低温阀门深冷处理

1 概述

随着乙烯石化工业的发展，低温和超低温阀门的应用越来越广泛，这些阀门的质量与材料的选用和处理关系极为密切，因此掌握材料在不同的低温状态下的变化规律，确定材料在不同低温条件下的稳定性，才能保证阀门在低温状态下的良好性能。 2 材料的选用

在对低温材料进行选择时，必须首先考虑到以下两个方面的要求。

a.材料在使用的低温条件下要有足够的韧性，以防止在低应力下突发脆性断裂。 b.低温下材料的组织稳定性，以保证在使用中不会因变形而影响阀门的密封性。 具有面立方晶格的A体不锈钢没有冷脆转变临界温度，在低温条件下，仍然保持较高的韧性，如0Cr18Ni9和00Cr17Ni12Mo2（304、316L）等奥氏体不锈钢，但这类钢材大部分在室温状态下都处于亚稳定状态，在低温下往往由于M体相变、体积膨胀和应力的作用而引起零件变形，深冷处理就是针对解决这一问题提出的。 3 低温变形及其原因

用Cr-Ni奥氏体不锈钢制作的低温阀零件，在低温下会发生变形，有时甚至是严重变形。例如，将密封件（0Cr18Ni9表面堆焊Co-Cr-W合金）精研，在液氯中浸泡后，用测微计测量，呈现不同类型的变形（表1、图1）。

表1阀门零件在低温下的变形 序号 1 2 3 零件DN40mm 阀座 阀瓣 闸板 -196℃深冷处理t/h 4 4 4 变形方式 不平度/μm（平均值） 0.38 50 2.4 密封面不平

零件在低温下的变形原因有以下2点。

（1）由于马氏体转变和组织应力引起的变形

奥氏体不锈钢零件，当冷却至Ms点下在某一温度范围内长时间保温，即会产生不同

逆性的马氏体转变，具有体心正方点阵的马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。体心立方配位小，致密度低，而部分碳原子规则化排列占据体心立方点阵（1/2，1/2，0）（0，0，1/2）位置，使晶格沿C轴方向增长，因而马氏体比奥氏体有更大的比容。图2是在室温下，奥氏体和马氏体的比容随含碳量的变化，可见即使含碳量为0.08%的钢，其马氏体的比容比奥氏体的比容约增大4%。在低温下马氏体中碳原子排列规则度增高，其尺寸效应可能比室温更大，这种局部的体积膨胀，并由膨胀引起的应力都会导致零件变形。

（2）由温度应力引起弹性和塑性畸变

在深冷过程中，由于零件各部分的温度差或由于不同组织间某些物理性能的差异，引起收缩不均，就产生了温度应力，当应力低于材料的弹性极限时，就仅使零件产生可逆性的弹性扭曲。当某一部分的温度应力超过了材料的屈服相限时，零件将发生不可逆转的扭曲变形。

实践证明，无论那种原因引起的变形，其对零部件结构形式是非常敏感的，因此对低温阀门要十分注意结构形式的选择和设计。 4 深冷处理

由上述原因引起的变形，都会在使用中影响阀门的密封性。对于可逆的变形，一般是通过改进结构设计来解决，而为了消除永久性的变形，一种办法是选择那些稳定性较高的材料，以便在应用中不发生马氏体转变，从而减少变形，如用316L材料代替304材料。但由于受成本等因素的制约，通常选用304（0Cr18Ni9）不锈钢，并通过深冷处理使马氏体转变和变形得充分发生。然后，通过精加工，使零件中保持组织和尺寸的相对稳定性。

处于室温的奥氏体不锈钢大部分是处在亚稳定状态的，当继续冷却至Ms点温度以下，或在某一温度范围内长期保持都会发生马氏体转变。而在Ms点以上，由于加工变形的作用，也会有马氏体转变奥氏体不锈钢的马氏体转变过程及其最终产物，主要取决于化学成分。 5 深冷处理

通过实践，确定其工艺参数。进行深冷处理的温度界限为-100℃，凡用于-100℃以下，各种类型阀门的阀体、阀盖和密封件需做深冷处理，低温处理的温度应不大于阀门的实际使用温度。深冷时间由30min延长到70h，试样的变形量和马氏体转变，均无明显规

律性变化，基本表明了短时间内成核并立即长大的特点。为了保证深冷处理充分、均衡，选用2h。当保留时间为2h，深冷处理的次数从1次增加到8次，试样的变形量和马氏体转变量均无明显规律性增多。经反复深冷处理，马氏体的量在不断增加。密封零件经一次深冷处理并重新研平，经再次深冷处理后，其变形量非常微小，为了同时兼顾到等温马氏体转变的影响，保冷时间选2~3h，对于释介质压力密封的低温止回阀除经深冷处理外，还要根据试压的具体情况增加深冷次数及延长深冷时间，直至密封性合格。 对奥氏体不锈钢制造的阀门零件进行深冷处理时，虽然主要是为了解决变温马氏体转变引起的变形问题，但与此同时，也必然伴随着等温马氏体转变。对于那些精度要求很高的止回阀密封件，只要通过增加保冷时间和增加深冷次数及深玲后进行适当的时效处理，也是有效果的。 6 结论

用奥氏体不锈钢制作低温阀门的零件，并进行深玲处理后，会有效地解决低温下变形的问题。但是，如果材料选用不当，或者材料的热处理不充分及不适当，将会给低温阀门带来致命的缺陷，其零件无论进行怎样的深冷处理，都不会改变其低温变形的特点，从而难以保证低温阀门产品的密封等性能。因此，制作低温阀门的零件时，须使用在低温条件下有良好韧性的材料，并进行适当的深冷处理，才能保证其性能。 参考文献

[1]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社.1993 [2]肖纪美.不锈钢金属学[M].北京：机械工业出版社，1993 [3]上海交大.金相分析[M].国防工业出版杜，1997