iData_瓶阀阀体材料的研究_徐维普
《热加工工艺》2014年1月第43卷第2期
气瓶阀是气瓶最重要的安全附件，它方便用户使用和调节压力。由于气瓶阀与不同的气瓶相匹配，因此其种类繁多，材料及结构等千差万别。我国每年制造的气瓶阀门数量巨大，仅仅是为新制造的气瓶配备的阀门就超过2000万只，加上为大量检验站和充装站配的阀和出口的阀，每年总计近三千万只。同时，我国还每年进口大量的高纯气体及其他方面的气瓶阀门。虽然瓶阀种类超过1千种，数量也非常大，但瓶阀用材料却相当固定。最常规的瓶阀材料是铜基合金、碳钢、不锈钢和铝合金。
1铜基合金材料探讨
铜材料作为瓶阀的主体材料使用多年，主要有几个特点，首先是铜合金材料不会像钢铁材料一样在发生撞击等状况时出现火花等安全隐患；第二个特点是铜合金材料加工工艺性能良好，加工起来非常方便；第三个特点是铜合金具有自润滑等优势，对于保障安全，减少事故都具有非常良好的作用。
虽然铜合金有很多优点，但具体到我国的瓶阀产业，也有一定的隐患。我国目前有大量的中小企业从事气瓶阀的生产，由于恶性竞争，大量质量低劣的产品流入市场，气瓶事故越来越多，给广大人民群众的生命和财产造成了巨大的损失，给安全生产带来了巨大的隐患。究其原因，一方面有利益的追求；另一方面，瓶阀国家标准中对阀体材料的限定一定程度上限制了新材料应用，使得瓶阀的生产难于降低成本。
由于目前的行业认知及国家相关标准的要求，我国国内瓶阀企业目前生产的气瓶阀除液氨瓶阀外基本上都是使用铜基材料[1-3]。
据估算，我国瓶阀行业每年消耗的铜基材料超过1万吨，是一个消耗铜材料比较大的产业。对于铜基材料而言，目前使用最多的是HPb59-1铜棒。其化学成分及力学性能要求见表1。
由于瓶阀的阀体都是将铜棒冲压成各种形状，因此瓶阀的阀体主体材料均是首先采购铜棒。铜棒目前有两种来源，一种是专业的铜棒加工企业按照要求制造好铜棒提供给瓶阀企业；另外一种情况是瓶阀企业自己有熔炼设备，可进行土法炼制并制作拉制铜棒。
由于材料来源不一，因此我国的国家相关法规TSG R001-2009《气瓶附件安全技术监察规程》及相关的国家标准如GB15382-2009《气瓶阀通用技术条件》等均要求对企业产品进行型式试验时，需要进行铜材的化学成分和力学性能试验。
由于瓶阀均使用圆铜棒，因此我们主要采用，如图1所示的图样加工不同尺寸的样棒进行拉伸试验。
瓶阀阀体材料的研究
徐维普,李前
（上海市特种设备监督检验技术研究院，上海200333）
摘要：从经济性和制造可行性方面对各类阀体材料的使用进行了探讨。
关键词：气瓶阀门；铜；碳钢；不锈钢
中图分类号：TG113.2文献标识码：A文章编号：1001-3814(2014)02-0059-02
Research on Cylinder Valves Materials
XU Weipu,LI qian
(Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Station,Shanghai200333,China) Abstract：The usabilily of all kinds of cylinder valve materials was investigated from the economical efficiency and manufacture feasibility.
Key words：cylinder valve;copper;carbon steel;stainless steel
收稿日期:2013-05-18
作者简介:徐维普(1977-),男,山东烟台人,博士,从事特种设备型式试验及检测技术、金属材料及焊接的研究;
电话:021-********(0);E-mail:neiltwo@https://www.wendangku.net/doc/6e14492318.html,
表1瓶阀阀体材料要求
Tab.1Material requirement for valve
序号项目内容
1
力学性能
(GB/T4423的规定)
棒材直径或对
边距离/mm
抗拉强度R m
/MPa
伸长率A(%)
5~20不小于420不小于12
>20~40不小于390不小于14 2
化学成分
(GB/T5231的规定)
Cu(wt%)Pb(wt%)Fe(wt%)
57.0~60.00.8~1.9不大于0.5
59
Hot Working Technology 2014,Vol.43,No.2
而对于化学成分的检测，目前各个厂家及检测机构均采用直读式光谱仪进行分析检测。为检测阀体材料的抗应力腐蚀性能，通常还会开展氯化铵的应力腐蚀试验，验证材料在极端环境下的使用性能[4-5]。
通过对2010年到2012年多家瓶阀制造企业的产品检测发现，目前企业送检产品的化学成分和力学性能均能满足表1要求，但有的企业会有一定偏差。
2碳钢材料探讨
液氨瓶阀所接触的氨气是具有强腐蚀性的有毒
物质，绝对干燥的氨不会腐蚀铜，但在有水分存在时，就会与铜反应形成络合物，腐蚀铜材(特别是黄铜)。因此，氨阀不允许使用铜材料，GB15382-2009中规定宜选用优质碳素结构钢。选用碳钢材料作为阀体首先是因为碳钢与带水氨的化学反应速度较慢，腐蚀速度比较低；另外一个原因是因为低碳碳素钢硬度较低，加工性能相当较好。而液氨钢瓶因为液氨本身的压力比较低，使用低强度的低碳碳素钢也完全能满足使用要求。
3不锈钢材料探讨
随着我国高新技术的快速发展，微电子和半导体行业对大规模集成电路的需求大量增加，生产中使用的各种高纯电子气的纯度需达到99.999%～
99.9999%，甚至现在出现了7个9的纯度，才能保
证电子器件的高质量。高纯气体例如氮气、氢气、氩气、氦气等，通常是利用气瓶进行储存和运输，因此，要求瓶阀阀体材料不仅要有极高的光滑度，而且要有很高的耐磨特性[6]。
对于腐蚀性较强的高纯气体，必须选用耐腐蚀的不锈钢材料作为阀体材料，如304L 和316L 等，否则会在阀体内表面产生腐蚀斑，严重时将出现金属剥离甚至穿孔，导致高纯气体被污染。加工不锈钢阀体材料时需要经电解抛光处理，降低表面粗糙度，才能达到耐腐蚀和高纯度的要求。目前，我国虽然有少数企业可制造不锈钢阀体，但因为工艺及设备方
面均存在一定不足，因此目前国内使用的高纯气体用瓶阀基本都是进口。
4铝合金材料探讨
铝合金是目前少量使用的一种瓶阀阀体材料。
使用铝合金，基本上可以满足目前的几乎所有的瓶阀生产厂家的要求。从使用性能来讲，由于瓶阀主要是一些口径小的阀门，虽然压力大，但因为流量小，因此对于强度的要求不是很高。另外，铝合金的抗氧化性能一流，可满足氧气瓶阀的需要。而从加工性能来看，由于铝合金相对比较软，因此在目前的瓶阀车床上，几乎连刀具也不用换，就可以轻松的进行加工，其效率丝毫不会比铜合金差。
使用铝合金进行替代，存在的唯一一个问题就是高温性能。由于气瓶有可能遭遇到火烧等意外情况，在这种情况下，需要瓶阀能够忍受一定的高温考验。目前使用的铜合金可承受900℃以下的高温，在大部分火烧的情况下，可在比较长的时间里不失效，从而可为事故的避免争取时间。而铝合金大部分在
400℃就开始软化失效，不能满足苛刻情况下的要
求。若要提高高温性能，可选择硬铝材料，但是这种材料的加工性能就会下降。
5结论
(1)铜基合金因为加工性能及使用性能等多重
优势，是目前瓶阀阀体的主要材料；碳钢因为价格便宜，更换简单及耐液氨腐蚀性能较好等优势主要使用在液氨瓶阀上。
(2)不锈钢材料因为洁净度高而使用在高纯气
体行业，铝合金材料目前在少量产品上得到应用，但前景还需观察。参考文献：
[1]张会．铅黄铜截止阀成形工艺优化分析[J]．热加工工艺，
2012，41(3)：76-79．
[2]李文兵，姚明傲，唐生渝．高强耐磨复杂铝黄铜熔铸工艺的研究[J]．热加工工艺，2011，40(17)：59-62．
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[4]余龙，陆明，刘鹏，等．HPb59-1黄铜阀体铸造工艺试验研究
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[5]袁奕雯，徐维普，杨金富．气瓶阀门型式试验新旧标准比较研究[J]．阀门，2010(1)：40-43．
[6]
曲萍，李军荣，胡丽萍，等．锻制不锈钢阀体加工工艺的分析与研究[J]．阀门，2011(1)：15-16．
图1拉伸试验样棒示意图
Fig.1Images for tensile samples
r
D
d
L t L t -L 夹持端
L e L e
60