阀门材料-不锈钢

不锈钢属耐蚀钢，是铁与铬的合金，含有或不含有其他元素，其含铬量至少为10.5%。铬是一种能在钢的表面形成钝化膜的元素，这种钝化膜能保护钢免遭腐蚀。一般阀门用不锈钢基本上可分为奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢与沉淀硬化不锈钢。

1 奥氏体不锈钢

阀门中常用的不锈钢是奥氏体不锈钢，其中18-8型奥氏体不锈钢最为常用，适用温度范围很广，低温可用于-269℃（液氦），高温可达到816℃，常用的温度范围为-196℃（液氮）至700℃。奥氏体不锈钢是通过加入扩大和稳定奥氏体区合金元素，使之在室温维持完全的奥氏体组织的不锈钢。奥氏体不锈钢化学组成有Cr-Ni和Cr-Mn两个系列，根据使用环境的不同再添加Mo、N、Cu、Si、Ti、Nb等元素，形成了许多钢号。

奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性、高温抗氧化性和耐低温性能。因此，奥氏体不锈钢广泛用于制作耐腐蚀阀门、高温阀门和低温阀门。阀门常用的奥氏体不锈钢铸件、锻件材料见表1-1-6，其化学成分见表1-1-7。

1.1 耐腐蚀用奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢的耐腐蚀性是相对的，不是什么样的腐蚀介质它都能承受。金属的腐蚀现象或所谓的耐腐蚀性是根据腐蚀性介质的种类、浓度、温度、压力、流速等环境条件，以及金属本身的性质，即含有成分、加工性、热处理等诸因素的差异而分别有不同的腐蚀状态和腐蚀速度。例如不锈钢具有优良的耐腐蚀性能，可是因为腐蚀环境或使用条件的不同，也可能发生意想不到的腐蚀破坏事故。因此，应充分地了解腐蚀介质和耐腐蚀材料，才能选择合适的耐腐蚀材料。

1.1.1  金属的腐蚀形态

金属的腐蚀形态可分为两大类：均匀（全面）腐蚀和局部腐蚀。均匀（全面）腐蚀包括全面成膜腐蚀和无膜腐蚀。

（1）全面成膜腐蚀：腐蚀在金属的全部或大部分面积上进行，而且生成保护膜，具有保护性。例如：碳素钢在稀硫酸中腐蚀很快，当硫酸浓度大于50%时，腐蚀率达到最大值，此后浓度再继续增大腐蚀率反而下降。这是由于浓硫酸的强氧化性，在钢铁的表面生成一层组织致密的钝化膜，这种钝化膜不溶于浓硫酸，从而起到了阻碍腐蚀作用。

（2）无膜腐蚀：无膜全面腐蚀很危险，因为它保持一定速度全面进行腐蚀。

（3）局部腐蚀：局部腐蚀的形态有十三种，如缝隙腐蚀、脱层腐蚀、晶间腐蚀与应力腐蚀等等。据调查，化工装置中局部腐蚀约占70%。在诸多局部腐蚀的形态中与阀门制造有关且常见的是晶间腐蚀。

一般对均匀腐蚀的程度用腐蚀率表示，但如何评价则有不同规定。

按《石油化工企业管道设计器材选用通则》规定，介质对金属材料的腐蚀速率，管道金属材料的

耐腐蚀能力可分为下列四类：

年腐蚀率不超过0.05mm的材料为充分耐腐蚀性材料；

年腐蚀率在0.05～0.1mm的材料为耐腐蚀性材料；

年腐蚀率在0.1～0.5mm的材料为尚耐腐蚀性材料；

年腐蚀率超过0.5mm的材料为不耐腐蚀性材料。

《腐蚀数据手册》对均匀（全面）腐蚀的耐蚀性用均匀腐蚀率来评价，见表1。

表1 耐蚀性能的评价  

据《金属防腐蚀手册》（中国腐蚀与防护学会）对金属材料耐腐蚀性规定见表2。

表2 金属材料耐腐蚀性的10级标准

（4）晶间腐蚀：在特定介质中，局部地沿着结晶粒子边界向深度方向腐蚀的形式称晶间腐蚀。这种腐蚀，外面看不出腐蚀迹象，严重的晶间腐蚀可以穿过整个机体厚度。

产生晶间腐蚀的原因是当奥氏体不锈钢在500～700℃时，由于沿晶粒边界析出碳化铬Cr23C6或FeCr化合物——称σ相，使晶界周围贫铬，在适合的腐蚀介质（产生晶间腐蚀的介质）中，达不到钝化所需足够的铬含量，就形成碳化铬（阴极）——贫铬区（阳级）电池，使晶界贫铬区产生腐蚀。

由上述可看出产生晶间腐蚀是有条件的。晶间腐蚀其内因是必须有碳化铬或σ相沿晶界析出使晶界贫铬，其外因是必须有腐蚀贫铬区的介质。水和一些中性溶液并不腐蚀贫铬区，所以即使存在贫铬区也不会产生晶间腐蚀。如果晶界不贫铬，即使有产生晶间腐蚀的介质也不会产生晶间腐蚀。所以产生晶间腐蚀的内因、外因缺一不可。

产生贫铬的原因：一是钢水化学成分不合格，如碳高、铬低或含钛、铌的不锈钢中碳钛比或碳铌比不够。二是热处理工艺不正确或焊接或加工时加热至碳化物析出温度，而在900℃至400℃冷却速度不够快而析出碳化物造成贫铬。

1.1.2 控制晶间腐蚀的方法

晶间腐蚀是奥氏体不锈钢最常见的腐蚀，其危害程度极大，在使用时必须给予控制。控制奥氏体不锈钢晶间腐蚀有三种方法：

（1）执行正确的热处理工艺，将钢加热至1100℃水淬（急冷）使碳化物向固溶体中溶解。但是，不同牌号的奥氏体不锈钢其淬火加热温度不完全都是1100℃，执行中要按标准规定。

（2）加入固定碳的元素钛或铌。钛（Ti）和铌（Nb）这两种元素同碳的亲和力大于Cr同碳的亲和力，在高温下生成TiC或NbC，从而减少了Cr的碳化物析出量。

（3）采用含碳量≤0.03%的超低碳不锈钢。

1.1.3 晶间腐蚀检验

晶间腐蚀检验的前提是试样的化学成分合格并经固溶处理。晶间腐蚀检验用的试片是80×18×3（长×宽×厚），上下两平面磨至Ra0.8的薄片，并分为敏化状态试片和交货产品状态试片两种。

敏化试片：将试片在650℃下加热，保温2小时（压力加工件）或1小时（铸件）空冷。

交货产品试片：即试片经固溶处理，实际上是和铸件一同处理的试样上取下来的试片。

判别：试片在酸中浸泡后弯曲90°（铸件）或180°（锻件）若有裂纹则不合格。不合格时铸件要重新处理，然后再作试验，但固溶处理的次数不得超过两次。

奥氏体不锈钢的晶间腐蚀是很严重的，因此一定要按合同要求或按执行的标准来生产不锈钢阀门。

1.2 高温用奥氏体不锈钢

高温是指温度超过350℃以上，高温用钢是指在高温下具有较高强度的钢材。在石油化工装置里，高温并伴有腐蚀的场合就必须使用既耐高温又耐腐蚀的材料。不锈钢18Cr—8Ni～25Cr—20Ni的高温强度高，特别是18—8Ti～18—8Nb等合金元素影响使耐高温性能更为优越。一般在没有耐腐蚀性问题的场合，在规定范围内，含碳量高的不锈钢，其高温强度也高。若在18—8型钢内添加Mo、Nb、Ti等元素可强化基体，Nb、Ti则形成碳化物，从而可改善高温强度。具体各种牌号不锈钢的最高使用温度值要查材料的温压表。

1.3 低温用奥氏体不锈钢

由于奥氏体不锈钢具有优良的低温性能，因此可广泛应用于低温或超低温工况。