抗硫閥門抗硫處理

                           抗硫閥門抗硫處理

                       上海申弘閥門有限公司

1概述
由于石油生產的酸性工況環境，對其設備上閥門的金屬材料防硫化氫裂紋提出了較高的要求。本文主要探討閥門行業常用的美國防腐蝕工程協會（NACE）頒布的用于抗硫化應力開裂的相關金屬材料標準。閥體、閥蓋材質的選擇是以流動介質的溫度、壓力、腐蝕性和沖刷性為依據的，宜選擇與連接管道上的閥門材質相同，至少為碳鋼，一般口徑小于等于DN40的閥門采用鍛鋼。閥內件材質的選擇：對于有腐蝕性的介質，或者有閥蒸、氣蝕的場合、或者對于高差壓調節閥    (△P≥35kgf/cm2或500Psig)時，均應采用經過硬化處理的閥芯（如316+Slite，或316+鎢鉻鈷合金）。抗硫閘閥滿足了在硫化環境下的抗硫應力裂化要求,內件材料采用耐酸性材質,,封圈采用聚合物作密封材料,適應較寬的溫度及壓力范圍. 上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。在設計選材及試驗嚴格按照標準要求進行,耐腐蝕抗硫化能力強，密封性能穩定，具有良好的防火，防靜電性能。抗硫閘閥規格，壓力，全通徑與縮徑齊備，是化工煉油，油氣開采等流程系統的理想閥門。

2常用標準
硫化應力開裂（SSC）是存在水和H2S時，在拉伸應力和腐蝕共同作用下所出現的金屬開裂。開裂緣由金屬表面吸收了硫腐蝕反應所產生的原子氫導致氫應力開裂的一種形式。SSC的敏感性主要與材料的強度（用硬度表示）有關。通常認為，高硬度的材料具有較高的SSC開裂敏感性。
閥門行業防SSC常用的NACE材料標準有NACEMR0175、NACEMR0103、NACEMR0177、NACEMR0175/ISO15156.1、NACEMR0175/ISO15156.2、NACEMR0175/ISO15156.3和NACETM0284等。3標準分析
閥門招投標中提出有抗硫要求的，一般都是NACEMR0175標準，較少提及NACEMR0103標準。NACEMR0175適用于石油和天然氣開采環境，
NACEMR0103適用于石油精煉環境。兩個標準關
于抗SSC的基本觀點和選用材料大部分是一致的，但是NACEMR0103更細化更具體。如NACEMR0103標準對奧氏體不銹鋼和鎳合金提出了化學成分大或小要求，對雙相不銹鋼提出了鐵素體的體積含量等，而這些要求在NACEMR0175中并未詳細說明。現在，標準化組織（ISO）已將NACEMR0175標準同步為ISO標準，根據選用原則和不同材料將其拆分為NACEMR0175/ISO15156.1～3三個標準，其內容上有細微增補。

4NACEMR0175適用范圍抗硫環境中，氣體、冷凝氣體和酸性原油等濕潤氣相的（以水為液態介質）H2S分壓力等于或大于0.0003MPa（0.05psi）。
NACE標準適用范圍一般為裸露于酸性環境中的油氣田鉆探設備，即處于石油開采、天然氣輸送等含有硫化氫（H2S）的碳氫化合物介質的工況。處于酸性環境下，會導致未經選擇和處理的金屬材料開裂失效。因此，NACEMR0175標準提出了一系列防止產生SSC的金屬材料牌號、熱處理方法及包括硬度在內的材料的機械性能要求。使用中，SSC受很多因素影響。

①材料的化學成分、強度、硬度、熱處理和材料的微觀結構、局部差異、

抗硫閘閥具有以下優點：

1、流體阻力小 , 密封面受介質的忡刷和侵蝕小。

2、開閉較省力。

3、介質流向不受限制 , 不擾流、不降低壓力。

4、形體簡單 , 結構長度短，制造工藝性好，適用范圍廣。抗硫閘閥滿足了在硫化環境下的抗硫應力裂化要求,內件材料采用耐酸性材質,,封圈采用聚合物作密封材料,適應較寬.冷作程度、晶粒尺寸和材料的清潔度。

②工況環境中氫離子的濃度（pH）。

③工況環境中H2S的濃度和總壓力。

④水相中的氯離子濃度。

⑤材料總的拉伸應力（拉伸應力+殘余應力）。

⑥使用溫度和使用時間。



5抗硫材料
5.1
材料選用及硬度控制（1）碳鋼和合金鋼
碳鋼和合金鋼為鑄件、鍛件和冷作管件。硬度≤22HRC，其中ASTMA105鍛件的硬度應≤187HB，ASTMA234牌號為WPB和WPC的鍛制碳鋼管件硬度應≤197HB。熱處理工藝為熱軋（僅適用于碳鋼）、退火、正火、正火加回火、正火+固溶+淬火+回火和奧氏體化+淬火+回火。材料的主要牌號有ASTMA105、ASTMA53B級、ASTMA106B級和API5LX－42級。
（2）奧氏體不銹鋼
奧氏體不銹鋼為鑄件和鍛件，其硬度為22～38HRC。熱處理工藝為固溶退火和冷作退火。材料的主要牌號有UNSS20910、UNSS8020和ASTMA351的CN7M、UNSS31254、UNSN08367、UNSS32200、UNSN08926、UNSJ93254（CK3MCUN）、UNSS32654、UNSS31266及UNSS34565。
（3）鐵素體不銹鋼
鐵素體不銹鋼為鑄件和鍛件，其硬度≤22HRC。熱處理工藝為退火。材料的主要牌號有AISI405、AISI430、ASTMA268、TP268、TP405、TP430、TPXM27和TPXM33。
馬氏體不銹鋼硬度≤22HRC。熱處理工藝為三步工藝法。①正火或淬火。②一次回火。③二次回火，二次回火溫度需低于前次回火溫度。材料的主要牌號有AISI410和501、ASTMA216CA15、A268TP410、A743CA15M、A487CA15M、A487CA6NM和UNSS42400。
低碳馬氏體不銹鋼硬度為23～28HRC。熱處理工藝為三步工藝法。①正火或淬火。②一次回火。③二次回火，二次回火溫度需低于前次回火溫度。材料的主要牌號有ASTMA487CA6NM、UNSS42400和UNSS41425。
（4）沉淀硬化不銹鋼
沉淀硬化不銹鋼為鍛件。硬度31～35HRC。熱處理工藝為三步工藝法，固溶退火、固溶退火+時效、雙重時效+固溶退火+二次回火。材料的主要牌號有UNSS17400、UNSS66286和UNSS45000。
（5）雙相不銹鋼雙相不銹鋼為鑄件或鍛件。硬度17～36HRC。熱處理工藝為固溶退火、固溶退火+冷作。材料的主要牌號有UNSS32404、UNSS31803、UNSS32750、UNSS32760、UNSJ93380、UNSS31260、UNSS39274、UNSJ93404和UNSS39277。
（6）非鐵基合金
非鐵基合金鎳銅合金、鎳鉻鐵合金、鎳鉻鐵鉬合金、鎳鉻合金和鎳鉻鉬合金為鑄件和鍛件，硬度32～45HRC。
熱處理工藝固溶退火、固溶退火+時效、熱作+時效。材料的主要牌號有UNSN04400、ASTMA494的M35－1和M35－2、UNSN04405、UNSN05500、UNSN08800、UNSN08825、UNSN06007、UNSN06250、UNSN06255，UNSN06975、UNSN06525和UNSN0718等。
非鐵基合金材料鈷鎳鉻鉬合金和鈷鎳鉻鎢合金為鋼材和鍛件。硬度22～51HRC。熱處理工藝為固溶退火、固溶退火+時效和冷拔+高溫時效。材料的主要牌號有UNSR30003、UNSR30004、UNSR30035、英國HR3系列合金、UNSR31233、UNSR30605和UNSR05200。
（7）鈦合金
鈦合金的硬度32～45HRC，92～100HRB。熱處理工藝固溶退火、退火、固溶退火+時效。材料的主要牌號有UNSR53400、UNSR58640、UNSR50400、UNSR56260、UNSR56403、UNSR56404和UNSR56323。

序號	物資名稱及型號規格	單位	數量
1	鋼法蘭截止閥J41H-25  DN100	個	2
2	抗硫鋼制楔式閘閥   KJ41H-25   DN100	個	8
3	鋼制楔式閘閥Z41H-25 DN40	個	5
4	防爆撓性連接管  LCNG-S25X700-25/25TW	根	4
5	防爆撓性連接管  LCNG-S25*700	根	78
6	防爆撓性連接管  LGNG-S32*1000  G11/4（外）/G11/4（內)	根	4
7	防爆撓性連接管  FNG-25*1000	根	16
8	防爆撓性連接管  LGNG-S50*700-50/50TW	根	2
9	升降式止回閥H41H-25 DN100	套	1
10	抗硫鋼制楔式閘閥   KZ41H-25  DN100	套	3
11	鋼制楔式閘閥  Z41H-50  DN40	套	4
12	鋼制楔式閘閥 Z41H-25 DN100	套	7
13	抗硫升降式止回閥  KH41H-25  DN40	套	1
14	(齒輪式）CPVC蝶閥DN100 PN10	套	6
15	(齒輪式)CPVC蝶閥  DN80  PN10   CP-821	套	3
16	管道用阻火器  PN2.5  DN100	套	1

5.2材料化學成分
（1）ASTMA494CW2M材料要求含硫量≤0.015%，含鋁量≤0.05%。
（2）ASTMA351、A734、A744中的CN7M材料，碳含量≤0.035%，硅含量≤1.00%，銅含量3%～5%，硫含量≤0.015%，磷含量≤0.030%，鋁含量≤0.05%，其他未予注明的按標準執行。
（3）鎳含量高于1%的焊條、焊絲、焊劑等填充金屬不可用于可熔焊的碳鋼及低合金鋼。5.3材料表面處理
（1）抗硫材料表面處理所用噴丸尺寸應≤2.0mm（0.08in．）。
（2）金屬表面不得使用電鍍、化學鍍、塑料涂層及襯里。
（3）金屬表面可進行氮化處理，但氮化溫度必須低于材料的下臨界溫度。
（4）金屬表面氮化層深度應≤0.15mm（0.006in．）。
（5）金屬表面氮化不能作為防硫化裂紋的一種手段。
（6）材料的硬度一般以洛氏硬度（HRC）為參照依據，少數除外。
（7）3.4.6材料的平均硬度測試值（同一區域一般不少于3個測試點）不得高于材料標準值，單個硬度測試值不得超過標準值的2個HRC。
（8）連接螺柱應選用ASTMA193的B7M，小屈服強度為550MPa，硬度≤22HRC，螺母選用ASTMA194的2HM，硬度≤22HRC。B7M與B7、2HM與2H化學成分上相同，但B7M與2HM均比B7與2H強度低而塑性更好，因而抗SSC能力更佳。

6材料焊接材料的基體、焊縫及熱影響區的硬度應≤22HRC（在熱處理消除應力后），熱影響區的硬度壓痕應距熔焊邊界2mm內。材料的抗硫硬面合金可以用噴涂碳化鎢、陶瓷、堆焊鈷基和鎳基等合金工藝方法，其硬度值應符合使用要求，NACEMR0175標準未做特別明確規定，但基體與熱影響區的硬度值明確要求≤22HRC。材料的焊接方法、堆焊材料、硬度等應經過焊接工藝評定。材料的缺陷可以補焊，只要符合焊接規程要求，即補焊工藝經過評定是可靠的和可行的。7
材料質量
（1）材料的化學成分、機械性能和硬度必須符合抗硫材料標準要求。
（2）材料必須按冶煉爐號、鋼種和機械性能要求進行正確的熱處理，并提供熱處理圓盤記錄。
（3）經軋制、冷拔或其他冷加工工藝成型的金屬，外部形狀超過5%的*變形必須經高溫消除應力，消除應力的低溫度應為595℃或該金屬下臨界溫度以下。
（4）抗SSC環境不準使用易切屑鋼（因含有硫、硒、鉛等元素）。
（5）承壓材料不得使用灰鑄鐵、奧氏體鑄鐵和白口鐵，可選用ASTMA395標準中的鐵素體球墨鑄鐵。
（6）原材料冶煉時如未經AOD（氬氧脫碳精煉）和真空脫氧精煉，不得使用廢料、車削下腳料、金屬屑和回收料。因此，閥門主機制造廠應與鑄件供應商在供貨合同上予以明確。
（7）抗硫材料主要用于酸性環境，不適用于含鹽或鹽水環境。
（8）如使用未在NACEMR0175標準中列出的材料牌號，應按抗硫試驗7個等級（Ⅰ－Ⅶ級）中規定的環境、使用溫度和時間要求進行抗硫失效
試驗，并提交合格報告，閥門供應商對此要理解。
（9）高溫工況下（大于450℃）奧氏體鋼、雙相不銹鋼、鎳基合金、鈦合金對裂紋會很敏感，應用時制造商應提供Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ或Ⅶ級的試驗合格報告，以防產生SSC。
（10）雙相不銹鋼中鐵素體的體積含量應介于35%～65%之間。
（11）不允許對灰鑄鐵和球墨鑄鐵進行焊接或補焊。8
閥門質量
閥門的螺紋可采用機械加工或冷壓成型（滾壓）加工。一般產品加工可采用車削、鏜削、軋制、鉆削、拋光等常規工藝手段。
（1）正確使用NACEMR0175標準規定的材料及熱處理工藝，不使用未經試驗證明的材料。
（2）加強材料的熱處理質量控制，尤其要重視焊接件的基體與熱影響區的硬度控制，原則上基體與熱影響區的硬度應保持一致，焊接部位必須進行去應力退火，減少SSC的敏感性。
（3）控制環境，減少硫化氫流通因素。
（4）將使用的閥門與酸性環境有效隔離（可能情況下）。
（5）建立定期檢查和訪問制度，以觀察所用閥門抗SSC的能力及實際使用壽命。
（6）對已發生SSC的閥門進行材料的失效分析研究，開發適應新工況的新材料和熱處理新工藝。9
結語
隨著國家能源戰略的進一步實施和開發利用，抗硫閥門在石油、天然氣開采、長輸管線及石油精煉等環境上的運用日益增多。因此，正確理解和掌握NACE標準，是提高抗硫設備使用壽命的前提，也是確保設備與人員安全的前提。
參
考文獻
〔1〕NACEMR0175－2002，油田設備用抗硫化應力裂紋的金屬
材料〔S〕
．〔2〕NACEMR0103－2003，在腐蝕石油精煉環境中抗硫化應力
裂紋的材料要求〔S〕
．〔3〕NACEMR0177－1996，金屬在H2S環境中耐特定形式環境
開裂的實驗室試驗〔S〕
．〔4〕
ANSI/NACEMR0175/ISO15156．1－2009，石油和天然氣工業含H2S的石油和天然氣生產環境中所使用的材料第1
篇：抗裂材料的選用的一般原則〔S〕
．〔5〕
ANSI/NACEMR0175/ISO15156．2－2009，石油和天然氣工業含H2S的石油和天然氣生產環境中所使用的材料第2
篇：抗開裂的碳鋼和低合金及鑄鐵的使用〔S〕
．〔6〕
ANSI/NACEMR0175/ISO15156．3－2009，石油和天然氣工業－含H2S的石油和天然氣生產環境中所使用的材料第3
篇：抗裂耐腐蝕合金（CRAS）和其他合金〔S〕與本文相關的論文有：五陽煤礦應用閥門案例