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2 0 0 9 年第3 期 阀 门 文章编号 1 0 0 2 - 5 8 5 5 2 0 0 9 0 3 - 0 0 2 3 - 0 3 阀门用特种材料波纹管 张文良 。 周湘君 ， 罗淑芬 ． 黄乃宁。 。 宋林红 ， 李敏。 。 赫斌‘ ， 王雷 ， 张大林 1 ．沈阳仪表科学研究院． 辽宁 沈阳 1 1 0 0 4 3 ； 2 ．沈阳盛世高中压阀门有限公司。 辽宁 沈阳 1 1 0 1 4 2 J 摘要介绍了适合于制造波纹管的几种特殊金属材料， 分析了几种材料的化学成分特点， 耐高 温性能， 耐腐蚀性能 ， 探讨 了液压波纹管与焊接波纹管的差异， 指 出了阀门用波纹管的发展 方向。 关键词波纹管； 特种材料 ； 高压； 高温； 腐蚀 中图分类号 T I 1 1 3 4 文献标识码 A S p e c i a l ma t e r i a l b e l l o ws f o r v a l v e Z H A NG We n l i a n g ， z HO u Xi a n g - j u n ， L UO S h u - f e n ， H U A NG Na i n i n g ‘ ， S ONG Li n ． h o n g ， LI Mi n ， HE Bi n 。 ，Ⅵ NG Xu e ， ZHANG Da ． 1 i n。 1 ． S h e n y a n g A c a d e my o f I n s t r u m e n t a t i o n S c i e n c e ， S h e n y a n g 1 1 0 0 4 3 ， C h i n a ； 2 ． S h e n y a n g S h e n g s h i H i g h Me d i u m P f e s s i l l V a l v e C o ． ， L t d ． S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 ， C h i n a Ab s t r a c t S e v e r a l s p e c i a l me t a l ma t e r i als of be l l o ws f o r v alv e we r e i nt r o d u c e d． Ch a r a c t e r i s tic s o f ma t e r i a l a l o n g wi t h c h e mi c a l c o n s t i t u e n t s ， c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a n d h i g h t e mp e r a t u r e r e s i s t a n c e we re e x p o u n d e d． Th e d i f f e r e n c e s b e t we e n h y d r o f o r me d b e l l o ws an d we l d e d be l l ows we re d i s c us s e d． De v e l o p me n t d i r e c ti o n o fbe l l o ws f o r v a l v e wa s i n d i c a t e d i n t h i s pa p e r ． Ke y wo r d s bel l o ws ； s p e c i al ma t e r i al； hig h p r e s s u r e； hig h t e mper a t u r e ； c o r r o s i o n l 概述 在金属波纹管阀门中， 金属波纹管组件在阀杆 与阀体内的工艺流体之间提供了可轴向移动的金属 壳体， 形成动密封⋯。波纹管在承受阀杆的压缩与 拉伸的同时承受介质的压力、 温度和腐蚀， 确保阀门 在寿命周期内实现零泄漏。随着波纹管在阀门行业 的普遍应用 ， 对波纹管 的技术要求也不断提高。阀 门用金属波纹管不断向耐高压、 耐高温、 耐腐蚀和长 寿命方向发展。 2 波纹管材料要求 2 ． 1 基本要求 适于生产波纹管的材料必须具有 良好的塑性 、 高的弹性极限、 抗拉强度和疲劳强度， 良好的焊接性 能， 稳定的弹性性能【 2 】 。奥 氏体不锈钢因具有这些 性能特点 ， 被广泛用于制造波纹管。 2 ． 2 耐高压 耐压是对阀门及波纹管的基本要求， 但随着阀 门压力等级的升高， 波纹管壁厚增加和刚度加大， 给 阀门开启及波纹管制造都增加了难度。波纹管生产 厂家一般不单纯增加壁厚 ， 而是通过增加层数 的方 法提高产品耐压力 ， 同时降低 了波纹管的轴向刚度， 减小阀门开启力。公称压力 1 5 Me a 9 0 0 1 b 以下的 奥氏体不锈钢材料波纹管壁厚范围一般为0 ． 1 0 ． 3 mm， 层数 1 6层。该压力等级下的波纹管具有 一 定通用性 ， 已形成系列产 品。当压力达到 2 5 MP a 1 5 0 0 1 b 以上时 ， 要根据阀门口径和工作温度选择 合适的材料 】 ， 由波纹管专业生产厂家设计生产。 2 ． 3 耐腐蚀 非金属材料耐腐蚀性能优良， 衬氟塑防腐阀门 应用广泛， 四氟波纹管阀门也有一定的应用领域。 但因非金属材料强度和耐热性都较低 ， 一般使用温 度不超过 1 5 0 C， 应用范围受到限制H 】 。以 3 0 4 、 3 1 6 L为代表的奥氏体不锈钢可以应对腐蚀性较弱 的工况， 但要对抗例如氯碱行业的湿氯腐蚀以及其 作者简介 张文 良 1 9 7 5一 ， 男 ， 工程师 ， 主要从 事金属波纹管设计、 制造和应用研究。 一 2 4一 阀 门 2 0 0 9 年第3 期 他苛刻腐蚀性工况时， 必须采用耐腐蚀性能优良的 耐腐蚀合金材料。耐蚀合金的耐点蚀以及缝隙腐蚀 的能力常用耐点腐当量 P R E 值表征， P R E值根据 式 1 计算。 P R E％C r 3 ． 3％Mo1 6％N 1 P R E值越高， 合金的临界缝隙腐蚀温度 C C T 和临界点蚀温度 c e r 越高。从表 l可以看到， 几种 耐蚀合金的P R E值较3 0 4 和3 1 6 L的P R E值高很多。 表 1 材料的机械性能与抗点蚀当量 2 ． 4 耐高温 工作温度高于4 5 0 ℃的阀门称为高温阀门 】 。 奥氏体不锈钢的推荐工作温度最高为4 O O ℃，所以 高温阀门必须选用耐高温合金材料。 3 特种材料波纹管 3 ． 1 特种材料 1 Ni C u合金 约含 7 0 ％Ni 和 3 0 ％C u的镍铜合金 素以蒙乃 尔 Mo n e 1 之名著称。典型的 Mo n e l4 0 0合金的 化学成分如表2所示。 Mo n e l 合金主要用于弱还原性溶剂 ，特别是氢 氟酸，对强碱及流动的海水也具有优良的耐腐蚀性 能。Mo n e l 合金也适用于干燥氯气、氯化氢气、高 温氯气 4 2 5 ℃及高温氯化氢 4 5 0 oC等介质。 Mo n e l 在潮湿的环境中会受到氧化性酸类、氯化物 和铵盐的浸蚀 ，所 以在氧化性的水溶液 中不耐蚀 。 另外 ，它在熔融性苛性碱中会产生应力腐蚀。Mo ． n e l 合金的适宜工作温度为4 8 0 oC以下。 表2 Mo n e l 4 0 0合金化学成分 Wt ％ 成分 Ni F e C Mn S i C u AI S 最多 2 ． 5 0 ． 1 6 2 ． 0 0 0 ． 5 0 3 4 ． 0 0 ． 5 0 ． 0 2 2 Ni C r Mo合金 含钼的镍基合金 ，也称 哈 氏合金 。哈 氏 C一 2 7 6 合金因具有优异的综合性能，既可以用于氧化 介质又可用于还原介质的环境 当中，因此被广泛的 应用。C一2 7 6合金 主要耐湿氯 、各种氧化性 氯化 物、氯化盐溶液 、硫酸与氧化性盐 ，在低温与中温 盐酸中均有很好的耐蚀性能。C一2 7 6并不具备足 够的热稳定性 ，在 6 5 01 0 9 0 o C温度范围内长时间 超过 1 0 m i n 时效后 ，会在晶界析 出碳化物或金 属间化合物 ，造成 晶间腐蚀 。C一 2 7 6合金的化学 成分如表 3 所示。I n c o n e 16 2 5 合金是一种含有大量 铬 2 0 Wt ％ 一2 5 Wt ％ 、钼 8 Wt ％ ～1 0 Wt ％ 、 铁 5 Wt ％ 、并以铌 3 ． 5 Wt ％ 一 4 ． 5 Wt ％为主 要添加元素的镍铁基奥氏体变形合金 ，化学成分如 表 3所示。6 2 5合金 中加入铌提高 了抗 晶间腐蚀 的 热稳定性。铬含量较 C一 2 7 6合金高，提高了合金 在许多强氧化性介质中的耐蚀性，如沸腾的硝酸。 6 2 5合金 以钼和铌 为主要 强化元素 的固溶 强化合 金 ，使用温度一般不超过 6 5 0 o C。 表 3哈氏 C一 6与 l n e o n e 1 6 2 5合金的化学成分 Wt ％ 3 F e C r 合金 I n c o l o y 8 2 5 合金是一种添加了钼、铜和钛的镍 一 铁 一 铬固溶强化合金，化学成分如表4所示。一 般合金中镍质量分数不低于 3 0 ％，而 镍 铁 质量分数不低于 6 5 ％，因此 8 2 5合金有时又被称 为镍铁基合金。8 2 5 合金主要用于抗氧化性介质的 腐蚀。由于材料中加入钛元素，其稳定性大大提 高，并且由于有较低的碳含量，从而避免了正常使 用的腐蚀性环境中由于焊接热影响区中碳化物沉淀 而受到浸蚀。合金中的镍含量足以使之抗奥氏体所 受到的应力腐蚀开裂。8 2 5使用温度一般不超过 55 0o c ，6 5 0 7 6 0 C为材料的严重敏化温度范围。 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 0 0 9 年第3 期 阀 门 I n c o n e l7 1 8 合金是时效强化的镍铁铬基变形高 温合金，在6 5 0 ℃以下的强度居高温合金之首，并 具有良好的抗热疲劳、抗氧化、抗辐射和冷、热加 工性能 ．是应用最为广泛的高温合金之一 ，化学成 分如表4 所示。合金是在固溶合金基础上，通过填 加较多的 、T i 和 N b等元素而发展成 的。这些 元素除强化固溶体外 ，还与镍结合形成共格稳定、 成分复杂的金属间化合物，同时铝、铜、硼元素与 碳形成各种碳化物使合金的热强性大大提高。合金 的强度主要来源于基体中均匀分布的强化相 及 少量的 ， ，在 6 5 0 o C的温度范围内具有 良好 的力学 性能、耐腐蚀性能和抗蠕变性能 ，在 6 5 0 oC以上 使用时合金中的主要强化相 y ” 易于粗化和转化为 8 相使合金性能降低或失效 J 。 表4 I n c o n e 1 8 2 5与 I n c o n e l 7 1 8的化学成分 Wt ％ 4 双相不锈钢 双相不锈钢 由奥 氏体 和铁素体约各 占 5 0 ％ 的 组织组成，奥 氏体的存在降低了高铬铁素体钢的脆 性和氢脆，提高了双相不锈钢的韧性。铁素体存在 提高了奥氏体钢的屈服强度、抗晶问腐蚀和应力腐 蚀的能力 J 。 双相不锈钢在氯化物、硫化物中具有高的抗应 力腐蚀开裂的能力，有效地解决 了长期以来困扰奥 氏体不锈钢因局部腐蚀所致的失效问题。使用量较 大的 S A F 2 2 0 5双相不锈钢的化学成分如表 5所示 ， 该材料存在4 7 5 ℃脆性温度区，使用温度一般不超 过 3 0 0 ℃ 。 表 5 双相不锈钢 2 2 0 5的化学成分 wt ％ C S i M n C}Nj M o N ≤ 0 ． 0 3 1 ． 0 2 ． 0 2 2 5 4 0 ． 1 4 5 钛 钛是一种钝化倾向很强的金属，极易与氧反应 而在其表面生成一层氧化膜。在许多腐蚀性介质 中，这种氧化膜是很稳定的，较难溶解，即使遭到 破坏 ，只要有充足的氧，也能迅速 自动恢复。因此 钛在氧化性 、中性介质中具有优异的耐腐蚀性。工 业纯钛 T A 2的化学成分如表6所示。 表 6 钛的化学成分 wt ％ A S ME把变形工业纯钛及低合金钛的应用温度 上限设定为 3 1 6 C c 】 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 ，并通过随后 的处理得到高 的弹性和强 度。然而很多特殊材料并不具备这样的特性 ，给波 纹管设计生产带来很多困难。例如双相不锈钢 ，屈 强比 屈服强度／抗拉强度 高 ，冷成型回弹量较 3 0 0系奥氏体不锈钢大，冷作硬化倾向较3 0 0系奥 氏体不锈钢严重。当波纹管的外径与内径的比超过 一 定值时，要采取两次成型及两次固溶处理 的方法 进行波纹管成型。同样 ，钛的抗拉强度与其屈服强 度接近，在波纹管成型时塑性变形差。同时，钛的 屈服极限与弹性模量的比值大 ，使钛成型时的回弹 能力大。用这样的材料制造 的波纹管 ，成型后的回 弹量很难预测和计算 ，通过整形的方法几何尺寸也 很难满足最初的设计方案。因此 ，有些特殊材料虽 然可以用来制造波纹管却很难得到普遍的应用。用 户在选用波纹管时，应综合考虑阀门介质的腐蚀性 能、温度、压力等尽量选用成型性能好的材料。 3 ． 3 焊接特性 液压波纹管用无缝管坯或有纵向焊缝的有缝管 坯制成，有缝管坯要求焊接接头的屈服强度与伸长 率与母材相当。焊接波纹管是把预先冲制的环状膜 片沿其内外边缘交替焊接而制成。阀门用波纹管两 端一般需要以各种接 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并不相同。因 此，阀门用波纹管的材料本身要具有良 好的焊接性 能，在与阀杆等结构件焊接时应具有可焊性。与波 纹管焊接的结构件应尽量选用与波纹管相同的材料 或性能接近、可焊性 良好的异种材料。 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 I 下转第3 9页 2 0 0 9 年第3 期 阀 门 一 3 9一 ④当高压旁路减温减压阀 B P 、高压旁路喷 水隔离阎 B D和高压旁路喷水调节阀 B P E 都处于关 闭状态下，减温减压 阀的出 口管道 阀 后内介质温度低于再热器冷端运行工作温度，并 且高压旁路喷水调节阀 B P E 的出口 支管温度近 似于高压旁路喷水隔离阀 B D的进 口支管温 度， 则高压旁路喷水调节阀和高压旁路喷水隔离阀 有泄漏现象，应寻找泄漏原因采取相应调整措施进 行修复。 ⑤当低压旁路减压阀 L B P 和喷水调节阀 L B P E 密封面处有泄漏现象，应 寻找泄漏原因 采取相应调整措施进行修复。 2 考核运行阶段 机组首次作起动、调试和考核运行时 ，汽机旁 路系统阀门应根据 电厂运行指令进入热备用或投 入 ，只有通过旁路系统阀门热态投运调试才能验证 旁路系统所设计的功能，根据调试所采集的数据来 修正旁路系统参数，使旁路系统处于最佳状态。 ①高压旁路系统阀门热态试验根据机组的启 动曲线进行 ，并记录减温减压阀 B P 介质进出 口压 力和 温度及 阀 流量 和开 度值 、喷 水 隔离 阀 B D介质进 口压力和温度及阀门流量和开度值 、 喷水流量调节阀 B P E 的阀门开度值与机组运行 负荷值。 ②低压旁路系统阀门热态试验根据机组运行 状态进行，并记录减温减压阀 L B P 介质进口压 力和温度及阀门流量及开度值与喷水调节阀 L B P E 的进口压力和温度及阀门流量及开度值。 ③调整阀门和电动执行机构出厂前都己作过 联动调试，各阀门相应的启闭力矩和行程都按设计 要求进行了整定，但经运输、安装后，热态调试时 可能会发现漂移或与实际需要有些偏差，则可在铭 牌和说明书中所示允许范围内进行适当调整，以符 合实际工况要求，保证旁路正常投运。 7 结语 旁路系统的设置应根据锅炉及汽机的机组特 性、功能要求、技术经济比较等多方面因素来选 择，鉴于我国实际情况，旁路的设置应以实用、可 靠、少投资为原则。国产旁路系统在业绩、引进技 术的双重支撑下 ，有较高的实用性 、可靠性 ，价格 比进 口产品低很多。 参 考 文 献 1 】 郭彩应，等．湖南省 3 0 0 MW 机组汽机旁路系统设置分析 [ J 】 ．湖南电力技术， 2 0 0 2 3 ． [ 2 ] 张邵清，等．3 0 0 M W 机组汽机旁路系统类型和容量选择的 探讨 [ J ] ．山东电力技术， 2 0 0 7 1 ． 3 】 田丰．国 产引 进型 3 0 0 MW 机组 汽 轮 机甩 负荷 试 验研 究 [ J ] ．电力建设， 2 0 0 4 9 ． [ 4 ] 杨源泉．阀门设计手册 [ M] ．北京机械工业出版社， l 9 9 2 ． 收稿 日期 2 0 0 9 ． 0 2 ． 0 9 上接 第2 5页 和焊接成型两种 们。液压波纹管通过增加层数提 高耐压力，耐压性能好。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 1 5 ％ ～ 2 0 ％ 。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较高 ，国内小直径有缝管生产 工艺不成熟。液压波纹管标准化 和系列化程度高 ， 用户可根据专业生产厂家样本选型。焊接波纹管一 般为单层或双层，耐压性受限制。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 压缩率达 4 0 ％ 一 6 0 ％ 。原材料为板材或带 材，比较容易获得，并且可以选用塑性差而弹性性 能好的材料，标准化和系列化程度差。 5 结语 波纹管阀门的使用工况越来越苛刻，对波纹管 的材料提出了更高要求。在阀门用特种材料波纹管 选用过程中，要根据阀门具体工况，选择合适的材 料和波纹管成型方法。阀门用特种材料波纹管因具 有耐高压、耐高温、耐腐蚀、长寿命的特点，必将 成为阀用波纹管的发展趋势。 参 考 文 献 [ 1 ] 黄乃宁。等．阀门用金属波纹管疲劳寿命的有限元分析 [ J 】 ．阀门， 2 0 0 8 5 3 O 一 3 4 ， 【 2 ] 徐开先．波纹管类组件的制造及其应用 [ M】 ．北京 机械 工业 出版社 ．1 9 9 8 ． [ 3 】 高开科．金属波纹管阀门的设计 [ J ] ．阀门，2 0 0 5 2 9一i 0． 4 ] 王朝晖，王祥 ， 李钦华．金属阀门防腐蚀措施 [ J ] ．阀门， 2 0 o 6 4 3 9 4 1 ． [ 5】 乐精华．高温阀门的高温 等级和主体材料 [ J 】 ．阀门。 2 0 0 3 6 1 0一l 4 ． 6 ] 刘六法，等．退火对 In c o n e l 7 1 8 合金氢脆特性的影响 [ J ． 稀有金属材料与工程 ， 2 0 0 5 ， 3 4 6 9 5 4 9 5 8 ． 7 】 陈伟，等．热处理工艺对 I n c o n c l 7 1 8 C改型合金组织和性能 的影响 [ J 】 ．金属热处理， 2 0 0 7 ，3 2 6 8 1 一 s 7 ． [ 8 张京海．双相不锈钢焊接技术状况 [ J 】 ．材料开发与应用， 1 9 9 5 ，1 0 5 2 5 2 9 ． 【 9 ] 梁绪发．钛制阀门的设计特点 [ J ] ．阀门， 2 0 0 4 5 1 62 3 ． [ 1 0 林国栋。 李敏，张大林．阀门用金属波纹管的选型及应用 [ J ] ．阀门， 2 0 0 7 1 2 9 3 2 ． 收稿 日期 2 o o 9 ． o 2 ． O 1 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载