控制阀的材料包括阀体材料、阀内件材料和各种非金属材料。
一、阀体材料
阀体材料性能应不低于管道材料。常用的阀体材料分为碳钢、低温碳钢、合金钢、不锈钢和镍基合金等。
依据材料成型工艺又可分为铸件和锻件。
1. 碳钢
碳钢是一种应用广泛的金属材料,常用于气体、液体和蒸汽等非腐蚀性的介质。
在ASTM A216/A216M 里有WCA、WCB 和WCC,其中WCA 为较低强度,WCB 为中等强度,WCC 为较高强度。阀体材料通常选用WCB,也可选用WCC。当强度要求较高时,阀体材料应选用锻件A105。碳钢适用温度是-29~425℃,若在425℃以上长期应用,其中的碳化物会有石墨化倾向。
2. 低温碳钢
低温碳钢适用的温度范围是-46 ~343℃。用作阀体材料时,多使用ASTM A352/A352M 里的LCB 和LCC,低温碳钢的锻件标准是ASTM A350/A350M。
3. 合金钢
合金钢又称为铬钼钢,材料中含有铬、钼等合金元素,具有耐高温、抗氧化、抗氢脆等性能,广泛地运用于电厂、炼油、化工行业等高温和含氢工况中。
最为常用铸件材料的是ASTM A217/A217M 中WC6、WC9、C5 和C12A,其中C5 具有良好的高温抗硫腐蚀性能。以上四个牌号对应的锻件是ASTM A182/A182M 中的F11、F22、F5A 和F91。WC6 和WC9 适用的温度范围是-29~593℃,C5 和C12A 适用的温度范围是-29~649℃。在-29~475℃内,合金钢的承压能力比不锈钢好。
4. 不锈钢
不锈钢通常分为奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。马氏体、铁素体和沉淀硬化不锈钢较少用作阀体材料。
奥氏体不锈钢具有韧性好、耐腐蚀、耐高温氧化和耐低温等特点,其中ASTM A351 CF8/CF8M (304/316)以及A351 CF3/CF3M (近似304L/316L)是常用不锈钢阀体材料,温度范围-254~816℃。需要指出的是,A351 CF3/CF3M 承压性能与304/316 相同,耐腐蚀性能与304L/316L 相同。
双相不锈钢同时兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点,韧性好、强度高、耐腐蚀,通常用于氧气或氯离子含量高的工况(如海水)。常用的材料有ASTM A995 CD3MN 和A995 CD3MWCuN,前者的使用温度不能超过315℃。
5. 镍基合金
镍基合金主要用在强氧化性、强腐蚀性、高温腐蚀等恶劣工况中。常用的镍基合金包括镍铜合金(Monel)、镍铬铁合金(Inconel、Alloy 20)、镍钼合金(哈氏合金B 系列,Hastelloy B2)、镍铬钼合金(哈氏合金C 系列,Hastlloy C-276)等。
① Monel 适用于纯氧气、强碱、盐溶液和氢氟酸等介质,不适用于强氧化性酸溶液。
② Inconel 高温抗氧化性能好,适用于氧化或还原环境的腐蚀性介质。
③ Alloy 20 用于各种温度和浓度的硫酸、磷酸和醋酸等介质。
④ Hastelloy B 适用盐酸溶液和硫酸溶液等介质。
⑤ Hastelloy C 适用于强氧化性或还原性介质。
6. 镍铝青铜合金
镍铝青铜合金具有较高的耐海水腐蚀和抗空泡腐蚀性能,是螺旋桨材料的主力军.
镍铝青铜耐海水均匀腐蚀、空泡腐蚀和腐蚀疲劳强度的性能与超级不锈钢相当，并具有优良的导热、导电性能，良好的耐磨损性能、焊接性能和抗海生物污损能力，而且价格低廉。因此从价格和腐蚀性能角度考虑，镍铝青铜完全满足海水管系的需要，而且其应用范围还在逐渐扩大，主要用于海水管系及其配套管件(泵、阀等)方面。
另外，镍铝青铜合金也可应用于海水淡化方面，但因合金中的铜易生成重金属离子使其在这一方面的应用受到限制。
镍铝青铜的熔体流动性好，不容易产生枝晶偏析，缩松倾向小。但它的体收缩倾向大，易形成集中缩孔。同时，镍铝青铜在熔铸过程中因铝含量较高而氧化倾向严重，并且吸气倾向较大，易形成分散气孔。
二、阀内件材料
控制阀阀内件包括阀芯、阀座、阀杆、衬套、密封环和填料函等。阀内件材料应根据工况(温度、压力、压差、流速)、流体特性(腐蚀、磨蚀、磨损、冲刷)及闪蒸、空化和泄漏等级等因素综合选择。
1. 阀芯和阀座
阀芯和阀座常用金属材料包括合金钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢和镍基合金等。
常用的马氏体不锈钢有410 和440C。其强度高,耐磨性好,硬度最高可达HRC58。
常用的沉淀硬化不锈钢是17-4PH,具有强度高、抗腐蚀好等特性,经热处理后硬度可达40HRC,但使用温度不高于427℃。
根据流体工况,阀芯和阀座要进行硬化处理。硬化处理有以下几种方法。
(1)热处理
经过热处理后,17-4PH、410、440C 等材料的硬度会有所提高。例如17-4PH 热处理后的硬度可达40HRC。
(2)堆焊硬化层(STELLITE 合金)
在304 和316 等不锈钢上堆焊STELLITE 合金。一种是在阀芯和阀座的密封面上堆焊(称部分堆焊),另一种是在阀芯和阀座全部堆焊。
(3)表面硬化处理
表面硬化处理包括喷涂硬质合金和渗氮处理。将硬质合金喷涂到基体上,表面硬度可达65HRC。渗氮处理后的表面硬度可达60HRC。
常用的软阀座材料包括塑料和橡胶。塑料包括聚四氟乙烯(PTFE)、增强型聚四氟乙烯(RTFE)、聚全氟乙烯(F46)和聚醚醚酮(PEEK)等。橡胶包括氯丁橡胶(CR)、丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)和氟橡胶(FKM)等。
2. 阀杆
在阀门开启和关闭过程中,阀杆承受拉、压和扭转作用力,并与介质直接接触,同时和填料之间还有相对的摩擦运动,阀杆材料在规定温度下有足够的强度、冲击韧性、耐腐蚀性和抗擦伤性。
阀杆常用的材料有410、440C、17-4PH、Nitronic 50 与Inconel 660 等。
3. 其他材料
其他材料主要是用于执行机构的膜片、密封填料、垫片、O 形环和衬里等。
填料是用来填充填料函的空间,防止介质由阀杆和填料函间隙泄漏。目前主要有V 形聚四氟乙烯填料和石墨片(丝)填料两种。聚四氟乙烯摩擦系数小,密封性好,耐腐蚀性能优良。缺点是耐磨性差,温度不能过高。聚四氟乙烯填料的使用温度范围为-40~+232℃。石墨的密封性好、化学惰性强、耐腐蚀,适用于大部分的难处理流体,多应用于高温场合,缺点是对阀杆的摩擦力较大。石墨填料使用温度范围为-198~649℃。
垫片、O 形环主要用于提高阀门内件的密封性能,一般使用非金属材料如氟橡胶、石墨、碳纤维、聚四氟乙烯等。当因工况温度较高或介质原因不能使用橡胶或塑料时,可选择金属材料与非金属材料的组合。
三、常用材料表
典型的阀内件材料适用温度范围见表1。
常温下阀内件材料的硬度及耐腐蚀性比较见表2。