上海申弘閥門有限公司
1概述
由于石油生產(chǎn)的酸性工況環(huán)境，對(duì)其設(shè)備上閥門的金屬材料防硫化氫裂紋提出了較高的要求。本文主要探討閥門行業(yè)常用的美國防腐蝕工程協(xié)會(huì)（NACE）頒布的用于抗硫化應(yīng)力開裂的相關(guān)金屬材料標(biāo)準(zhǔn)。閥體、閥蓋材質(zhì)的選擇是以流動(dòng)介質(zhì)的溫度、壓力、腐蝕性和沖刷性為依據(jù)的，宜選擇與連接管道上的閥門材質(zhì)相同，至少為碳鋼，一般口徑小于等于DN40的閥門采用鍛鋼。閥內(nèi)件材質(zhì)的選擇：對(duì)于有腐蝕性的介質(zhì)，或者有閥蒸、氣蝕的場(chǎng)合、或者對(duì)于高差壓調(diào)節(jié)閥 (△P≥35kgf/cm2或500Psig)時(shí)，均應(yīng)采用經(jīng)過硬化處理的閥芯（如316+Slite，或316+鎢鉻鈷合金）?？沽蜷l閥滿足了在硫化環(huán)境下的抗硫應(yīng)力裂化要求,內(nèi)件材料采用耐酸性材質(zhì),,封圈采用聚合物作密封材料,適應(yīng)較寬的溫度及壓力范圍. 上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門、電動(dòng)閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。在設(shè)計(jì)選材及試驗(yàn)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行,耐腐蝕抗硫化能力強(qiáng)，密封性能穩(wěn)定，具有良好的防火，防靜電性能?？沽蜷l閥規(guī)格，壓力，全通徑與縮徑齊備，是化工煉油，油氣開采等流程系統(tǒng)的理想閥門。
2常用標(biāo)準(zhǔn)
硫化應(yīng)力開裂（SSC）是存在水和H2S時(shí)，在拉伸應(yīng)力和腐蝕共同作用下所出現(xiàn)的金屬開裂。開裂緣由金屬表面吸收了硫腐蝕反應(yīng)所產(chǎn)生的原子氫導(dǎo)致氫應(yīng)力開裂的一種形式。SSC的敏感性主要與材料的強(qiáng)度（用硬度表示）有關(guān)。通常認(rèn)為，高硬度的材料具有較高的SSC開裂敏感性。
閥門行業(yè)防SSC常用的NACE材料標(biāo)準(zhǔn)有NACEMR0175、NACEMR0103、NACEMR0177、NACEMR0175/ISO15156.1、NACEMR0175/ISO15156.2、NACEMR0175/ISO15156.3和NACETM0284等。3標(biāo)準(zhǔn)分析
閥門招投標(biāo)中提出有抗硫要求的，一般都是NACEMR0175標(biāo)準(zhǔn)，較少提及NACEMR0103標(biāo)準(zhǔn)。NACEMR0175適用于石油和天然氣開采環(huán)境，
NACEMR0103適用于石油精煉環(huán)境。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)
于抗SSC的基本觀點(diǎn)和選用材料大部分是一致的，但是NACEMR0103更細(xì)化更具體。如NACEMR0103標(biāo)準(zhǔn)對(duì)奧氏體不銹鋼和鎳合金提出了化學(xué)成分大或小要求，對(duì)雙相不銹鋼提出了鐵素體的體積含量等，而這些要求在NACEMR0175中并未詳細(xì)說明?，F(xiàn)在，標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）已將NACEMR0175標(biāo)準(zhǔn)同步為ISO標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)選用原則和不同材料將其拆分為NACEMR0175/ISO15156.1～3三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容上有細(xì)微增補(bǔ)。
4NACEMR0175適用范圍抗硫環(huán)境中，氣體、冷凝氣體和酸性原油等濕潤氣相的（以水為液態(tài)介質(zhì)）H2S分壓力等于或大于0.0003MPa（0.05psi）。
NACE標(biāo)準(zhǔn)適用范圍一般為裸露于酸性環(huán)境中的油氣田鉆探設(shè)備，即處于石油開采、天然氣輸送等含有硫化氫（H2S）的碳?xì)浠衔锝橘|(zhì)的工況。處于酸性環(huán)境下，會(huì)導(dǎo)致未經(jīng)選擇和處理的金屬材料開裂失效。因此，NACEMR0175標(biāo)準(zhǔn)提出了一系列防止產(chǎn)生SSC的金屬材料牌號(hào)、熱處理方法及包括硬度在內(nèi)的材料的機(jī)械性能要求。使用中，SSC受很多因素影響。
①材料的化學(xué)成分、強(qiáng)度、硬度、熱處理和材料的微觀結(jié)構(gòu)、局部差異、
抗硫閘閥具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、流體阻力小 , 密封面受介質(zhì)的忡刷和侵蝕小。
2、開閉較省力。
3、介質(zhì)流向不受限制 , 不擾流、不降低壓力。
4、形體簡(jiǎn)單 , 結(jié)構(gòu)長度短，制造工藝性好，適用范圍廣?？沽蜷l閥滿足了在硫化環(huán)境下的抗硫應(yīng)力裂化要求,內(nèi)件材料采用耐酸性材質(zhì),,封圈采用聚合物作密封材料,適應(yīng)較寬.冷作程度、晶粒尺寸和材料的清潔度。
②工況環(huán)境中氫離子的濃度（pH）。
③工況環(huán)境中H2S的濃度和總壓力。
④水相中的氯離子濃度。
⑤材料總的拉伸應(yīng)力（拉伸應(yīng)力+殘余應(yīng)力）。
⑥使用溫度和使用時(shí)間。
5抗硫材料
5.1
材料選用及硬度控制（1）碳鋼和合金鋼
碳鋼和合金鋼為鑄件、鍛件和冷作管件。硬度≤22HRC，其中ASTMA105鍛件的硬度應(yīng)≤187HB，ASTMA234牌號(hào)為WPB和WPC的鍛制碳鋼管件硬度應(yīng)≤197HB。熱處理工藝為熱軋（僅適用于碳鋼）、退火、正火、正火加回火、正火+固溶+淬火+回火和奧氏體化+淬火+回火。材料的主要牌號(hào)有ASTMA105、ASTMA53B級(jí)、ASTMA106B級(jí)和API5LX－42級(jí)。
（2）奧氏體不銹鋼
奧氏體不銹鋼為鑄件和鍛件，其硬度為22～38HRC。熱處理工藝為固溶退火和冷作退火。材料的主要牌號(hào)有UNSS20910、UNSS8020和ASTMA351的CN7M、UNSS31254、UNSN08367、UNSS32200、UNSN08926、UNSJ93254（CK3MCUN）、UNSS32654、UNSS31266及UNSS34565。
（3）鐵素體不銹鋼
鐵素體不銹鋼為鑄件和鍛件，其硬度≤22HRC。熱處理工藝為退火。材料的主要牌號(hào)有AISI405、AISI430、ASTMA268、TP268、TP405、TP430、TPXM27和TPXM33。
馬氏體不銹鋼硬度≤22HRC。熱處理工藝為三步工藝法。①正火或淬火。②一次回火。③二次回火，二次回火溫度需低于前次回火溫度。材料的主要牌號(hào)有AISI410和501、ASTMA216CA15、A268TP410、A743CA15M、A487CA15M、A487CA6NM和UNSS42400。
低碳馬氏體不銹鋼硬度為23～28HRC。熱處理工藝為三步工藝法。①正火或淬火。②一次回火。③二次回火，二次回火溫度需低于前次回火溫度。材料的主要牌號(hào)有ASTMA487CA6NM、UNSS42400和UNSS41425。
（4）沉淀硬化不銹鋼
沉淀硬化不銹鋼為鍛件。硬度31～35HRC。熱處理工藝為三步工藝法，固溶退火、固溶退火+時(shí)效、雙重時(shí)效+固溶退火+二次回火。材料的主要牌號(hào)有UNSS17400、UNSS66286和UNSS45000。
（5）雙相不銹鋼雙相不銹鋼為鑄件或鍛件。硬度17～36HRC。熱處理工藝為固溶退火、固溶退火+冷作。材料的主要牌號(hào)有UNSS32404、UNSS31803、UNSS32750、UNSS32760、UNSJ93380、UNSS31260、UNSS39274、UNSJ93404和UNSS39277。
（6）非鐵基合金
非鐵基合金鎳銅合金、鎳鉻鐵合金、鎳鉻鐵鉬合金、鎳鉻合金和鎳鉻鉬合金為鑄件和鍛件，硬度32～45HRC。
熱處理工藝固溶退火、固溶退火+時(shí)效、熱作+時(shí)效。材料的主要牌號(hào)有UNSN04400、ASTMA494的M35－1和M35－2、UNSN04405、UNSN05500、UNSN08800、UNSN08825、UNSN06007、UNSN06250、UNSN06255，UNSN06975、UNSN06525和UNSN0718等。
非鐵基合金材料鈷鎳鉻鉬合金和鈷鎳鉻鎢合金為鋼材和鍛件。硬度22～51HRC。熱處理工藝為固溶退火、固溶退火+時(shí)效和冷拔+高溫時(shí)效。材料的主要牌號(hào)有UNSR30003、UNSR30004、UNSR30035、英國HR3系列合金、UNSR31233、UNSR30605和UNSR05200。
（7）鈦合金
鈦合金的硬度32～45HRC，92～100HRB。熱處理工藝固溶退火、退火、固溶退火+時(shí)效。材料的主要牌號(hào)有UNSR53400、UNSR58640、UNSR50400、UNSR56260、UNSR56403、UNSR56404和UNSR56323。
| 序號(hào) | 物資名稱及型號(hào)規(guī)格 | 單位 | 數(shù)量 |
| 1 | 鋼法蘭截止閥J41H-25 DN100 | 個(gè) | 2 |
| 2 | 抗硫鋼制楔式閘閥 KJ41H-25 DN100 | 個(gè) | 8 |
| 3 | 鋼制楔式閘閥Z41H-25 DN40 | 個(gè) | 5 |
| 4 | 防爆撓性連接管 LCNG-S25X700-25/25TW | 根 | 4 |
| 5 | 防爆撓性連接管 LCNG-S25*700 | 根 | 78 |
| 6 | 防爆撓性連接管 LGNG-S32*1000 G11/4（外）/G11/4（內(nèi)) | 根 | 4 |
| 7 | 防爆撓性連接管 FNG-25*1000 | 根 | 16 |
| 8 | 防爆撓性連接管 LGNG-S50*700-50/50TW | 根 | 2 |
| 9 | 升降式止回閥H41H-25 DN100 | 套 | 1 |
| 10 | 抗硫鋼制楔式閘閥 KZ41H-25 DN100 | 套 | 3 |
| 11 | 鋼制楔式閘閥 Z41H-50 DN40 | 套 | 4 |
| 12 | 鋼制楔式閘閥 Z41H-25 DN100 | 套 | 7 |
| 13 | 抗硫升降式止回閥 KH41H-25 DN40 | 套 | 1 |
| 14 | (齒輪式）CPVC蝶閥DN100 PN10 | 套 | 6 |
| 15 | (齒輪式)CPVC蝶閥 DN80 PN10 CP-821 | 套 | 3 |
| 16 | 管道用阻火器 PN2.5 DN100 | 套 | 1 |
5.2材料化學(xué)成分
（1）ASTMA494CW2M材料要求含硫量≤0.015%，含鋁量≤0.05%。
（2）ASTMA351、A734、A744中的CN7M材料，碳含量≤0.035%，硅含量≤1.00%，銅含量3%～5%，硫含量≤0.015%，磷含量≤0.030%，鋁含量≤0.05%，其他未予注明的按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
（3）鎳含量高于1%的焊條、焊絲、焊劑等填充金屬不可用于可熔焊的碳鋼及低合金鋼。5.3材料表面處理
（1）抗硫材料表面處理所用噴丸尺寸應(yīng)≤2.0mm（0.08in．）。
（2）金屬表面不得使用電鍍、化學(xué)鍍、塑料涂層及襯里。
（3）金屬表面可進(jìn)行氮化處理，但氮化溫度必須低于材料的下臨界溫度。
（4）金屬表面氮化層深度應(yīng)≤0.15mm（0.006in．）。
（5）金屬表面氮化不能作為防硫化裂紋的一種手段。
（6）材料的硬度一般以洛氏硬度（HRC）為參照依據(jù)，少數(shù)除外。
（7）3.4.6材料的平均硬度測(cè)試值（同一區(qū)域一般不少于3個(gè)測(cè)試點(diǎn)）不得高于材料標(biāo)準(zhǔn)值，單個(gè)硬度測(cè)試值不得超過標(biāo)準(zhǔn)值的2個(gè)HRC。
（8）連接螺柱應(yīng)選用ASTMA193的B7M，小屈服強(qiáng)度為550MPa，硬度≤22HRC，螺母選用ASTMA194的2HM，硬度≤22HRC。B7M與B7、2HM與2H化學(xué)成分上相同，但B7M與2HM均比B7與2H強(qiáng)度低而塑性更好，因而抗SSC能力更佳。
6材料焊接材料的基體、焊縫及熱影響區(qū)的硬度應(yīng)≤22HRC（在熱處理消除應(yīng)力后），熱影響區(qū)的硬度壓痕應(yīng)距熔焊邊界2mm內(nèi)。材料的抗硫硬面合金可以用噴涂碳化鎢、陶瓷、堆焊鈷基和鎳基等合金工藝方法，其硬度值應(yīng)符合使用要求，NACEMR0175標(biāo)準(zhǔn)未做特別明確規(guī)定，但基體與熱影響區(qū)的硬度值明確要求≤22HRC。材料的焊接方法、堆焊材料、硬度等應(yīng)經(jīng)過焊接工藝評(píng)定。材料的缺陷可以補(bǔ)焊，只要符合焊接規(guī)程要求，即補(bǔ)焊工藝經(jīng)過評(píng)定是可靠的和可行的。7
材料質(zhì)量
（1）材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能和硬度必須符合抗硫材料標(biāo)準(zhǔn)要求。
（2）材料必須按冶煉爐號(hào)、鋼種和機(jī)械性能要求進(jìn)行正確的熱處理，并提供熱處理圓盤記錄。
（3）經(jīng)軋制、冷拔或其他冷加工工藝成型的金屬，外部形狀超過5%的*變形必須經(jīng)高溫消除應(yīng)力，消除應(yīng)力的低溫度應(yīng)為595℃或該金屬下臨界溫度以下。
（4）抗SSC環(huán)境不準(zhǔn)使用易切屑鋼（因含有硫、硒、鉛等元素）。
（5）承壓材料不得使用灰鑄鐵、奧氏體鑄鐵和白口鐵，可選用ASTMA395標(biāo)準(zhǔn)中的鐵素體球墨鑄鐵。
（6）原材料冶煉時(shí)如未經(jīng)AOD（氬氧脫碳精煉）和真空脫氧精煉，不得使用廢料、車削下腳料、金屬屑和回收料。因此，閥門主機(jī)制造廠應(yīng)與鑄件供應(yīng)商在供貨合同上予以明確。
（7）抗硫材料主要用于酸性環(huán)境，不適用于含鹽或鹽水環(huán)境。
（8）如使用未在NACEMR0175標(biāo)準(zhǔn)中列出的材料牌號(hào)，應(yīng)按抗硫試驗(yàn)7個(gè)等級(jí)（Ⅰ－Ⅶ級(jí)）中規(guī)定的環(huán)境、使用溫度和時(shí)間要求進(jìn)行抗硫失效
試驗(yàn)，并提交合格報(bào)告，閥門供應(yīng)商對(duì)此要理解。
（9）高溫工況下（大于450℃）奧氏體鋼、雙相不銹鋼、鎳基合金、鈦合金對(duì)裂紋會(huì)很敏感，應(yīng)用時(shí)制造商應(yīng)提供Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ或Ⅶ級(jí)的試驗(yàn)合格報(bào)告，以防產(chǎn)生SSC。
（10）雙相不銹鋼中鐵素體的體積含量應(yīng)介于35%～65%之間。
（11）不允許對(duì)灰鑄鐵和球墨鑄鐵進(jìn)行焊接或補(bǔ)焊。8
閥門質(zhì)量
閥門的螺紋可采用機(jī)械加工或冷壓成型（滾壓）加工。一般產(chǎn)品加工可采用車削、鏜削、軋制、鉆削、拋光等常規(guī)工藝手段。
（1）正確使用NACEMR0175標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料及熱處理工藝，不使用未經(jīng)試驗(yàn)證明的材料。
（2）加強(qiáng)材料的熱處理質(zhì)量控制，尤其要重視焊接件的基體與熱影響區(qū)的硬度控制，原則上基體與熱影響區(qū)的硬度應(yīng)保持一致，焊接部位必須進(jìn)行去應(yīng)力退火，減少SSC的敏感性。
（3）控制環(huán)境，減少硫化氫流通因素。
（4）將使用的閥門與酸性環(huán)境有效隔離（可能情況下）。
（5）建立定期檢查和訪問制度，以觀察所用閥門抗SSC的能力及實(shí)際使用壽命。
（6）對(duì)已發(fā)生SSC的閥門進(jìn)行材料的失效分析研究，開發(fā)適應(yīng)新工況的新材料和熱處理新工藝。9
結(jié)語
隨著國家能源戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施和開發(fā)利用，抗硫閥門在石油、天然氣開采、長輸管線及石油精煉等環(huán)境上的運(yùn)用日益增多。因此，正確理解和掌握NACE標(biāo)準(zhǔn)，是提高抗硫設(shè)備使用壽命的前提，也是確保設(shè)備與人員安全的前提。
參
考文獻(xiàn)
〔1〕NACEMR0175－2002，油田設(shè)備用抗硫化應(yīng)力裂紋的金屬
材料〔S〕
．〔2〕NACEMR0103－2003，在腐蝕石油精煉環(huán)境中抗硫化應(yīng)力
裂紋的材料要求〔S〕
．〔3〕NACEMR0177－1996，金屬在H2S環(huán)境中耐特定形式環(huán)境
開裂的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)〔S〕
．〔4〕
ANSI/NACEMR0175/ISO15156．1－2009，石油和天然氣工業(yè)含H2S的石油和天然氣生產(chǎn)環(huán)境中所使用的材料第1
篇：抗裂材料的選用的一般原則〔S〕
．〔5〕
ANSI/NACEMR0175/ISO15156．2－2009，石油和天然氣工業(yè)含H2S的石油和天然氣生產(chǎn)環(huán)境中所使用的材料第2
篇：抗開裂的碳鋼和低合金及鑄鐵的使用〔S〕
．〔6〕
ANSI/NACEMR0175/ISO15156．3－2009，石油和天然氣工業(yè)－含H2S的石油和天然氣生產(chǎn)環(huán)境中所使用的材料第3
篇：抗裂耐腐蝕合金（CRAS）和其他合金〔S〕與本文相關(guān)的論文有：五陽煤礦應(yīng)用閥門案例
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