1　引言

在金屬波紋管調節閥中，金屬波紋管組件在閥桿與閥體內的工藝流體之間提供了可軸向移動的金屬殼體，形成動密封。波紋管在承受閥桿的壓縮與拉伸的同時承受介質的壓力、溫度和腐蝕，確保閥門在壽命周期內實現零泄漏。隨著波紋管在閥門行業的普遍應用，對波紋管的技術要求也不斷提高。閥門用金屬波紋管不斷向耐高壓、耐高溫、耐腐蝕和長壽命方向發展。

2　波紋管材料要求

2.1　基本要求

適于生產波紋管的材料必須具有良好的塑性、高的彈性極限、抗拉強度和疲勞強度，良好的焊接性能，穩定的彈性性能。奧氏體不銹鋼因具有這些性能特點，被廣泛用于制造波紋管。

2.2　耐高壓

耐壓是對閥門及波紋管的基本要求，但隨著閥門壓力等級的升高，波紋管壁厚增加和剛度加大，給閥門開啟及波紋管制造都增加了難度。波紋管生產廠家一般不單純增加壁厚，而是通過增加層數的方法提高產品耐壓力，同時降低了波紋管的軸向剛度，減小閥門開啟力。公稱壓力15MPa（900lb）以下的奧氏體不銹鋼材料波紋管壁厚范圍一般為0.1～0.3mm，層數1～6層。該壓力等級下的波紋管具有一定通用性，已形成系列產品。當壓力達到25MPa（1500lb）以上時，要根據閥門口徑和工作溫度選擇合適的材料，由波紋管專業生產廠家設計生產。

2.3　耐腐蝕

非金屬材料耐腐蝕性能優良，襯氟塑防腐閥門應用廣泛，四氟波紋管閥門也有一定的應用領域。但因非金屬材料強度和耐熱性都較低，一般使用溫度不超過150℃，應用范圍受到限制。以304、316L為代表的奧氏體不銹鋼可以應對腐蝕性較弱的工況，但要對抗例如氯堿行業的濕氯腐蝕以及其他苛刻腐蝕性工況時，必須采用耐腐蝕性能優良的耐腐蝕合金材料。耐蝕合金的耐點蝕以及縫隙腐蝕的能力常用耐點腐當量（PRE）值表征，PRE值根據式（1）計算。

PRE值越高，合金的臨界縫隙腐蝕溫度（CCT）和臨界點蝕溫度（CPT）越高。從表1可以看到，幾種耐蝕合金的PRE值較304和316L的PRE值高很多。

表1　材料的機械性能與抗點蝕當量

2.4　耐高溫

工作溫度高于450℃的閥門稱為高溫閥門。奧氏體不銹鋼的推薦工作溫度最高為400℃，所以高溫閥門必須選用耐高溫合金材料。

3　特種材料波紋管

3.1　特種材料

（1）Ni-Cu合金

約含70%Ni和30%Cu的鎳銅合金素以蒙乃爾（Monel）之名著稱。典型的Monel400合金的化學成分如表2所示。

Monel合金主要用于弱還原性溶劑，特別是氫氟酸，對強堿及流動的海水也具有優良的耐腐蝕性能。Monel合金也適用于干燥氯氣、氯化氫氣、高溫氯氣（425℃）及高溫氯化氫（450℃）等介質。Monel在潮濕的環境中會受到氧化性酸類、氯化物和銨鹽的浸蝕，所以在氧化性的水溶液中不耐蝕。另外，它在熔融性苛性堿中會產生應力腐蝕。Mo2nel合金的適宜工作溫度為480℃以下。

表2　Monel400合金化學成分 Wt%

（2）Ni-Cr-Mo合金

含鉬的鎳基合金，也稱哈氏合金。哈氏C-276合金因具有優異的綜合性能，既可以用于氧化介質又可用于還原介質的環境當中，因此被廣泛的應用。C-276合金主要耐濕氯、各種氧化性氯化物、氯化鹽溶液、硫酸與氧化性鹽，在低溫與中溫鹽酸中均有很好的耐蝕性能。C-276并不具備足夠的熱穩定性，在650～1090℃溫度范圍內長時間（超過10min）時效后，會在晶界析出碳化物或金屬間化合物，造成晶間腐蝕。C-276合金的化學成分如表3所示。Inconel625合金是一種含有大量鉻（20Wt%～25Wt%）、鉬（8Wt%～10Wt%）、鐵（5Wt%）、并以鈮（3.5Wt%～4.5Wt%）為主要添加元素的鎳鐵基奧氏體變形合金，化學成分如表3所示。625合金中加入鈮提高了抗晶間腐蝕的熱穩定性。鉻含量較C-276合金高，提高了合金在許多強氧化性介質中的耐蝕性，如沸騰的硝酸。625合金以鉬和鈮為主要強化元素的固溶強化合金，使用溫度一般不超過650℃。

表3　哈氏C-276與Inconel625合金的化學成分Wt%

（3）NI-Fe-Cr合金

Incoloy825合金是一種添加了鉬、銅和鈦的鎳-鐵-鉻固溶強化合金，化學成分如表4所示。一般合金中鎳質量分數不低于30%，而（鎳+鐵）質量分數不低于65%，因此825合金有時又被稱為鎳鐵基合金。825合金主要用于抗氧化性介質的腐蝕。由于材料中加入鈦元素，其穩定性大大提高，并且由于有較低的碳含量，從而避免了正常使用的腐蝕性環境中由于焊接熱影響區中碳化物沉淀而受到浸蝕。合金中的鎳含量足以使之抗奧氏體所受到的應力腐蝕開裂。825使用溫度一般不超過550℃，650～760℃為材料的嚴重敏化溫度范圍。

Inconel718合金是時效強化的鎳鐵鉻基變形高溫合金，在650℃以下的強度居高溫合金之首，并具有良好的抗熱疲勞、抗氧化、抗輻射和冷、熱加工性能，是應用最為廣泛的高溫合金之一，化學成分如表4所示。合金是在固溶合金基礎上，通過填加較多的Al、Ti和Nb等元素而發展成的。這些元素除強化固溶體外，還與鎳結合形成共格穩定、成分復雜的金屬間化合物，同時鋁、銅、硼元素與碳形成各種碳化物使合金的熱強性大大提高。合金的強度主要來源于基體中均勻分布的強化相γ″及少量的γ’，在650℃的溫度范圍內具有良好的力學性能、耐腐蝕性能和抗蠕變性能，在650℃以上使用時合金中的主要強化相γ″易于粗化和轉化為δ相使合金性能降低或失效。

表4　Inconel825與Inconel718的化學成分Wt%

（4）雙相不銹鋼

雙相不銹鋼由奧氏體和鐵素體約各占50%的組織組成，奧氏體的存在降低了高鉻鐵素體鋼的脆性和氫脆，提高了雙相不銹鋼的韌性。鐵素體存在提高了奧氏體鋼的屈服強度、抗晶間腐蝕和應力腐蝕的能力。

雙相不銹鋼在氯化物、硫化物中具有高的抗應力腐蝕開裂的能力，有效地解決了長期以來困擾奧氏體不銹鋼因局部腐蝕所致的失效問題。使用量較大的SAF2205雙相不銹鋼的化學成分如表5所示，該材料存在475℃脆性溫度區，使用溫度一般不超過300℃。

表5　雙相不銹鋼2205的化學成分Wt%

（5）鈦

鈦是一種鈍化傾向很強的金屬，極易與氧反應而在其表面生成一層氧化膜。在許多腐蝕性介質中，這種氧化膜是很穩定的，較難溶解，即使遭到破壞，只要有充足的氧，也能迅速自動恢復。因此鈦在氧化性、中性介質中具有優異的耐腐蝕性。工業純鈦TA2的化學成分如表6所示。

表6　鈦的化學成分Wt%

ASME把變形工業純鈦及低合金鈦的應用溫度上限設定為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，并通過隨后的處理得到高的彈性和強度。然而很多特殊材料并不具備這樣的特性，給波紋管設計生產帶來很多困難。例如雙相不銹鋼，屈強比（屈服強度/抗拉強度）高，冷成型回彈量較300系奧氏體不銹鋼大，冷作硬化傾向較300系奧氏體不銹鋼嚴重。當波紋管的外徑與內徑的比超過一定值時，要采取兩次成型及兩次固溶處理的方法進行波紋管成型。同樣，鈦的抗拉強度與其屈服強度接近，在波紋管成型時塑性變形差。同時，鈦的屈服極限與彈性模量的比值大，使鈦成型時的回彈能力大。用這樣的材料制造的波紋管，成型后的回彈量很難預測和計算，通過整形的方法幾何尺寸也很難滿足最初的設計方案。因此，有些特殊材料雖然可以用來制造波紋管卻很難得到普遍的應用。用戶在選用波紋管時，應綜合考慮閥門介質的腐蝕性能、溫度、壓力等盡量選用成型性能好的材料。

3.3　焊接特性

液壓波紋管用無縫管坯或有縱向焊縫的有縫管坯制成，有縫管坯要求焊接接頭的屈服強度與伸長率與母材相當。焊接波紋管是把預先沖制的環狀膜片沿其內外邊緣交替焊接而制成。閥門用波紋管兩端一般需要以各種接口形式與法蘭或閥桿等結構件焊接，這些結構件有時與波紋管材料并不相同。因此，閥門用波紋管的材料本身要具有良好的焊接性能，在與閥桿等結構件焊接時應具有可焊性。與波紋管焊接的結構件應盡量選用與波紋管相同的材料或性能接近、可焊性良好的異種材料。

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兩種。液壓波紋管通過增加層數提高耐壓力，耐壓性能好。多波一次成型或單波連續成型，生產周期短，價格低，剛度大，允許位移?。▎尾ㄎ灰茷椴ň嗟?5%～20%）。原材料為無縫管坯或有縫管坯，極薄壁無縫管生產工藝復雜，有縫管對焊接設備要求較高，國內小直徑有縫管生產工藝不成熟。液壓波紋管標準化和系列化程度高，用戶可根據專業生產廠家樣本選型。焊接波紋管一般為單層或雙層，耐壓性受限制。焊縫數量與波數成正比，生產周期長，價格高，剛度小、允許位移大（壓縮率達40%～60%）。原材料為板材或帶材，比較容易獲得，并且可以選用塑性差而彈性性能好的材料，標準化和系列化程度差。

5　結語

波紋管閥門的使用工況越來越苛刻，對波紋管的材料提出了更高要求。在閥門用特種材料波紋管選用過程中，要根據閥門具體工況，選擇合適的材料和波紋管成型方法。閥門用特種材料波紋管因具有耐高壓、耐高溫、耐腐蝕、長壽命的特點，必將成為閥用波紋管的發展趨勢。

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