调节阀采用特殊材料波纹管

1　引言

在金属波纹管调节阀中，金属波纹管组件在阀杆与阀体的工艺流体之间提供轴向移动的金属外壳，形成动态密封。波纹管承受介质的压力、温度和腐蚀，同时承受阀杆的压缩和拉伸，以确保阀门在使用寿命周期内实现零泄漏。随着波纹管在阀门行业的广泛应用，对波纹管的技术要求也在不断提高。阀门金属波纹管不断发展为耐高压、耐高温、耐腐蚀和长寿命。

2　波纹管材料要求

2.1　基本要求

适用于波纹管生产的材料必须具有良好的塑性、高弹性极限、抗拉强度和疲劳强度、良好的焊接性能和稳定的弹性性能。奥氏体不锈钢因其这些性能特性而被广泛应用于波纹管的制造。

2.2　耐高压

耐压性是阀门和波纹管的基本要求，但随着阀门压力水平的提高，波纹管壁厚和刚度的增加，使阀门打开和波纹管制造更加困难。波纹管制造商一般不仅增加壁厚，而且通过增加层数来提高产品的耐压性，同时降低波纹管的轴向刚度，降低阀门的开启力。公称压力15MPa（900lb）以下奥氏体不锈钢波纹管壁厚一般为0.1～0.3mm，层数为1~6层。压力等级下的波纹管具有一定的通用性，形成了一系列产品。当压力达到25MPa（1500lb）波纹管专业厂家应根据阀门口径和工作温度选择合适的材料。

2.3　耐腐蚀

非金属材料具有优异的耐腐蚀性，氟衬塑料防腐阀应用广泛，氟波纹管阀也有一定的应用领域。但由于非金属材料的强度和耐热性较低，一般使用温度不超过150℃，限制了应用范围。304、316L以奥氏体不锈钢为代表的工处理腐蚀性较弱的工作条件，但必须使用耐腐蚀性优良的耐腐蚀合金材料，以抵抗氯碱行业的湿氯腐蚀和其他恶劣的腐蚀条件。耐腐蚀合金的耐腐蚀性和间隙腐蚀性常用的耐腐蚀性（PRE）值表征，PRE按公式(1)计算值。

PRE值越高，合金的临界间隙腐蚀温度越高（CCT）临界点蚀温度（CPT）越高。从表1可以看出，几种耐腐蚀合金PRE值较304和316L的PRE值高很多。

表1　材料的机械性能与抗点蚀当量

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2.4　耐高温

工作温度高于450℃阀门称为高温阀。奥氏体不锈钢的最高推荐工作温度为400℃，因此，耐高温合金材料必须用于高温阀门。

3　特种材料波纹管

3.1　特种材料

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（1）Ni-Cu合金

约含70%Ni和30%Cu蒙乃尔（Monel）之名着称。典型的Monel400合金的化学成分如表2所示。

Monel合金主要用于弱还原溶剂，特别是氢氟酸，对强碱和流动海水也具有优异的耐腐蚀性。Monel合金也适用于干氯、氯化氢、高温氯(425)℃）高温氯化氢(450)℃）等介质。Monel氧化酸、氯化物和铵盐会在潮湿的环境中腐蚀，因此在氧化水溶液中不耐腐蚀。此外，它还会在熔融性苛性碱中产生应力腐蚀。Mo2nel合金的适宜工作温度为480℃以下。

表2　Monel400合金化学成分Wt%

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（2）Ni-Cr-Mo合金

含钼镍基合金，又称哈氏合金。哈氏合金C-276合金因其优异的综合性能而被广泛应用于氧化介质和还原介质的环境中。C-276合金主要耐湿氯、各种氧化氯化物、氯化盐溶液、硫酸和氧化盐，在低温和中温盐酸中具有良好的耐腐蚀性。C-276并不具备足够的热稳定性，在650～1090℃长时间在温度范围内(超过10min）碳化物或金属间化合物会在晶界中沉淀，造成晶间腐蚀。C-276合金的化学成分如表3所示。Inconel625合金含有大量铬(20Wt%～25Wt%）、钼（8Wt%～10Wt%）、铁（5Wt并以铌(3).5Wt%～4.5Wt%)镍铁基奥氏体变形合金，主要添加元素，化学成分如表3所示。在625合金中加入铌，提高了耐晶间腐蚀的热稳定性。铬含量高C-276合金的高度提高了合金在许多强氧化介质中的耐腐蚀性，如沸腾硝酸盐。625合金固溶强化合金的使用温度一般不超过650℃。

表3　哈氏C-276与Inconel625合金的化学成分Wt%

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（3）NI-Fe-Cr合金

Incoloy825合金是一种镍钼、铜、钛的镍-铁-铬固溶强化合金，化学成分如表4所示。一般来说，镍的质量分数不低于30%，而（镍 铁）的质量分数不低于65%。因此，825合金有时也被称为镍铁基合金。825合金主要用于耐氧化介质的腐蚀。由于材料中添加了钛，其稳定性大大提高，碳含量低，避免了焊接热影响区内碳化物在正常腐蚀环境中的沉淀。合金中的镍含量足以防止奥氏体应力腐蚀开裂。825的使用温度一般不超过550℃，650～760℃对材料的严重敏化温度范围。

Inconel718合金是时效强化镍铁铬基变形高温合金，650℃以下强度居高温合金之首，具有良好的耐热疲劳、抗氧化、抗辐射、冷热加工性能。它是应用最广泛的高温合金之一，如表4所示。合金是在固体溶解合金的基础上填充的Al、Ti和Nb这些元素是由其他元素发展而成的。除了加强固溶体外，这些元素还与镍结合形成一种共格、稳定、复杂的金属间化合物。同时，铝、铜、硼和碳形成各种碳化物，大大提高了合金的热强度。合金的强度主要来自于基体中均匀分布的强化相γ″及少量的γ’，在650℃具有良好的机械性能、耐腐蚀性和抗蠕变性，在650℃合金在上述使用过程中的主要强化相γ″易粗化转化δ降低或失效合金的性能。

表4　Inconel825与Inconel718的化学成分Wt%

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(4)双相不锈钢

双相不锈钢由约50%的奥氏体和铁素体组成。奥氏体的存在降低了高铬铁素体钢的脆性和氢脆性，提高了双相不锈钢的韧性。铁素体的存在提高了奥氏体钢的屈服强度、抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力。

双相不锈钢在氯化物和硫化物中具有较高的抗应力腐蚀开裂能力，有效解决了长期困扰奥氏体不锈钢局部腐蚀造成的故障问题。大量使用SAF2205双相不锈钢的化学成分如表5所示，该材料存在475℃脆性温度区的使用温度一般不超过300℃。

表5　双相不锈钢2205的化学成分Wt%

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（5）钛

钛是一种具有强烈钝化倾向的金属，很容易与氧反应，在其表面产生氧化膜。在许多腐蚀性介质中，氧化膜非常稳定，难以溶解，即使损坏，只要有足够的氧气，也能迅速自动恢复。因此，钛在氧化和中性介质中具有优异的耐腐蚀性。工业纯钛TA如表6所示。

表6　钛的化学成分Wt%

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ASME将变形工业纯钛和低合金钛的应用温度上限设定为316℃

3.2　成型特性

液压冷成型制造波纹管的方法要求材料具有良好的塑性，并通过后续处理获得较高的弹性和强度。然而，许多特殊材料没有这样的特性，这给波纹管的设计和生产带来了许多困难。例如，双相不锈钢具有较高的屈强度比（屈服强度/抗拉强度），冷成型回弹大于300系奥氏体不锈钢，冷硬化倾向严重于300系奥氏体不锈钢。当波纹管的外径和内径比超过一定值时，波纹管应采用两次成型和两次固溶处理。同样，钛的抗拉强度接近其屈服强度，在波纹管成型过程中塑性变形较差。同时，钛的屈服极限与弹性模量的比例较大，使钛成型过程中的回弹能力较大。用这种材料制造的波纹管成型后的回弹量难以预测和计算，几何尺寸也难以通过整形来满足原有的设计方案。因此，虽然一些特殊材料可以用于制造波纹管，但很难选择具有良好的波纹管。

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3.3　焊接特性

液压波纹管由无缝管坯或有纵向焊缝的缝管坯制成。缝管坯要求焊接接头的屈服强度和伸长率与母材相当。焊接波纹管是沿其内外边缘交替焊接预先冲洗的环膜。阀门通常需要以各种接口形式与法兰或阀杆等结构件焊接，这些结构件有时与波纹管材料不同。因此，阀门波纹管材料本身应具有良好的焊接性能，并与阀杆等结构件焊接时应具有焊接性能。与波纹管焊接的结构件应尽量选择与波纹管相同的材料或性能接近、焊接性好的异质材料。

4　液压波纹管与焊接波纹管比较

用于波纹管阀门的金属波纹管主要有液压成型和焊接成型。液压波纹管通过增加层数来提高耐压性和良好的耐压性。多波一次成型或单波连续成型，生产周期短，价格低，刚度大，允许位移小(单波位移为波距的15%~20%)。原材料为无缝管坯或有缝管坯，极薄壁无缝管生产工艺复杂，有缝管对焊接设备要求高，国内小直径有缝管生产工艺不成熟。液压波纹管标准化、系列化程度高，用户可根据专业厂家样品进行选择。焊接波纹管一般为单层或双层，耐压性有限。焊缝数量与波数成正比，生产周期长，价格高，刚度小，允许位移大(压缩率40%~60%)。原材料为板材或带材，易于获得，可选用塑性差、弹性好的材料，标准化程度和系列化程度差。

5　结语

波纹管阀的使用越来越多苛刻，对波纹管的材料提出了更高的要求。在选择阀门特殊材料波纹管的过程中，应根据阀门的具体工况选择合适的材料和波纹管成型方法。由于其耐高压、耐高温、耐腐蚀、使用寿命长，特殊材料波纹管将成为阀门波纹管的发展趋势。

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