對韌性的影響較小 , 只是稍有下降。這就是奧氏體不銹鋼能成為超低溫閥門用材的主要原因。

奧氏體不銹鋼的組織為面心立方結(jié)構(gòu) , 低溫下沒有脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。除非存在第二相或處于造成應(yīng)力腐蝕斷裂的環(huán)境下 , 否則不會發(fā)生脆性斷裂 , 韌性也不會隨溫度下降而突然下降。其主要原因是當(dāng)溫度下降時 , 面心立方金屬的屈服強(qiáng)度沒有顯著變化 , 而且不易產(chǎn)生形變孿晶 , 位錯容易移動 , 局部應(yīng)力易于松弛 , 裂紋不易傳播 , 一般沒有從延性到脆性的轉(zhuǎn)折 ( 溫度 ) 。所以在超低溫下 , 仍能保持較高的沖擊韌性 ( 表 3) , 而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 27J ( 該值為歐盟 97/ 23/ EC 《承壓設(shè)備指令》所規(guī)定的低溫用鋼所必須的最小平均沖擊功) ,可完全滿足超低溫閥門的使用要求。

3.3

鑄件

在超低溫閥門制造中 , 經(jīng)常采用奧氏體不銹鋼鑄件作為閥門的主體材料。鑄件易于成型 , 對以鍛造方法難以成型的零件 , 采用鑄造方法則很容易獲得。目前 , 國際上通用的是美國 ASTM A351 CF類不銹鋼鑄件。

由于鑄件可能存在著合金偏析和樹枝晶組織等缺點(diǎn) , 加之 CF 類不銹鋼鑄件都含有一定數(shù)量的鐵素體 , 因此其低溫韌性必然受到影響。一般情況下 , CF 類不銹鋼鑄件的低溫沖擊值要低于同種牌號的變形合金。與美國ASME B16 1 3 《工藝管路》所規(guī)定的 CF 類不銹鋼鑄件的應(yīng)用溫度范圍不同 ,日本 J IS 8243 《壓力容器的結(jié)構(gòu)》和高壓氣體管理法都將奧氏體不銹鋼鑄件的最低使用溫度限制在 -196 ℃ ( 表4)。

3.4

Cr - Mn - N 系不銹鋼

Cr - Mn - N 系不銹鋼是一種節(jié)鎳型的奧氏體不銹鋼 , 如 03Cr13Ni5NMn19 ( 可用于 - 253 ℃ ) 、07Cr21Mn7Ni5N ( 可用于 - 269 ℃ )等。與 Cr - Ni奧氏體不銹鋼不同 , Cr - Mn - N 不銹鋼在低溫下有韌性 - 脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。這是由于鋼中含有 Mn ,在低溫時形成大量層錯 , 阻礙位錯相交而造成的。通常超低溫閥門用材很少采用 Cr - Mn - N 系不銹鋼。

4

工藝處理

4.1

固溶處理

固溶處理是奧氏體不銹鋼的基本熱處理方法 ,是避免晶間腐蝕的重要手段。而作為超低溫閥門使用的奧氏體不銹鋼 , 固溶處理的目的是為了使碳化物充分溶解 , 提高其抗脆性能力 , 從而可以在更低的溫度下安全使用。對于含 Ti 、 Nb 的穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼 , 固溶處理主要是為得到較均勻的成分和組織 , 保證其良好的韌性和塑性。對于鑄件 , 固溶處理可使其在凝固過程當(dāng)中所產(chǎn)生的偏析得以改善 ,使組織接近均勻。

此外 , 奧氏體不銹鋼在焊接時 , 其熱影響區(qū)由于碳化物析出及鐵素體生成 , 會明顯下降材料的低溫韌性。因此 , 焊后亦應(yīng)進(jìn)行固溶處理 , 以恢復(fù)其低溫韌性。

4.2

深冷處理

大部分 Cr - Ni 奧氏體不銹鋼在常溫下處于亞穩(wěn)定狀態(tài) , 而在超低溫范圍內(nèi)會因晶格畸變而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體開始轉(zhuǎn)變時的溫度即為馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn) ( 亦稱相變點(diǎn)) ,用符號 Ms 來表示。Ms 點(diǎn)的溫度主要取決于固溶在奧氏體內(nèi)合金元素的量。當(dāng)奧氏體不銹鋼的工作溫度等于或低于其馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn) Ms 時 , 就會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。因馬氏體的比容比奧氏體的大 , 由此而引起的體積膨脹和組織應(yīng)力會使零件尺寸發(fā)生變化 , 最終造成閥門泄漏。為避免材料在使用過程當(dāng)中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變 , 需對其進(jìn)行深冷處理。

深冷處理是將奧氏體不銹鋼材料浸在冷卻劑中進(jìn)行冷卻、保冷 , 使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的一種工藝方法。深冷處理可使材料預(yù)先進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變 , 以保證在使用中的組織穩(wěn)定性。深冷處理一般在零件的精加工之前進(jìn)行。深冷處理的溫度應(yīng)以材料的Ms 點(diǎn)為依據(jù)。材料不同 , Ms 點(diǎn)各異。即使是同一牌號的材料 , 由于批次 ( 或爐號 ) 的不同 , 其Ms 點(diǎn)也各不相同 , 而且差別很大。有的在超低溫范圍的上限附近即可產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

馬氏體的轉(zhuǎn)變量隨溫度的下降而增加 , 為確保工件在使用過程當(dāng)中的組織穩(wěn)定性 , 深冷處理所用介質(zhì)的溫度需等于或低于閥門工作溫度。深冷處理的冷卻介質(zhì)多采用液氮或液氦等溶液?？筛鶕?jù)閥門使用溫度來確定。浸在深冷介質(zhì)中的零件達(dá)到介質(zhì)溫度 ( 介質(zhì)表層所冒氣泡完全消失 ) 時 , 即可計算保冷時間。根據(jù)實踐經(jīng)驗 , 保冷 1 ～ 2h 即能達(dá)到處理目的。時間過長 , 對馬氏體的轉(zhuǎn)變無明顯影響。保冷結(jié)束即可將零件取出在空氣中放冷至常溫。

經(jīng)過一次深冷處理后 , 奧氏體不銹鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變基本完成 , 一般情況下可以滿足使用要求。對于密封性要求較嚴(yán)或靠介質(zhì)壓力密封的超低溫止回閥 , 可增加深冷處理的次數(shù)。

5

結(jié)語

奧氏體不銹鋼是理想的超低溫閥門用鋼 , 尤其是在 - 196 ℃以下 , 奧氏體不銹鋼幾乎是唯一可以選用的超低溫閥門用鋼。為避免在使用過程當(dāng)中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變 , 建議在設(shè)計時挑選奧氏體組織更加穩(wěn)定的不銹鋼。對于亞穩(wěn)型不銹鋼 , 應(yīng)采用深冷處理使其預(yù)先完成馬氏體轉(zhuǎn)變 , 以達(dá)到使用中的組織穩(wěn)定。

作 者

梁 靜(

沈陽市裝備制造工程學(xué)校)

梁緒發(fā)(

沈陽盛世高中壓閥有限公司)

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