1　引言

在金屬波紋管調(diào)節(jié)閥中，金屬波紋管組件在閥桿與閥體的工藝流體之間提供軸向移動的金屬外殼，形成動態(tài)密封。波紋管承受介質(zhì)的壓力、溫度和腐蝕，同時承受閥桿的壓縮和拉伸，以確保閥門在使用壽命周期內(nèi)實現(xiàn)零泄漏。隨著波紋管在閥門行業(yè)的廣泛應(yīng)用，對波紋管的技術(shù)要求也在不斷提高。閥門金屬波紋管不斷發(fā)展為耐高壓、耐高溫、耐腐蝕和長壽命。

2　波紋管材料要求

2.1　基本要求

適用于波紋管生產(chǎn)的材料必須具有良好的塑性、高彈性極限、抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度、良好的焊接性能和穩(wěn)定的彈性性能。奧氏體不銹鋼因其這些性能特性而被廣泛應(yīng)用于波紋管的制造。

2.2　耐高壓

耐壓性是閥門和波紋管的基本要求，但隨著閥門壓力水平的提高，波紋管壁厚和剛度的增加，使閥門打開和波紋管制造更加困難。波紋管制造商一般不僅增加壁厚，而且通過增加層數(shù)來提高產(chǎn)品的耐壓性，同時降低波紋管的軸向剛度，降低閥門的開啟力。公稱壓力15MPa（900lb）以下奧氏體不銹鋼波紋管壁厚一般為0.1～0.3mm，層數(shù)為1~6層。壓力等級下的波紋管具有一定的通用性，形成了一系列產(chǎn)品。當(dāng)壓力達(dá)到25MPa（1500lb）波紋管專業(yè)廠家應(yīng)根據(jù)閥門口徑和工作溫度選擇合適的材料。

2.3　耐腐蝕

非金屬材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性，氟襯塑料防腐閥應(yīng)用廣泛，氟波紋管閥也有一定的應(yīng)用領(lǐng)域。但由于非金屬材料的強(qiáng)度和耐熱性較低，一般使用溫度不超過150℃，限制了應(yīng)用范圍。304、316L以奧氏體不銹鋼為代表的工處理腐蝕性較弱的工作條件，但必須使用耐腐蝕性優(yōu)良的耐腐蝕合金材料，以抵抗氯堿行業(yè)的濕氯腐蝕和其他惡劣的腐蝕條件。耐腐蝕合金的耐腐蝕性和間隙腐蝕性常用的耐腐蝕性（PRE）值表征，PRE按公式(1)計算值。

PRE值越高，合金的臨界間隙腐蝕溫度越高（CCT）臨界點蝕溫度（CPT）越高。從表1可以看出，幾種耐腐蝕合金PRE值較304和316L的PRE值高很多。

表1　材料的機(jī)械性能與抗點蝕當(dāng)量

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2.4　耐高溫

工作溫度高于450℃閥門稱為高溫閥。奧氏體不銹鋼的最高推薦工作溫度為400℃，因此，耐高溫合金材料必須用于高溫閥門。

3　特種材料波紋管

3.1　特種材料

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（1）Ni-Cu合金

約含70%Ni和30%Cu蒙乃爾（Monel）之名著稱。典型的Monel400合金的化學(xué)成分如表2所示。

Monel合金主要用于弱還原溶劑，特別是氫氟酸，對強(qiáng)堿和流動海水也具有優(yōu)異的耐腐蝕性。Monel合金也適用于干氯、氯化氫、高溫氯(425)℃）高溫氯化氫(450)℃）等介質(zhì)。Monel氧化酸、氯化物和銨鹽會在潮濕的環(huán)境中腐蝕，因此在氧化水溶液中不耐腐蝕。此外，它還會在熔融性苛性堿中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。Mo2nel合金的適宜工作溫度為480℃以下。

表2　Monel400合金化學(xué)成分Wt%

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（2）Ni-Cr-Mo合金

含鉬鎳基合金，又稱哈氏合金。哈氏合金C-276合金因其優(yōu)異的綜合性能而被廣泛應(yīng)用于氧化介質(zhì)和還原介質(zhì)的環(huán)境中。C-276合金主要耐濕氯、各種氧化氯化物、氯化鹽溶液、硫酸和氧化鹽，在低溫和中溫鹽酸中具有良好的耐腐蝕性。C-276并不具備足夠的熱穩(wěn)定性，在650～1090℃長時間在溫度范圍內(nèi)(超過10min）碳化物或金屬間化合物會在晶界中沉淀，造成晶間腐蝕。C-276合金的化學(xué)成分如表3所示。Inconel625合金含有大量鉻(20Wt%～25Wt%）、鉬（8Wt%～10Wt%）、鐵（5Wt并以鈮(3).5Wt%～4.5Wt%)鎳鐵基奧氏體變形合金，主要添加元素，化學(xué)成分如表3所示。在625合金中加入鈮，提高了耐晶間腐蝕的熱穩(wěn)定性。鉻含量高C-276合金的高度提高了合金在許多強(qiáng)氧化介質(zhì)中的耐腐蝕性，如沸騰硝酸鹽。625合金固溶強(qiáng)化合金的使用溫度一般不超過650℃。

表3　哈氏C-276與Inconel625合金的化學(xué)成分Wt%

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（3）NI-Fe-Cr合金

Incoloy825合金是一種鎳鉬、銅、鈦的鎳-鐵-鉻固溶強(qiáng)化合金，化學(xué)成分如表4所示。一般來說，鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于30%，而（鎳 鐵）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于65%。因此，825合金有時也被稱為鎳鐵基合金。825合金主要用于耐氧化介質(zhì)的腐蝕。由于材料中添加了鈦，其穩(wěn)定性大大提高，碳含量低，避免了焊接熱影響區(qū)內(nèi)碳化物在正常腐蝕環(huán)境中的沉淀。合金中的鎳含量足以防止奧氏體應(yīng)力腐蝕開裂。825的使用溫度一般不超過550℃，650～760℃對材料的嚴(yán)重敏化溫度范圍。

Inconel718合金是時效強(qiáng)化鎳鐵鉻基變形高溫合金，650℃以下強(qiáng)度居高溫合金之首，具有良好的耐熱疲勞、抗氧化、抗輻射、冷熱加工性能。它是應(yīng)用最廣泛的高溫合金之一，如表4所示。合金是在固體溶解合金的基礎(chǔ)上填充的Al、Ti和Nb這些元素是由其他元素發(fā)展而成的。除了加強(qiáng)固溶體外，這些元素還與鎳結(jié)合形成一種共格、穩(wěn)定、復(fù)雜的金屬間化合物。同時，鋁、銅、硼和碳形成各種碳化物，大大提高了合金的熱強(qiáng)度。合金的強(qiáng)度主要來自于基體中均勻分布的強(qiáng)化相γ″及少量的γ’，在650℃具有良好的機(jī)械性能、耐腐蝕性和抗蠕變性，在650℃合金在上述使用過程中的主要強(qiáng)化相γ″易粗化轉(zhuǎn)化δ降低或失效合金的性能。

表4　Inconel825與Inconel718的化學(xué)成分Wt%

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(4)雙相不銹鋼

雙相不銹鋼由約50%的奧氏體和鐵素體組成。奧氏體的存在降低了高鉻鐵素體鋼的脆性和氫脆性，提高了雙相不銹鋼的韌性。鐵素體的存在提高了奧氏體鋼的屈服強(qiáng)度、抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕能力。

雙相不銹鋼在氯化物和硫化物中具有較高的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力，有效解決了長期困擾奧氏體不銹鋼局部腐蝕造成的故障問題。大量使用SAF2205雙相不銹鋼的化學(xué)成分如表5所示，該材料存在475℃脆性溫度區(qū)的使用溫度一般不超過300℃。

表5　雙相不銹鋼2205的化學(xué)成分Wt%

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（5）鈦

鈦是一種具有強(qiáng)烈鈍化傾向的金屬，很容易與氧反應(yīng)，在其表面產(chǎn)生氧化膜。在許多腐蝕性介質(zhì)中，氧化膜非常穩(wěn)定，難以溶解，即使損壞，只要有足夠的氧氣，也能迅速自動恢復(fù)。因此，鈦在氧化和中性介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐腐蝕性。工業(yè)純鈦TA如表6所示。

表6　鈦的化學(xué)成分Wt%

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ASME將變形工業(yè)純鈦和低合金鈦的應(yīng)用溫度上限設(shè)定為316℃

3.2　成型特性

液壓冷成型制造波紋管的方法要求材料具有良好的塑性，并通過后續(xù)處理獲得較高的彈性和強(qiáng)度。然而，許多特殊材料沒有這樣的特性，這給波紋管的設(shè)計和生產(chǎn)帶來了許多困難。例如，雙相不銹鋼具有較高的屈強(qiáng)度比（屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度），冷成型回彈大于300系奧氏體不銹鋼，冷硬化傾向嚴(yán)重于300系奧氏體不銹鋼。當(dāng)波紋管的外徑和內(nèi)徑比超過一定值時，波紋管應(yīng)采用兩次成型和兩次固溶處理。同樣，鈦的抗拉強(qiáng)度接近其屈服強(qiáng)度，在波紋管成型過程中塑性變形較差。同時，鈦的屈服極限與彈性模量的比例較大，使鈦成型過程中的回彈能力較大。用這種材料制造的波紋管成型后的回彈量難以預(yù)測和計算，幾何尺寸也難以通過整形來滿足原有的設(shè)計方案。因此，雖然一些特殊材料可以用于制造波紋管，但很難選擇具有良好的波紋管。

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3.3　焊接特性

液壓波紋管由無縫管坯或有縱向焊縫的縫管坯制成?？p管坯要求焊接接頭的屈服強(qiáng)度和伸長率與母材相當(dāng)。焊接波紋管是沿其內(nèi)外邊緣交替焊接預(yù)先沖洗的環(huán)膜。閥門通常需要以各種接口形式與法蘭或閥桿等結(jié)構(gòu)件焊接，這些結(jié)構(gòu)件有時與波紋管材料不同。因此，閥門波紋管材料本身應(yīng)具有良好的焊接性能，并與閥桿等結(jié)構(gòu)件焊接時應(yīng)具有焊接性能。與波紋管焊接的結(jié)構(gòu)件應(yīng)盡量選擇與波紋管相同的材料或性能接近、焊接性好的異質(zhì)材料。

4　液壓波紋管與焊接波紋管比較

用于波紋管閥門的金屬波紋管主要有液壓成型和焊接成型。液壓波紋管通過增加層數(shù)來提高耐壓性和良好的耐壓性。多波一次成型或單波連續(xù)成型，生產(chǎn)周期短，價格低，剛度大，允許位移小(單波位移為波距的15%~20%)。原材料為無縫管坯或有縫管坯，極薄壁無縫管生產(chǎn)工藝復(fù)雜，有縫管對焊接設(shè)備要求高，國內(nèi)小直徑有縫管生產(chǎn)工藝不成熟。液壓波紋管標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度高，用戶可根據(jù)專業(yè)廠家樣品進(jìn)行選擇。焊接波紋管一般為單層或雙層，耐壓性有限。焊縫數(shù)量與波數(shù)成正比，生產(chǎn)周期長，價格高，剛度小，允許位移大(壓縮率40%~60%)。原材料為板材或帶材，易于獲得，可選用塑性差、彈性好的材料，標(biāo)準(zhǔn)化程度和系列化程度差。

5　結(jié)語

波紋管閥的使用越來越多苛刻，對波紋管的材料提出了更高的要求。在選擇閥門特殊材料波紋管的過程中，應(yīng)根據(jù)閥門的具體工況選擇合適的材料和波紋管成型方法。由于其耐高壓、耐高溫、耐腐蝕、使用壽命長，特殊材料波紋管將成為閥門波紋管的發(fā)展趨勢。

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