控制阀材料的选择

文/马兴平 天津精通控制仪表技术有限公司

控制阀是过程控制系统中由动力操作改变节流件的流通面积，,对流量、压力、温度、液位进行调节的装置为了保证控制阀有效的实现这些功能，必须满足许多条件,例如:选择合适的控制阀类型、结构、材料等，其中材料的选择是十分重要的一个环节。

控制阀阀体、阀盖材料的选择

当工作温度升高时，承压件(阀体、阀盖)的耐压强度会降低，因此控制阀公称压力的选择不仅根据最高工作压力，还要根据最高工作温度，绝不是满足公称压力大于工作压力即可。例如:在火力发电系统中，高压蒸汽的控制阀;炼抽厂催化系统介质为含有硫化氢的高温油用控制阀一般使用温度为425℃-560℃，普通碳钢WCB无法满足要求，根据最高工作温度。需选用高温控制阀用铬佣钢WC6和WC9来满足需要。

表1  铸造碳钢压力-温度额定值

由表1可以看出:

1、普通碳素铸钢WCB不推荐在425℃以上使用；

2、在介质工作温度一定时，铬钼钢WC6、WC9与碳素铸钢WCB相比其最大允许工作压力有较大提高，但最高工作温度为593℃；

3、在介质工作温度≤425℃时铬钼钢WC6、WC9的最大允许工作压力基本相同;在介质工作温度> 425℃时铬钼钢WC9比铬钼钢WC6的最大允许工作压力有较大提高。二者的使用温度不能超过593℃，最好控制在565℃以内，因为有些资料记款，WC9在565℃ - 593℃温度下使用时有生成氧化皮的可能性，这个问题应引起重视。

参考以上三点，根据介质温度选择材料时，为保证满足使用功能，达到最经济的效果，应遵循如下原则:

1 )介质工作温度≤425℃时采用，普通碳钢WCB；

2)介质工作温度在> 425℃ - 500℃时选用铬钼钢WC6或WC9；

3)介质工作温度在500℃ - 593℃时选用铬钼钢WC9；

4)随着火力发电超临界和超超临界锅炉的出现。蒸汽压力和温度均大幅度提高，上述材料已无法满足要求。当前一般采用ASTM A182中的F9、 F91和F92。根据ASME B16.5- 2009规定，最高使用温度可达648℃。

表2、表3 铸造不锈钢压力-温度额定值

表2、表3均摘自GB/T 9124-2000 《钢制管法兰技术条件》，其中表2为美洲公称压力体系，表3为欧洲公称压力体系，但两表中CF8与CF8M材质的最高工作温度下的最高工作压力相差还是很大的。

举例一：Class150磅级对应公制压力等级为PN20,高于公称压力等级PN16，而从表2、表3看出，当材料为铸遣不锈钢CF8,最高工作温度为500℃时，Class150磅级的最大 允许工作压力仅为0.28MPa,而PNI6的最大允许工作压力为0.85MPa在最高工作温度相同条件下，公称压力高的在高温时允许工作压力反而低，公称压力低的在高温时允许工作压力反而高，并且两者相差近3倍。

举例二: Class600磅级对应公制公称压力等级为PN110，高于公称压力等级PN100，而由表2、表3看出，当材料为铸造不锈钢CF8M时，在任意工作温度下，Class600磅级的最大允许工作压力均低于公称压力PN100的最大允许工作压力，且铸造不锈钢CF8和CP8M在不同工作温度下的此值也有较大误差。Class磅级公称压力中CF8和CF8M在相同工作温度条件下，CF8M比CF8的最大允许工作压力差出现在Class600磅级，是由5.3MPa提高到5.65MPa,只提高了6.4%，而公制公称压力中CP8M比CF8的最大允许工作压力差出现在PN63压力等级，是由3.53MPa提高到4.6MPa，提高了32%。

同为一个国家标准，基本要求的不一致将会给设计、制造和使用单位在材料选择中带来一定难题。 根据以上问题，本人建议:

1)在没有确切试验数据条件下，最高工作温度下的最大允许工作压力应选用数值较小者，以确保使用安全；

2)建议GB/T 9124- 2000《钢制管法兰技术条件》修订时，认真考虑此问题。

控制阀阀内件材料的选择

阀内件是指控制阀内与介质按触的零部件，如阀芯、阀座、阀杆、阀塞、套筒、阀座环等，不同类型的控制阀阀内件名称也不尽相同。阀内件材料的选择是根据承压件材料的情况、介质特性、结构特点、阀内件所起的作用及受力情况综合考虑的。本文主要谈阀内件中密封副材料的选择：

密封副通常指单座阀的阀芯、阀座(阀座环);笼式阀的阀塞、套筒(阀座环)；球阀的球芯、阀座；蝶阀的阀板、阀座等。密封副是控制阀主要工作面,选材是否合理以及它的质量状况直接影响控制阀的功能和寿命。

由于控制阀用途十分广泛，因此控制阀的密封副工作条件差异很大。压力可从真空至42MPa，温度从-196℃ - 593℃，工作介质从非腐蚀性介质到各种酸碱等强腐蚀介质。从密封副受力情况看它主要是受挤压和剪切力，从摩擦学角度看有磨粒磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、冲蚀、擦伤等。因此应根据不同工作条件选择相适应的密封副材料。理想的密封副材料要耐腐蚀，抗擦伤，耐冲蚀，有足够的挤压强度，在高温下有足够的抗氧化性和抗热疲劳性，与承压件有相近似的热膨胀系数，有良好的加工性能和焊接性能等。

原国内联合设计控制阀的密封副，为防止生锈一般采用304不锈钢和316不锈钢制造，但由于密封副材料相同，且无法硬化，在研磨过程中，极易产生擦伤(密封副在相对运动过程中，材料因摩擦引起的破坏)。在现场高温条件运行中，笼式阀经常发生阀笼和阀塞抱死现象。为解决以上问题，在使用量大面广的非腐蚀性介质中，尽量使用不同材料的密封副及进行硬化处理。表4列出了Fisher公司用于非腐蚀性介质的阀内件材料选配表。

由于416不锈钢为马氏体不锈钢，加工性能好，价格比304、316低很多，且能够硬化处理。这种密封副匹配后既降低了成本，又提高了零件表面硬度，使得密封副耐磨粒磨损、表面疲劳磨损、耐冲蚀和抗擦伤能力大大提高，是国内生产企业非常值得借鉴的一种密封副材料选择。API600 《石油和天然气工业用栓接阀盖的钢制闸阀》规定: Cr13的内件密封面最低硬度为HB≥250，而密封面间最小硬度差HB50，是非常科学的。

为了提高控制阀的使用寿命，在保证扰腐蚀前提下，提高密封副材料的硬度，提高密封副两个零件的硬度差，都是提高使用寿命的有效手段。为降低成本和维修方便，通常把密封副中形状复杂。加工难度大，价值高的零件作为较硬的一方，如笼式阀的阀笼，球阀的球芯等；而另一方可采用稍微软一些的材料制造，笼式阀的阀芯、球阀的阀座等，由于这些零件的成本较低，制造容易，可以作为维修中的易损件处理。

为提高密封副硬度，可采用如下方法处理: .

1)可采用堆焊司太莱硬质合金，小口径控制阀密封副也可采用整体硬质合金压制成型。

2)可采用等离子喷焊密封副表面，常用的有铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末等。

3)采用表面处理的方法，提高表面硬度，常用的表面处理方法有镀硬铬，化学镀镍，镀镍磷合金，氮化处理，渗碳化钨等。

4)选用热处理后硬度提高较大的材料，如17-4PH硬化不锈钢，416马氏体不锈钢等。

控制阀填料材料的选择

填料材料的选择填料是动密封的填充材料，用来填充填料函的空间，以防止介质经阀杆或填料函内壁泄漏。填料是控制阀的重要部件之一，它是防止介质外漏的关键。要想达到理想的密封效果，必须考虑填料的材质、结构、合理的安装方式等。本文只讨论填料的材质。

控制阀常用填料按材质区分主要有以下几种:

1)聚四氟乙烯成型填料；

2)聚四氟乙烯棒、丝、带填料；

3)柔性石墨环成型填料；

4)柔性石墨与金属编织填料；

5)石棉填料。

聚四氟乙烯成型填料：聚四氟乙烯成型填料一般设计成V型，多用于直行程控制阀。聚四氟乙烯具有极低的摩擦系数，是控制阀最常用的填料之一。用在普通型阀盖中，介质温度应控制在-18℃ -232℃，用在加长型或散热性阀盖中，介质温度应控制在-101℃ -427℃，一般要求长期使用时，填料部分的温度应控制在180℃以下，间歇使用时填料部分的温度应控制在200℃以下，超过此温度聚四氟乙烯填料会软化，失去密封作用。聚四氟乙烯填料不能用于熔融状态的碱金属，以及高温的氟、氟化氢等介质。

聚四氟乙烯棒、丝、带填料：经常发生介质由填料部分外漏现象，很多工况不允许停车检修。使用时，将填料压板和填料压盖松开，在填料压盖下方均匀的缠上聚四氟乙烯棒、丝、带，再将填料压盖和填料压板复位并紧固，就可有效的防止外漏。也可将聚四氟乙烯棒、丝、带编织成矩形条当做成型填料使用。主要用于旋转类控制阀。使用时应注意尽量用坡口连接，且每层填料的切口要错开。聚四氟乙烯棒、丝、带填料的使用温度与聚四氟乙烯成型填料基本相同。

柔性石墨环成型填料：柔性石墨环成型填料是用石墨压制成型的，直行程与角行程控制阀大量使用。它具有密封性能好、化学惰性强、耐腐蚀等优点。柔性石墨环成型填料最大优点是可耐-196℃ - 815℃的高低温，而且在其它零部件耐温允许的条件下，可不采用加长型或散热型阀盖。柔性石墨环成型填料的缺点：一是摩擦力比聚四氟乙烯成型填料大得多：二是石墨材料很容易粘在阀杆上,使填料区产生刮瘾并增加阻力引起外漏：三是柔性石墨环成型填料在王水、浓硫酸、浓硝酸等介质中不适用。

柔性石墨与金属编织填料：柔性石墨与金属编织填料在直行程与角行程控制阀上均可使用。它是由铜丝、不锈钢丝、蒙乃尔丝、因科镍尔丝等与石墨丝编织而成的，是目前中、高档控制阀常用填料之一。它的各项物理性能与柔性石墨环成型填料相似。由于它是由柔性石墨与金属丝编织而成的，所以在阀杆动作时，金属丝可以将粘附在阀杆上的石墨材料刮下来。但由于柔性石墨与金属编织填料容易导致填料函内产生空隙，导致渗漏。因此，一般情况下是将柔性石墨与金属编织填料与柔性石墨环成型填料配合使用。将柔性石墨环成型填料装在两端，中间放置柔性石墨与金属编织填料，这样就可将二者缺点克服，优点融合了。

石棉填料：石棉填料密封性好、耐腐蚀、摩擦系数小于柔性石墨。石棉填料分为纯石棉和复合石棉两种，复合石棉主要是石棉与橡胶、石棉与聚四氟乙烯、棉与石墨合成的，由于复合石棉填料是由石橡与其他材料压制成丝(绳)状的，所以多数场合无需将控制阀解体，就可在线维修。国内外很多企业将复合石棉压制成环状，作为成型填料使用。

注意事项: 

1)由于石棉粉尘及石棉加工、制作、使用过程中对人体和环境危害极大，因此欧美国家已经明令禁止制造和使用石棉填料，产品如出口到以上国家，不许使用石棉填料。我国也正在准备出台逐步淘汰石棉制品的政策法规。

2)控制阀填料部分的密封，不仅取决于填料材质的选择，填料函的尺寸精度，表面粗糙度，阀杆的尺寸精度、表面粗糙度也是影响填料密封的关键。

控制阀材料的合理选用是一项非常复杂的工作，在实际应用中，应借鉴国内外先进技术，根据本企业实际情况选择出在满足使用功能前提下，具有良好经济性、工艺性的材料。