Шаровые краны из нержавеющей стали и углеродистой стали: материалы и применение

При сравнении шаровых кранов из нержавеющей стали и углеродистой стали выбор материала корпуса является настоящим инженерным решением. Основной вопрос прост: требуются ли для вашего применения шаровые краны из нержавеющей или углеродистой стали? Вам необходимо одновременно оценить состав, производительность, стоимость и типичное использование. Многие инженеры также упускают из виду такие важные факторы, как пожаробезопасная конструкция, риски гальванической коррозии и соответствие требованиям NACE для эксплуатации в кислых средах. Шаровой кран из нержавеющей стали 316 обеспечивает превосходную коррозионную стойкость, а шаровой кран из кованой стали обеспечивает прочность при высоком давлении. Понимание этих компромиссов поможет вам выбрать правильный клапан для вашей системы. Читайте дальше, чтобы сравнить, что важно.

Ключевые выводы

• Шаровые краны из углеродистой стали стоят дешевле и выдерживают высокое давление, но они легко ржавеют и требуют покрытия.

• Шаровые краны из нержавеющей стали устойчивы к коррозии и хорошо работают в суровых условиях, но стоят дороже.

• Выбирайте углеродистую сталь для сухих, неагрессивных работ, таких как нефть и газ, чтобы сэкономить деньги.

• Выбирайте нержавеющую сталь для влажной, химической или пищевой промышленности, чтобы избежать ржавчины и ремонта.

• При выборе клапана для тяжелых условий эксплуатации проверьте пожарную безопасность и правила NACE.

Шаровые краны из углеродистой стали: состав и прочность

Из чего сделана углеродистая сталь

Углеродистая сталь начинается с железа и небольшого количества углерода. Количество углерода низкое, поэтому металл прочный и легко поддается сварке. Затем производители добавляют другие элементы, чтобы адаптировать материал для использования в клапане. Хром, молибден, никель, кремний и медь служат определенной цели в конечном сплаве.

Марганец также помогает остановить ржавчину и коррозию стали. Эти элементы вы увидите в шаровом кране из кованой стали . Там процесс ковки выравнивает структуру зерен, обеспечивая дополнительную прочность. Углеродистую сталь проще изготавливать, чем нержавеющую сталь, и эта простота делает ее дешевле.

Поведение при давлении и температуре

Шаровые краны из углеродистой стали известны как рабочие лошадки высокого давления . Они справляются с тяжелыми работами в умеренном температурном диапазоне. ASME B16.34-2017, в таблице 2-1.1 указаны допустимые безударные рабочие давления для углеродистой стали A216 WCB (группа материалов 1.1). Клапан класса 600 достигает давления 1480 фунтов на квадратный дюйм (102,0 бар) в диапазоне от -29°C до 38°C. Клапан класса 900 достигает давления 2220 фунтов на квадратный дюйм (153 бар изб.) в том же диапазоне. Для клапанов промежуточного класса 800 вы рассчитываете: одну треть значения класса 600 плюс две трети значения класса 900. Это дает около 1973 фунтов на квадратный дюйм.

Рейтинги падают по мере повышения температуры. Клапан класса 600 падает до 1350 фунтов на квадратный дюйм при 100 °C и до 730 фунтов на квадратный дюйм при 300 °C. Углеродистая сталь WCB достигает своего предела при 425°C. Он имеет предел прочности не менее 485 МПа и предел текучести не менее 240 МПа. Ударная вязкость остается на уровне 27 Дж или более при температуре -20°C. Эти клапаны имеют номинальное давление PN40 и маркировку CE согласно PED 2014/68/EU для работы с паром.

Шаровые краны из углеродистой стали: плюсы и минусы

Преимущества стоимости и прочности

Шаровые краны из углеродистой стали стоят дешевле, чем из нержавеющей стали. Металл легче резать и сваривать, поэтому производители перекладывают на вас эту экономию. Эта более низкая первоначальная цена делает клапаны из углеродистой стали разумным выбором для крупных проектов с множеством клапанных станций.

Металл также обеспечивает высокую механическую прочность. Он хорошо работает при высоких температурах и высоком давлении, что подходит для тяжелых промышленных работ. Вы получаете герметичное уплотнение и длительный срок службы в трубопроводах сырой нефти и природного газа, особенно в конструкциях с цапфой. Утечка остается низкой, если вы выберете клапан, подходящий к условиям линии.

Коррозия и химические пределы

Шаровые краны из углеродистой стали плохо противостоят коррозии. Металл ржавеет при контакте с влагой и не переносит кислот, щелочей и солей. Наружные или влажные установки требуют антикоррозионного покрытия, чтобы прослужить долго. Даже при наличии покрытия ржавчина все равно может накапливаться внутри водопроводов.

Клиент использовал шаровые краны из углеродистой стали на водопроводах с наружным покрытием, но ржавчина со временем все равно росла внутри. Это привело к остановке на ремонт, и затраты оказались выше, чем если бы с самого начала использовалась арматура из нержавеющей стали.

Это ограничение определяет, где вы используете клапаны из углеродистой стали. Они подходят для нефте- и газопроводов, паровых систем и неагрессивных промышленных жидкостей. Линии очистки воды требуют особого ухода, поскольку ржавчина и накипь ухудшают качество воды и блокируют работу. Если у вас агрессивная среда или влажная среда, шаровой кран CF8M или шаровой кран из нержавеющей стали 316 обеспечит вам устойчивость к коррозии, которой не хватает углеродистой стали. Шаровой кран из кованой стали по-прежнему хорошо работает при высоком давлении, в сухих и некоррозионных условиях.

Шаровые краны из нержавеющей стали: марки и коррозионная стойкость

Распространенные марки и легирующие элементы

Для изготовления клапанов чаще всего используются Эти марки обеспечивают высокую коррозионную стойкость, хорошую прочность и высокую вязкость. Хром и никель являются основными металлами этой группы. Молибден, медь и азот повышают производительность. аустенитные нержавеющие стали .

Оценка 304 — самый полезный вариант. Он содержит около 18% хрома и 8% никеля. Эта марка хорошо противостоит многим жидкостям и газам. Но хлориды, такие как морская вода и дорожная соль, могут вызвать образование язв. В марку 316 добавляется от 2% до 3% молибдена. Это дополнение значительно повышает устойчивость к хлоридам. Шаровой кран из нержавеющей стали 316 подходит для агрессивных жидкостей и морских зон. Марка 316L — это низкоуглеродистая версия для эксплуатации в условиях высоких температур. Марка 303 легко режется для сложных корпусов клапанов.

Тепловые и коррозионные характеристики

Шаровые краны из нержавеющей стали работают лучше, чем углеродистая сталь, в тяжелых условиях. Содержание хрома создает пассивный оксидный слой. Этот слой защищает металл от ржавчины и химических повреждений. Вы получаете лучшую коррозионную стойкость в условиях влажной, кислой или щелочной среды. Клапаны из нержавеющей стали также работают в широком диапазоне температур. Они сохраняют свою прочность от криогенного холода до температуры около 400°F (около 200°C).

Эти особенности делают нержавеющую сталь идеальной для чистых сред. Продукты питания, напитки и лекарственные растения зависят от этих клапанов. Химическая обработка и морские работы также нуждаются в таком уровне химической стойкости. Материал выдерживает промывку, дезинфицирующие средства и солевой туман. Углеродистая сталь не может сравниться с этой прочностью во влажных или агрессивных местах.

Шаровые краны из нержавеющей стали: плюсы и минусы

Преимущества долговечности и гигиены

Шаровые краны из нержавеющей стали гораздо лучше борются с ржавчиной и химическими повреждениями, чем углеродистая сталь. Они работают в соленой воде, в системах с высокой температурой и давлением до 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Эта коррозионная стойкость обеспечивается слоем оксида хрома, о котором вы читали ранее. Этот слой восстанавливается при царапинах, поэтому металл продолжает защищать себя. Вы получаете исключительную долговечность в тех местах, где углеродистая сталь выйдет из строя в течение нескольких лет.

Гигиена имеет такое же большое значение в чистоте обслуживания. Санитарные клапаны группируются по степени обработки внутренней поверхности, измеряемой как Ra (средняя шероховатость). Более низкое значение Ra означает более гладкую поверхность. Для санитарно-гигиенических применений обычно требуется Ra 32 или выше, поскольку бактерии не могут прилипать к поверхности, напоминающей стекло. Многие производители полируют внутренние поверхности до 20 Ra, а при необходимости можно выполнить электрополировку до 15 Ra. Заполненные полости сиденья и устранение мертвых зон дополняют картину. Эти особенности предотвращают скопление остатков, в которых размножаются микроорганизмы. Шаровой кран CF8M, изготовленный в соответствии с этими стандартами, подходит для линий по производству продуктов питания, напитков и лекарств.

Более высокая стоимость и типичные области применения

Главный недостаток – цена. Шаровые краны из нержавеющей стали стоят на 40–70 процентов дороже, чем из углеродистой стали по базовой стоимости. Стоимость корпуса из углеродистой стали того же размера с седлами из ПТФЭ составляет около 15 долларов, а стоимость корпуса из нержавеющей стали 316 превышает 45 долларов. Этот разрыв обусловлен исключительно сырьем. Вы также платите за вес, поскольку нержавеющая сталь тяжелее латуни или пластика.

Эта премия окупается в правильных отраслях. Химическим и нефтехимическим предприятиям необходима арматура из нержавеющей стали, поскольку кислоты и растворители превышают пределы, допустимые для углеродистой стали. Производители нефти и газа используют их в линиях контроля устья скважин и сепарационных установках. Линии по производству продуктов питания, напитков и фармацевтических препаратов зависят от их циклов очистки на месте и стерилизации на месте. Морские и опреснительные системы отдают предпочтение 316, а не 304, поскольку молибден устойчив к точечной коррозии. Меньшее количество ремонтов и более длительный срок службы обеспечивают надежную долговременную работу даже в условиях экстремальных погодных условий.

Шаровые краны из нержавеющей стали и углеродистой стали: сравнение друг с другом

Коррозия, стоимость и прочность

Сравнивая шаровые краны из нержавеющей и углеродистой стали, вы сталкиваетесь с очевидным компромиссом. Углеродистая сталь обеспечивает более высокую прочность на разрыв за меньшую цену. ASTM A216 WCB достигает предела прочности на разрыв 485–655 МПа и предела текучести не менее 250 МПа. Нержавеющая сталь ASTM A351 CF8M обеспечивает прочность на растяжение 540 МПа и предел текучести 290 МПа. Цифры близки. Углеродистая сталь выигрывает по первоначальной стоимости, а нержавеющая сталь – по устойчивости к коррозии.

Этот разрыв в стоимости имеет значение. Углеродистая сталь стоит дешевле, потому что ее легче обрабатывать и сваривать. Шаровые краны из нержавеющей стали стоят на 40–70 процентов дороже по базовой цене. Корпус из углеродистой стали стоит около 15 долларов за полудюймовый клапан с седлами из ПТФЭ. Корпус из нержавеющей стали 316 стоит более 45 долларов. Вы платите за хром и молибден, которые создают пассивный слой.

Устойчивость к коррозии является самым большим отличием. Углеродистая сталь нуждается в покраске или покрытии, чтобы выдерживать влажные условия. Клапаны из нержавеющей стали имеют встроенную защиту. В марку 316 добавляется молибден для борьбы с хлорид-ионами, точечной и щелевой коррозией. Эта разница определяет выбор материалов для химических заводов, морских платформ и опреснительного оборудования.

Экономия денег на клапане из углеродистой стали для линии агрессивных химикатов обойдется вам в три раза дороже из-за простоя и замены в течение года. С другой стороны, использование дорогой нержавеющей стали 316 для линии сухого воздуха — это ненужные расходы.

Типичные среды и условия эксплуатации

Шаровые краны из углеродистой стали предназначены для работы с неагрессивными углеводородами. Их можно найти в нефте- и газопроводах, паропроводах и системах сухого воздуха. Шаровой кран из кованой стали хорошо работает в условиях высокого давления, где коррозия не является проблемой. Эти клапаны достигают давления 1480 фунтов на квадратный дюйм в классе 600 в диапазоне от -29°C до 38°C. Номинальное давление падает с ростом температуры, падая до 730 фунтов на квадратный дюйм при 300°C. Углеродистая сталь WCB достигает максимальной температуры 425°C.

Шаровые краны из нержавеющей стали предназначены для различных сред. Системы обращения с химикатами нуждаются в устойчивости к хлоридам, которую обеспечивает 316. Линии для производства продуктов питания, напитков и лекарств требуют гигиены и легкой очистки нержавеющей стали. Морские системы и опреснительное оборудование зависят от содержания молибдена в борьбе с воздействием соленой воды. Шаровой кран CF8M хорошо работает во влажных и агрессивных средах.

Температурные диапазоны двух материалов перекрываются. Нержавеющая сталь сохраняет свою прочность от очень низких температур до 400°F. Углеродистая сталь хорошо работает при умеренных температурах, но не может сравниться с нержавеющей сталью при сильном холоде или влажной жаре.

Выбор СМИ влияет на решение. Неагрессивные жидкости при высоком давлении предпочитают углеродистую сталь. Кислоты, хлориды и гигиенические услуги требуют нержавеющей стали. Долговечность нержавеющей стали окупается со временем в суровых условиях. Углеродистая сталь обеспечивает экономию средств в сухих контролируемых средах.

Материалы клапанов: упущенные из виду факторы выбора

Требования пожарной безопасности и гальваническая коррозия

Пожарная безопасность часто решает, какие материалы для клапанов вы можете выбрать. Шаровой кран с мягким седлом может выдержать испытания под давлением при нормальном использовании, но может серьезно выйти из строя при пожаре. Седла из чистого ПТФЭ горят или превращаются в газ при температуре около 260°C, не оставляя после себя уплотнения. Наполненный углеродом ПТФЭ замедляет процесс выгорания и оставляет обуглившееся уплотнение, поэтому некоторые марки соответствуют стандарту API 607. Графитовые седла сами по себе противостоят огню и медленно окисляются при температуре выше примерно 500°C. Металлические вставки седла, такие как стеллит или карбид вольфрама, вообще не содержат горючих материалов. Эти конструкции с металлическим седлом являются стандартными для пожаротушения, магистральных трубопроводов сырой нефти и высокотемпературного пара.

API 607 ​​и API 6FA устанавливают правила тестирования. Клапан горит не менее 30 минут при температуре 760–1000°C в соответствии со стандартом API 607. Утечки наружу должны оставаться на уровне 400 мл/мин на дюйм или ниже, а утечки через седло — на уровне 2500 мл/мин на дюйм или ниже. API 6FA требует отсутствия внешних утечек и более жестких ограничений по седлу. Всегда проверяйте, включено ли в конструкцию второе металлическое седло, огнестойкое уплотнение штока и антистатическое устройство. Попросите отчет об утверждении типа при огневых испытаниях и подтвердите, что проверенный размер, класс давления и материалы соответствуют вашему заказу.

Гальваническая коррозия – вторая ловушка. Когда вы соединяете углеродистую и нержавеющую сталь в одной системе трубопроводов с присутствием влаги, нержавеющая сталь действует как катод. Он вытягивает электроны из углеродистой стали, которая становится анодом. Углеродистая сталь затем быстро ржавеет и ослабевает. Вот почему шаровой кран из кованой стали, прикрепленный болтами к золотнику шарового крана из нержавеющей стали 316, требует изолирующей прокладки или диэлектрического соединения. Никогда не игнорируйте эту пару при эксплуатации на мокрой или подземной земле.

Соответствие NACE и отслеживаемость

Кислый сервис добавляет еще один слой. Твердость NACE MR0175 и MR0103 при 22 HRC для углеродистых и низколегированных сталей для предотвращения сульфидного растрескивания под напряжением. Корпуса A216 WCB и A105 нуждаются в термообработке после сварки для контроля твердости в зоне термического влияния. Для болтов должны использоваться марки низкой твердости, такие как ASTM A193 B7M и A194 2HM. На аустенитные детали, такие как CF8M, распространяются более строгие правила согласно MR0175. Температура, уровень хлоридов и парциальное давление H2S должны находиться в пределах допустимых графиков ISO 15156, часть 3. Шаровой кран CF8M может работать на выходе из трубопровода, но по этой причине выходить из строя на входе.

Прослеживаемость связывает все воедино. API Q1 помогает отслеживать материалы, компоненты и производственные записи на протяжении всего процесса. Попросите у своего поставщика отчеты об испытаниях материалов со значениями твердости, отчеты об испытаниях на давление и герметичность, а также сертификат монограммы API 6D . Лазерное травление маркирует каждую деталь навсегда, не повреждая ее структуру. Эти записи позволяют отслеживать каждый клапан по его номеру плавки и результатам испытаний.

Пожарная безопасность, гальванический риск и ограничения NACE могут перевесить простое сравнение стоимости или коррозии. Перед покупкой сопоставьте материалы вашего клапана с полными условиями эксплуатации.

У вас есть четкий выбор между шаровыми кранами из нержавеющей стали и шаровыми кранами из углеродистой стали. Выбирайте углеродистую сталь для работ под высоким давлением, не вызывающих коррозию, где стоимость имеет решающее значение. Он работает с маслом, газом, паром и воздухом. Вы должны покрывать его и часто за ним ухаживать. Выбирайте нержавеющую сталь для мест, где необходима чистота, химическая защита или суровые погодные условия. Шаровой кран CF8M или шаровой кран из нержавеющей стали 316 предназначен для работы с кислотами, химикатами, пищевыми продуктами и водой. Он не требует особого ухода и отлично борется с ржавчиной. Шаровой кран из кованой стали отлично работает в сухих системах высокого давления . Сопоставьте свой выбор со средой, температурой, давлением и правилами, которым вы должны следовать. Не делайте выбор, основываясь только на первоначальной цене. Поговорите со специалистом по клапанам или запросите расценки.

Часто задаваемые вопросы

Какой материал выбрать для линии сухого газа высокого давления?

Углеродистая сталь лучше всего подходит для этой работы. Шаровой кран из кованой стали выдерживает высокое давление при меньших затратах. Вы экономите деньги, когда носитель остается сухим и не подверженным коррозии. Нержавеющая сталь требует дополнительных затрат, которые вам здесь не нужны.

Когда шаровой кран из нержавеющей стали 316 имеет больше смысла?

Выбирайте 316, когда хлориды, кислоты или влажные условия угрожают углеродистой стали. Содержание молибдена препятствует точечной и щелевой коррозии. Морские, химические и пищевые линии нуждаются в такой защите. Вы избежите ремонта из-за ржавчины и остановок с течением времени.

Влияет ли выбор шаровых кранов из нержавеющей стали или углеродистой стали на пожаробезопасность?

Да. Мягкие седла из ПТФЭ горят при температуре около 260°C и не оставляют уплотнений. Графитовые или металлические седла устойчивы к огню и соответствуют стандарту API 607 . Выбор материала сиденья зависит от вашего применения. Всегда проверяйте отчет об испытаниях на огнестойкость перед покупкой.

Что такое соответствие NACE и почему это важно?

NACE MR0175 ограничивает твердость 22 HRC для углеродистых и низколегированных сталей. Этот предел предотвращает сульфидное растрескивание под напряжением при эксплуатации в кислой среде. Шаровой кран CF8M подчиняется более строгим правилам ISO 15156. Подберите свой клапан в соответствии с уровнем H2S и содержанием хлоридов.

Можно ли смешивать углеродистую и нержавеющую сталь в одной трубопроводной системе?

Можно, но гальваническая коррозия становится реальной опасностью. Нержавеющая сталь действует как катод и вытягивает электроны из углеродистой стали. Углеродистая сталь быстро ржавеет. При работе с мокрой средой используйте изолирующую прокладку или диэлектрическую муфту.