【Знания об клапанах】Распространённые материалы для корпусов клапанов

1. Металлические материалы (основная категория, применимая в большинстве промышленных/гражданских условий эксплуатации)

Металлические материалы являются основным выбором для корпусов клапанов благодаря своей высокой прочности и хорошей стойкости к давлению. В зависимости от свойств материала их можно разделить на чугун, литые стали, нержавеющую сталь, цветные металлы и коррозионно-стойкие сплавы.

(1) Чугун (недорогой, легко поддаётся литью, подходит для работы в условиях низкого давления, комнатной температуры, не подвержен сильной коррозии)
Чугун — это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода >2,11%. Он обладает низкой пластичностью, но высокой жёсткостью и подходит для изготовления корпусов клапанов низкого давления большого диаметра. Распространенные типы:

Серый чугун (HT200, HT250)
Характеристики: Самая низкая цена, отличные литейные свойства, но низкая прочность (предел прочности на разрыв 200–250 МПа), высокая хрупкость, низкая коррозионная стойкость (легко подвергается коррозии под воздействием кислот и щелочей).
Применимые условия эксплуатации: рабочее давление ≤1,6 МПа, температура -10–200 °C; среда – вода, воздух, пар (некоррозионная).
Типичные области применения: Гражданская водопроводная и дренажная арматура, клапаны систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Высокопрочный чугун (QT450-10, QT500-7)
Характеристики: Улучшение морфологии графита за счет сфероидизации обеспечивает значительно более высокую прочность (предел прочности на разрыв 450–500 МПа) и вязкость, значительно превосходящие показатели серого чугуна, несколько лучшую коррозионную стойкость, чем у серого чугуна, и более низкую стоимость, чем у литой стали.
Допустимые условия эксплуатации: рабочее давление ≤ 4,0 МПа, температура от -30 до 350 °C; рабочие среды: вода, сточные воды, природный газ и нефть (слабокоррозионные или некоррозионные).
Типичные области применения: коммунальные газовые клапаны, промышленные клапаны низкого давления для подачи масла и канализационные клапаны большого диаметра.

Ковкий чугун (KTH300-06)
Характеристики: изготовлен из отожженного белого чугуна, обладает отличной пластичностью (относительное удлинение 6%) и легко обрабатывается. Его коррозионная стойкость аналогична ковкому чугуну, но прочность ниже.
Применимые условия эксплуатации: низкое давление (≤ 1,6 МПа), комнатная температура, рабочие среды: вода и воздух.
Типичные области применения: небольшие клапаны низкого давления (например, резьбовые запорные и обратные клапаны).

(2) Литая сталь (высокая прочность, хорошая термостойкость, подходит для работы в условиях средне-высокого давления и средне-высоких температур).
Литая сталь имеет содержание углерода <2,11%, высокую прочность и хорошую вязкость. По химическому составу она подразделяется на углеродистую и легированную.

Углеродистая сталь (WCB, ZG230-450)
Характеристики: в основном состоит из железа и углерода, без легирующих элементов, средняя прочность (предел прочности на разрыв 450 МПа), широкий диапазон температурной стойкости (-29 ~ 425 °C), общая коррозионная стойкость (легко ржавеет, требует антикоррозионной обработки).
Применимые условия эксплуатации: рабочее давление 1,6 ~ 10 МПа, температура ≤ 425 °C; рабочая среда — пар, нефть, неагрессивный газ.
Типичные области применения: промышленная паропроводная арматура, нефтехимическая масляная арматура низкого давления.

Легированная конструкционная сталь (WC6, WC9, ZG15CrMo)
Характеристики: Добавление легирующих элементов, таких как Cr и Mo, улучшает жаропрочность и ползучесть (температуростойкость WC6 ≤482 °C, WC9 ≤593 °C). Предел прочности на разрыв ≥515 МПа, а коррозионная стойкость несколько выше, чем у углеродистой стали.
Применимые условия эксплуатации: средне-высокое давление (≤16 МПа), средне-высокая температура (≤593 °C); рабочие среды включают высокотемпературный пар, высокотемпературное масло и перегретый пар.
Типичные области применения: паровые клапаны для котлов электростанций и клапаны для высокотемпературных технологических трубопроводов на нефтеперерабатывающих заводах.

Низкотемпературная сталь (LCB, LCC, ZG16MnD)
Характеристики: Добавление таких элементов, как Ni и Mn, повышает низкотемпературную вязкость и предотвращает низкотемпературное хрупкое растрескивание (температура LCB: -46 °C, LCC: -60 °C, ZG16MnD: -40 °C).
Прочность близка к прочности углеродистой стали.
Применимые условия эксплуатации: низкотемпературная среда (-60 °C ~ комнатная температура), среднее и низкое давление; среда — сжиженный природный газ (СПГ), жидкий азот, жидкий кислород и другие низкотемпературные жидкости. Типичные области применения: выпускной клапан резервуара для хранения СПГ, низкотемпературный клапан воздухоразделительного оборудования.

(3) Нержавеющая сталь (отличная коррозионная стойкость, подходит для работы в условиях сильной коррозии и чистых рабочих условиях).
Нержавеющая сталь содержит Cr ≥ 12% и достигает коррозионной стойкости за счет образования оксидной (пассивирующей) пленки Cr. Согласно структуре она делится на аустенитную, ферритную и мартенситную, среди которых наиболее часто используется аустенитная нержавеющая сталь.

Аустенитная нержавеющая сталь (304, 316, 316L)
304 (06Cr19Ni10): хорошая коррозионная стойкость (устойчива к слабым кислотам и щелочам, соленой воде), термостойкость -196 ~ 800 ℃, но не устойчива к коррозии Cl⁻ (подвержена точечной коррозии);
Применяемые среды: пищевые продукты, медицина, чистая вода, слабоагрессивные химические жидкости (такие как разбавленная серная кислота, разбавленная азотная кислота).
316 (06Cr17Ni12Mo2): добавлен элемент Mo, коррозионная стойкость Cl⁻ намного превосходит 304, термостойкость -196 ~ 800 ℃;
Применяемые среды: морская вода, соленая вода, химические жидкости, содержащие Cl⁻ (например, соляная кислота, хлорщелочи).
316L (022Cr17Ni12Mo2): Низкоуглеродистая версия стали 316, более устойчивая к межкристаллитной коррозии (предотвращает коррозию после сварки), подходит для сварных корпусов клапанов; Применение: химическая промышленность, судостроение, атомная энергетика, условия сильной коррозии.

Ферритная нержавеющая сталь (430)
Характеристики: не содержит Ni, низкая стоимость, коррозионная стойкость выше, чем у углеродистой стали, но ниже, чем у 304, термостойкость от -40 до 800 °C, относительно высокая хрупкость.
Применимые условия эксплуатации: низкое давление, слабоагрессивные среды (например, пресная вода, воздух), условия с ограниченным бюджетом.
Типичные области применения: клапаны для бытовых водонагревателей, недорогие химические клапаны низкого давления.

(4) Цветные металлы и коррозионно-стойкие сплавы (высокая производительность, высокая стоимость, подходят для экстремальных условий работы).
Эти материалы предназначены для экстремальных условий работы, таких как сильная коррозия, высокая температура и высокое давление. Они дороги и используются только в особых сценариях.
Медь и медные сплавы (латунь H62, бронза QAl9-4)
Производительность: Латунь (медно-цинковый сплав) легко обрабатывается, устойчива к низким температурам и имеет среднюю коррозионную стойкость (не устойчива к сильным кислотам); бронза (медно-алюминиевый сплав) обладает высокой прочностью и износостойкостью.
Применимые условия работы: низкое давление (≤1,6 МПа), комнатная температура, среды, такие как вода, газ и хладагенты (например, R22).
Типичные области применения: бытовые газовые клапаны, клапаны систем кондиционирования и холодильных систем.
Титан и титановые сплавы (TA2, TC4).
Характеристики: чрезвычайно высокая коррозионная стойкость (устойчивы к сильным кислотам, сильным щелочам и морской воде, но не устойчивы к плавиковой кислоте), высокая прочность (предел прочности на разрыв TA2 ≥485 МПа), термостойкость от -253 до 600 °C, но высокая стоимость (примерно в 5-8 раз выше, чем у стали 316L).
Условия эксплуатации: экстремально коррозионные среды (например, концентрированная азотная кислота, соляная кислота, а также морская добыча нефти и газа).
Типичные области применения: выпускные клапаны химических реакторов, подверженные сильной коррозии, клапаны для глубоководной добычи нефти и газа.
Коррозионностойкие сплавы на основе никеля (хастеллой C-276, монель 400)
Хастеллой C-276: Устойчив к коррозии практически ко всем неорганическим (включая соляную и серную) и органическим кислотам, диапазон температур от -29°C до 1093°C.
Применение: высокотехнологичная химическая промышленность, атомная энергетика и аэрокосмическая промышленность.
Монель 400 (сплав никеля и меди): Устойчив к морской воде, соляной и плавиковой кислотам, обладает высокой прочностью.
Применение: морская техника и фторсодержащие химические клапаны.

2. Неметаллические материалы (отличная коррозионная стойкость, низкая стоимость, подходят для использования в средах низкого давления и умеренной коррозионной активности)

Неметаллические материалы лёгкие и обладают отличной коррозионной стойкостью, но при этом обладают низкой прочностью и низкой стойкостью к давлению и температуре, что делает их пригодными только для применения в условиях низкого давления (≤1,0 МПа) и комнатной температуры (≤100 °C).

(1) Пластики (ПВХ, ПП, ПТФЭ)
ПВХ (поливинилхлорид): низкая стоимость, устойчивость к кислотам и щелочам (не устойчив к сильным окисляющим кислотам), термостойкость ≤60 °C;
применение: клапаны для сточных вод в химической промышленности, лабораторные клапаны низкого давления.
ПП (полипропилен): термостойкость ≤100 °C, более высокая коррозионная стойкость, чем у ПВХ (устойчив к большинству кислот и щелочей), высокая прочность;
применение: клапаны для подачи кислот и щелочей в химической промышленности низкого давления.
ПТФЭ (политетрафторэтилен, «пластиковый король»): чрезвычайно коррозионностойкий (устойчив к воздействию всех кислот и щелочей), термостойкость от -200 до 260 °C, но низкая прочность и лёгкая
деформация; применение: лабораторные коррозионностойкие клапаны, высококачественные уплотнения (футеровка корпусов клапанов).

(2) Керамика (алюмооксидная керамика, нитридкремниевая керамика).
Характеристики: высокая твёрдость (твёрдость по Моосу 9, уступает только алмазу), чрезвычайно высокая коррозионная стойкость (устойчив к воздействию всех кислот и щелочей), но хрупкость и низкая ударопрочность. Применимые условия эксплуатации: низкое давление, сильная коррозия, абразивные среды (например, кислотные и щелочные сточные воды, содержащие частицы).
Типичные области применения: клапаны для очистки химических сточных вод, содержащие частицы, клапаны систем десульфурации.

(3) Резина (натуральный каучук, нитрильный каучук).
Характеристики: хорошая эластичность и износостойкость, но низкая термостойкость (≤80 °C) и коррозионная стойкость (устойчив только к слабым щелочам).
Обычно используется в качестве футеровки корпуса клапана (например, резинометаллических клапанов), а не как материал для изготовления всего корпуса клапана.
Применение: Системы водоснабжения и водоотведения, очистные сооружения (резинометаллический корпус клапана, повышенная коррозионная стойкость).

3. Композитные материалы (с учетом прочности металла и коррозионной стойкости неметаллических материалов)

Композитные материалы сочетают в себе преимущества «металлической матрицы + неметаллического покрытия» и являются экономичным выбором для коррозионных условий среднего и низкого давления.

(1) Футерованный клапан (металлическая матрица + пластиковая/резиновая футеровка)
Конструкция: Корпус клапана изготовлен из чугуна/литой стали (для обеспечения прочности), а внутренняя поверхность покрыта ПВХ, ПП, ПТФЭ или резиной (для обеспечения коррозионной стойкости).
Применимые условия эксплуатации: низкое давление (≤1,6 МПа), сильные коррозионные среды (например, растворы кислот и щелочей).
Типичные области применения: химические клапаны низкого давления для перекачки кислот и щелочей.

(2) Клапаны с покрытием (металлическая основа + антикоррозионное покрытие)
Распространённые покрытия: эпоксидная смола (слабая коррозионная стойкость, термостойкость ≤120 °C), политетрафторэтиленовое покрытие (высокая коррозионная стойкость, термостойкость ≤260 °C).
Области применения: клапаны для коммунальной канализации, химические клапаны низкого давления (основа – чугун/литая сталь, что снижает затраты).