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镍合金在管道和工业阀门的应用

日期: 2021-04-22
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    镍合金是以镍为主要元素的合金,可用于管道以及工业阀门的不同部分,例如阀体,阀盖,球,阀座,阀杆,螺栓,弹簧等。


      阀门是管道系统的一部分,它们被定义为流体流中用于不同目的的组件。这些目的可能涉及停止/启动流量,控制流量,转移流量,防止回流并释放压力[1] [2]。图1示出了球阀,该球阀为旋转阀,其中球形关闭构件旋转90°以接合或脱离阀[2]的端口孔。图1中的球与通孔接合,从而使阀门保持打开状态。


    镍合金在管道和工业阀门的应用(1)

                       图1.球阀处于打开位置。


        阀门和组件介绍


      本文提到的阀门的不同部分定义如下[3]:

      阀体:阀体-也称为阀壳-是阀组件中最重要的部分,将所有零件像框架一样保持在一起。阀体是接收流体压力的第一压力边界。阀体端部设计用于将阀连接到管道。

     阀盖:阀盖是第二重要的压力承受部分;它覆盖阀体,并用与阀体相同的材料制造。

     球:阀的球,也称为“关闭件” [4]或“压力控制部件” [4],用于停止或启动流体。当阀门关闭时,全部流体压力作用于球的一侧,因此该部分被视为阀门[3]的第三重要压力包含部分。

     阀座:阀座为封闭件提供阀座表面。

     阀杆:阀杆是阀关闭件和操作员之间的连接器,为钢球提供必要的运动以关闭和打开阀。阀杆从一侧连接到手轮,杠杆或致动器,从另一侧连接到阀关闭件。执行器是负责自动移动阀内部的组件。阀杆需要很高的机械强度,尤其是在致动的情况下,才能承受从致动器侧施加的载荷。

     螺栓:螺栓也是阀门的承压部件,用于将阀体或阀盖件连接在一起。


    镍合金在管道和工业阀门的应用(1)        

                     图2.覆盖在碳钢管内的In 625。




    为什么要指定镍合金?


    为阀门和内部零件指定镍合金有多种原因。这些总结如下:

    内部腐蚀:在腐蚀性环境中,碳钢管道可能用3mm镍合金(例如In 625)覆盖(内部覆盖)以减少腐蚀的风险[5]。


     管道腐蚀

      镍合金的内部覆盖层可用于包含大量腐蚀性化合物(例如CO2和硫化氢(H2S))的流体服务。如图3所示,CO2和H2S腐蚀攻击以金属损失和裂纹的形式表现出来。


    镍合金在管道和工业阀门的应用(1)

图3.管道上的CO2(左)和H2S(右)腐蚀。


     固态镍合金,In 625管道,在油气行业的海上部门中,在含大量H2S的碳氢化合物服务中也很常见。


     因此,在世界上一些地区,例如中东,原油中含有高浓度的H2S,可以在In 625中选择在海上油气项目中使用的阀体,而不是22Cr双相体。然而,在挪威海上石油和天然气中不含H2S或含量极低的海上工业中,管道和阀门中22Cr双相钢是非常普遍的选择[6]。另外,用碳钢制造的球阀的密封区域和阀座腔可以覆盖In 625,以避免缝隙腐蚀。缝隙腐蚀是指对存在缝隙,缝隙或凹槽的金属表面的局部侵蚀。


     外部腐蚀:超级双相螺栓是挪威海上工业中以22Cr双相制造的阀门的常用材料选择。


    

    镍合金在管道和工业阀门的应用(1)

      图4.带In 625螺栓和螺塞的22Cr双联体阀

      双体阀

      在海上环境中,未涂层的超级双相材料(例如,螺栓连接)的最高允许工作温度为110°C [7],以避免外部氯离子应力导致海洋环境中的裂纹破裂。因此,对于工作温度在110°C以上的22Cr双工阀,超级双相螺栓(螺栓和螺母)已升级到Alloy 625,如图4所示。


     外部凹槽,例如位于阀的环形接头(RTJ)面上的凹槽碳钢材料制成的阀体法兰上覆盖有Alloy 625,以避免在海上项目出现外部缝隙腐蚀。

磨损和摩擦:擦伤是由两个表面摩擦在一起引起的磨损形式。有多种避免磨损的策略,例如润滑,降低粗糙度并在两个滑动表面之间产生硬度差。图4所示的螺纹塞用于排出积聚在球阀体腔中的流体。塞子的踩踏部分在打开和关闭时会与阀体产生摩擦和磨损。因此,在In 625中选择塞子材料,以与阀体产生硬度差,从而减少磨损和摩擦。

机械强度:致动的阀门会在阀杆上产生很高的负载。因此,驱动阀的阀杆应采用高强度材料制造,例如用于碳钢的In 718,不锈钢316和22Cr双联阀体。IN 718也可用于球和螺栓连接组件,尤其是在海底阀门中。

循环和疲劳应力: 止回阀中通常使用弹簧将圆盘移回其原始位置并关闭阀。许多止回阀的开合率很高(循环)。因此,因康耐尔X750弹簧材料具有良好的耐循环性和疲劳应力,因此被广泛用于止回阀。图5显示了一个双板止回阀,它具有碳钢阀体和马氏体不锈钢盘,它们通过 X750弹簧关闭。

镍合金材料
 因科镍合金

625
 
(in625)是具有高耐腐蚀性和机械强度的镍基合金。这种材料的铬含量为22%,钼含量为9%,镍含量约为58%。这种材料的强度来自钼和铌对其镍铬基体的强化作用。钼含量较高。

In718
是一种高强度,相对高度耐腐蚀的镍铬合金。该材料具有大约52.5%的镍,20%的铬和3%的钼。 这种合金的制造和焊接很容易,并且具有良好的抗疲劳性。该合金的两种常见热处理是固溶退火和时效硬化。铬镍铁合金X750



是另一种具有高耐腐蚀性和高强度的镍铬合金。该合金包含至少70%的镍和平均15%的铬。通过对该合金进行不同的热处理,可以实现不同的机械性能。这种合金是除石油和天然气外,还广泛用于各种行业的经济选择,例如燃气轮机和火箭发动机。

结论与建议


因科内尔合金(例如625、718和X750)广泛用于海上领域的管道和阀门。球阀的阀体,阀盖,阀座,球,螺栓,旋塞和弹簧通常由上述合金制成。尽管镍合金广泛用于内部和外部耐腐蚀,但它们具有不同的应用,例如增加机械强度,减少摩擦和磨损,促进循环并减轻疲劳应力。

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