介绍
ASTM A216 / ASME SA-216- WCB等级 - 是在压力温度应用中常用的标准铸碳钢名称.
从历史上采用的石化化学, 发电, 水厂和一般工业部门, WCB铸件出现在大门, 地球, 检查和球阀, 管配件, 泵体和压力容器.
它结合了低材料成本, 良好的可铸性和可加工性, 并在广泛温度窗口上可接受的机械性能, 这使其成为腐蚀性攻击和极端温度不是主要驱动因素的标准选择.
1. 什么是A216 WCB碳钢?
A216 WCB (ASTM A216 / ASME SA-216 WCB级) 是通用 投掷 碳钢 指定用于压力铸件（例如阀体）, 泵外壳, 法兰和容器组件.
它被配制为可焊接, “低碳”钢 (0.25–0.35％c) 打算提供务实的成本平衡, 可铸性, 可加工性, 韧性和力量在环境和中等温度升高.
典型的服务指导将WCB置于该范围 –29°C至〜427°C, 尽管确切的允许工作温度取决于设计代码, 截面厚度和所需的机械/冲击特性.
等级设计故障 (“ WCB”的意思是什么)
ASTM A216使用紧凑的字母代码来描述预期的服务和相对属性:
- W - 可焊接: 控制化学和熔化实践以减少可焊性问题 (低氢开裂趋势和适度的可耐用性).
- C-碳钢: 不是故意合金的等级 (没有故意的高CR, NI添加如不锈钢/合金铸钢).
- B - B级: A216家族内的中端强度/延展性平衡. (其他A216等级: WCA =低强度碳等级; WCC =更高的碳/高强度等级。)
2. ASTM A216 WCB碳钢的典型化学
| 元素 | 典型范围 (wt％) | 角色 / 影响 |
| c (碳) | 0.25 - 0.35 | 主要强度/坚固性驱动力. 较高的C→更高的速度强度和硬度, 但是降低了焊接性和韧性; 促进珠光体分数. |
| Mn (锰) | 0.60 - 1.20 | 脱氧剂和增强剂; 提高坚固性和拉伸强度; 用S的过多MN可以形成MN夹杂物. |
| 和 (硅) | 0.10 - 0.50 | 脱氧剂; 较小的添加提高了熔化过程中的强度和氧化抗性; 在某些条件下，太多会促进脆弱性. |
| p (磷) | ≤ 0.04 (typ. 0.02–0.04) | 杂质 - 增加力量但降低韧性并促进靠着; 压力零件的低点. |
s (硫) |
≤ 0.05 (typ. 0.01–0.05) | 杂质 - 提高可加工性作为硫化物，但会引起热效率并降低韧性; 在压力压力熔体中受控/脱硫. |
| 铜 (铜) | 痕迹 - ≤0.40 | 通常是残留; 小铜改善大气腐蚀性和强度. |
| 在 (镍) | 痕迹 - ≤0.40 | WCB通常低; 小NI改善了韧性，但并非作为合金添加. |
| Cr (铬) | 痕迹 - ≤0.30 | 通常非常低; 较高的CR表示合金铸钢而不是WCB. |
| 莫 (钼) | 痕迹 - ≤0.08 | 通常不存在; 重要的MO表示高温服务的合金等级. |
| 铁 (铁) | 平衡 | 碱金属. |
| o, n, 其他流浪汉元素 | ppm级别 | 氧气过多, 氮, 或流浪元素 (例如。, sn, pb, 作为) 降解延展性和韧性 - 由熔体实践控制. |
3. A216 WCB碳钢的机械性能
性能 ASTM A216 WCB 服用碳钢服用取决于其 机械性能, 由化学控制, 截面大小, 铸造质量, 和热处理.
典型的室温机械性能
(如ASTM A216指定 / ASME SA-216, 使用典型的铸造数据)
| 财产 | 要求 (ASTM A216 WCB) | 典型范围 (归一化 / 热处理) | 笔记 |
| 抗拉强度 (UTS) | ≥ 485 MPA (70 KSI) | 485–655 MPA (70–95 ksi) | 通过精细珠光体结构可以实现的较高值. |
| 产生强度 (0.2% 抵消) | ≥ 250 MPA (36 KSI) | 250–450 MPA (36–65 KSI) | 随着较高的碳和较小的截面厚度增加. |
| 伸长 (在 2 在 / 50 毫米) | ≥ 22% | 22–30％ | 由于冷却速率，延展性随着截面大小的增加而降低. |
| 减少面积 | ≥ 30% | 30–40％ | 表明延展性和抗脆性断裂性. |
| 硬度 (布里尔, HBW 10/3000) | 未指定 | 130–180 hb (铸造) / 150–190 hb (归一化) | 热处理后更高的硬度, 但是可加工性降低. |
| 影响能量 (charpy v-notch @ rt) | 标准不需要 (通常由购买者指定) | 20–40 J典型的RT | 高度依赖清洁度, p/s内容, 和热处理. |
截面尺寸效果: 大厚的铸件凉爽, 产生更粗的珠光/铁氧体结构→较低的拉伸强度和冲击韧性.
升高的机械性能
ASTM A216 WCB碳钢被广泛用于 中温压应用, 但是像所有碳钢一样, 它是 机械强度随着温度升高而降低.
| 温度 (°C) | 抗拉强度 (MPA) | 产生强度 (MPA) | 蠕变破裂强度 (10,000 h, MPA) |
| 100 | 〜530 | 〜290 | N/A。 |
| 200 | 〜500 | 〜270 | N/A。 |
| 300 | 〜460 | 〜240 | 〜180 |
| 400 | 〜410 | 〜210 | 〜120 |
| 427 | 〜390 | 〜200 | 〜100 |
4. 身体的 & A216 WCB碳钢的热性能
除了其机械性能, 这 物理和热特性 ASTM A216 WCB Cast Steel在工程设计中起着至关重要的作用.
这些值决定了绩效 温度变化, 热循环, 和压力服务, 特别是在法兰关节中, 阀体, 和管道组件.
典型的物理特性
| 财产 | 典型的价值 | 笔记 & 关联 |
| 密度 | 〜7.85 g/cm³ (7850 kg/m³) | 碳钢的标准; 用于管道和阀中的体重计算. |
| 弹性模量 (杨的模量, e) | 〜200 GPA (29,000 KSI) | 控制阀体和法兰的挠度和刚度. |
| 泊松比 | 0.27–0.30 | 铁质钢的典型; 对于有限元压力分析很重要. |
| 磁渗透性 | 〜200–600 (相对的) | WCB由于铁氧体/珠光体基质而是铁磁. |
| 电阻率 | 〜0.15 µΩ·m at 20 °C | 低电阻率, 典型的碳钢. |
热性能
| 财产 | 价值范围 | 工程意义 |
| 导热率 | 45–54 w/m·k (在20–100°C) | 锅炉套管和泵外壳中有效的传热; 高于不锈钢 (〜15 w/m·k). |
| 比热容量 (CP) | 〜480 j/kg·k (20 °C) | 控制热量存储和对热循环的响应. |
| 热膨胀系数 (CTE) | 〜11.0–12.5×10⁻⁶ /k (20–300°C) | 低于奥氏体不锈钢 (〜17×10⁻⁶ /k), 减少螺栓连接的热膨胀不匹配. |
| 热扩散率 | 〜14–17mm²/s | 影响热冲击阻力和冷却速率. |
| 融化范围 | 〜1425–1540°C | 确定铸造固化行为. |
5. A216 WCB碳钢的铸造过程
ASTM A216 WCB 组件最常由 铸件, 由于合金具有出色的可铸性，并广泛使用 阀, 法兰, 泵外壳, 和压力设备.
铸造方法的选择取决于 零件大小, 复杂, 成本, 并需要维度精度.
沙子铸造 (绿沙 / 树脂键的沙子)
- 用法: 主要过程 (>80% WCB生产). 适合 大的, 重的, 和复杂的零件 例如阀体, 压力外壳, 和法兰.
- 成型材料:
-
- 绿沙 (粘土键入): 低成本, 高生产率, 但是较低的尺寸精度.
- 树脂键的沙子 (Furan/酚类): 更好的力量, 维控制, 和关键阀体的表面饰面.
- 功能:
-
- 重量范围: 10 公斤到 >10 吨.
- 尺寸公差: CT 9–11 (ISO 8062).
- 表面饰面: RA12.5-25μm.
- 优点: 对大型铸件的成本效益; 与核心容纳复杂的内部通道.
- 限制: 需要更高的加工津贴 (3–6毫米); 容易表面缺陷 (沙包含, 粗糙度).
熔模铸造 (损失的蜡过程)
- 用法: 申请 较小或中型组件 在哪里 精度和表面质量 很关键, 例如。, 阀装饰零件, 泵叶轮, 小配件.
A216 WCB扩展的门阀 - 过程流: 蜡图案→陶瓷外壳建筑物→脱水→金属浇筑→去除外壳.
- 功能:
-
- 重量范围: 50 G - 50 公斤.
- 尺寸公差: CT 5–7 (ISO 8062).
- 表面饰面: RA3.2-6.3μm.
- 优点: 减少加工, 达到近网的形状, 出色的细节繁殖.
- 限制: 较高的成本与沙子铸造, 限于中/小零件.
壳模
- 用法: 中型, 中等复杂的WCB铸件. 经常用于 齿轮外壳, 泵外壳, 和阀门.
- 过程: 用热固性树脂涂有涂层的细砂被滴到加热的金属图案上→形成薄, 强壳模具→多层产生霉菌的一半→夹在一起以倒一起.
- 功能:
-
- 尺寸公差: CT 6–8.
- 表面饰面: RA6.3-12.5μm.
- 优点: 比沙子更高的精度, 更少的加工, 良好的可重复性.
- 限制: 更高的工具成本; 对于非常大的铸件不经济.
离心铸件
- 用法: 圆柱形或环形WCB组件, 例如 管道部分, 袖子, 和阀座戒指.
- 过程: 熔融钢倒入 旋转模具, 离心力将金属驱动到霉菌墙, 产生密集, 无缺陷结构.
- 功能:
-
- 壁厚均匀性: 出色的.
- 缺陷控制: 最小的孔隙度或收缩.
- 优点: 高冶金完整性, 细粒结构, 非常适合压力压力组件.
- 限制: 仅限于圆柱形几何形状.
铸造过程的比较摘要
| 过程 | 典型的尺寸范围 | 尺寸公差 (ISO 8062) | 表面处理 (RAμm) | 典型的应用 |
| 沙子铸造 | 10 公斤 - >10 吨 | CT 9–11 | 12.5–25 | 大阀体, 压力外壳, 法兰 |
| 熔模铸造 | 50 G - 50 公斤 | CT 5–7 | 3.2–6.3 | 小阀零件, 叶轮, 精密配件 |
| 壳模 | 1 - 200 公斤 | CT 6–8 | 6.3–12.5 | 泵外壳, 阀门, 齿轮外壳 |
| 离心铸件 | 直径: 50–1000毫米 | CT 7–9 | 6.3–12.5 | 管道部分, 戒指, 阀座环 |
| 连续铸造 | 坯料 & 酒吧 | CT 11–13 | >25 | 半整合原料 (WCB阀罕见) |
6. 热处理 & A216 WCB碳钢的热加工
热处理在控制 机械性能, 韧性, 和维稳定性 A216 WCB铸件.
热处理的目标
- 精炼微观结构 →平衡铁氧体/珠光体比, 溶解隔离.
- 增强机械性能 →增加韧性, 改善延展性, 稳定力量.
- 缓解残余应力 →降低加工或服务期间开裂的风险.
- 提高焊接性 →焊后热处理 (PWHT) 恢复焊接接头的延展性.
典型的热处理过程
标准化
- 过程: 加热 900–950°C, 空气冷却.
- 目的:
-
- 完善晶粒尺寸.
- 产生均匀的珠光石/铁氧体微观结构.
- 提高韧性和可加工性.
- 应用: 阀体的标准处理, 配件, 和压力组件.
退火
- 过程: 加热 850–900°C, 慢炉冷却.
- 目的:
-
- 减少硬度和残留应力.
- 增强可加工性 (对于复杂或加工的铸件有用).
- 应用: 不如归一化不常见; 在需要最大延展性的地方应用.
缓解压力
- 过程: 加热 580–620°C, 持有1-2个小时, 炉中缓慢冷却.
- 目的:
-
- 减少铸造或焊接的残余应力.
- 防止加工过程中的失真.
- 应用: 大阀铸件和焊接维修.
淬火 & 回火 (选修的)
- 过程:
-
- austEnitizing at 880–920°C, 其次是水/油淬火.
- 回火 600–700°C.
- 目的:
-
- 增加力量和硬度.
- 为特定应用提供了改善的耐磨性 (尽管与合金钢相比，WCB不常见).
对机械性能的影响
| 热处理 | 抗拉强度 (MPA) | 产生强度 (MPA) | 伸长 (%) | 影响韧性 (j, 在20°C) |
| 铸造 | 415–485 | 205–240 | 18–20 | 15–20 |
| 归一化 | 485–585 | 240–310 | 20–25 | 25–35 |
| 退火 | 415–485 | 205–240 | 22–28 | 20–25 |
| 压力减轻了 | 类似于铸造 | 类似于铸造 | 微微↑ | 微微↑ |
| 淬火 & 脾气 | 585–655 | 310–380 | 15–18 | 20–25 |
7. 加工, 焊接 & 制造
可加工性:
- 与低合金钢相比，WCB相对可加工. 以中等速度使用碳化物工具; 刚性削减的大中断受益于刚性设置.
典型的转弯速度取决于工具和部分: 例如。, 〜100–250 m/min，带碳化物插入物 (通过横截面和冷却液变化).
焊接指导:
- 预热/InterPass: 建议避免氢开裂并控制冷却速率; 典型的预热100–250°C取决于厚度.
- 填充金属: 使用匹配或合适的低合金钢消耗品 (例如。, 每个项目的ER70系列或指定的类).
- 焊后热处理 (PWHT): 在代码要求的情况下使用或减轻剩余压力 (典型的PWHT 550–650°C铸碳钢; 遵循焊接程序和代码).
- 维修焊接: 可以接受合格的程序以及随后的NDT/检查.
8. 腐蚀, 表面保护 & 涂料
腐蚀行为:
- WCB是基本的碳钢 - 易于在湿环境中进行一般腐蚀, 在停滞富含氯化物的水域中蚀, 与更多贵金属耦合时的电攻击.
它在水中表现足够, 油, 和非攻击性化学服务.
保护策略:
- 外涂层: 环氧树脂, 融合键合环氧, 聚氨酯, 或用于大气保护的沥青油漆.
- 镀锌: 可能有一些配件, 但有限的压力零件有加工面孔.
- 内部衬里: 橡皮, ptfe, 侵略性液体的玻璃衬里或环氧衬里 (腐蚀服务中的阀门常见).
- 阴极保护: 在被埋葬或淹没的结构上可行, 但是请考虑何时存在耦合金属.
9. 非破坏性测试 & 质量控制
WCB铸件的常见NDT:
- 视觉检查 (VT): 一线检查表面缺陷.
- 影像学测试 (RT): 检测内部孔隙度, 收缩. 通常需要压力压力铸件.
- 超声测试 (UT): 对于平面缺陷和厚部分的体积评估有效.
- 磁性粒子 (公吨) & 液体渗透剂 (pt): 表面破坏的不连续性.
- 硬度 & 拉伸测试: 每个ASTM/ASME采样计划. 冲击测试 (夏比) 指定服务可能需要 (特别是低温服务).
10. A216 WCB碳钢的应用
A216 GR WCB碳钢是 使用最广泛的铸钢 在压力设备和流量控制行业中.
阀行业
- 产品: 闸阀, 地球阀, 球阀, 检查阀, 和蝴蝶阀的身体.
- 服务条件:
-
- 温度: -29°C至427°C (每个ASTM/ASME).
- 压力: 到 150–2500级 取决于壁厚.
- 案例示例: API 600 用于炼油厂服务的闸阀经常指定A216 WCB用于碳钢选项.
管道配件 & 法兰
- 产品: 肘部, T恤, 还原器, 盲法, 焊缝法兰.
泵 & 压缩机
- 产品: 泵外壳, 叶轮 (低合金覆盖有时需要), 压缩机外壳.
- 例子: 发电厂中的锅炉给水泵通常使用带有内部涂料的WCB外壳来抗侵蚀.
压力容器 & 工艺设备
- 产品: 反应堆容器, 压力过滤器, 分离器, 蒸汽鼓 (成分, 不是整个船只).
活力 & 石油/天然气基础设施
- 管道阀: API 6D球阀, 弹阀.
- 炼油厂服务: 催化开裂单元阀, 蒸馏火车组件.
- 发电厂: 蒸汽隔离阀, 泵外壳, 脱硫化单元铸件.
- 性能需求: Subzero启动的韧性 (-29°C) 和循环热载荷下的强度.
工业机械 & 通用工程
- 应用领域: 重型设备外壳, 齿轮壳体, 耦合, 支持.
服务限制 (当不使用WCB)
- 腐蚀性媒体: 不适合侵略性氯化物, 酸, 或海水暴露 (改用不锈钢CF8M).
- 高温 (>427°C): 需要ASTM A217 WC6等合金铸造钢, WC9抗蠕变.
- 低温应用 (< -46°C): WCB失去韧性; 低温等级 (例如。, LCB, LCC) 需要.
11. 与替代方案进行比较
| 标准 | A216 WCB碳钢 | A217合金铸钢 (WC6/WC9) | 不锈钢钢 (CF8/CF8M) | 延性铁 |
| 成本 | ★★★★☆ (低的) | ★★☆☆☆ (高的) | ★☆☆☆☆ (很高) | ★★★★★ (非常低) |
| 耐腐蚀性 | ★★☆☆☆ (贫穷的, 需要涂层) | ★★☆☆☆ (缓和, 一些氧化抗性) | ★★★★★ (出色的) | ★★☆☆☆ (缓和, 通过涂料改进) |
| 最大限度. 温度 | 〜427°C | 〜593°C | 〜550°C | 〜300°C |
| 低温服务 | 不宜 (< -29 °C) | 有限的 | 出色的 (CF8M/CF3M变体) | 贫穷的 |
| 抗拉强度 (MPA) | 485–550 | 550–620 | 450–600 | 400–500 |
| 硬度 (HB) | 140–180 | 180–220 | 150–200 | 120–160 |
| 力量 & 韧性 | ★★★☆☆ (足够的) | ★★★★☆ (高温强度) | ★★★☆☆ (足够的, 低于锻造) | ★★☆☆☆ (降低) |
| 可焊性 / 维修 | ★★★★☆ (好的) | ★★★☆☆ (需要预热/PWHT) | ★★★☆☆ (更具挑战性) | ★☆☆☆☆ (有限的) |
| 最合适的应用 | 通用阀, 法兰, 泵外壳 | 锅炉, 汽轮机, 高温服务 | 化学/石化, 海水, 腐蚀性服务 | 低压水/气体系统 |
12. 结论
A216级WCB碳钢是含工业压力系统的骨干 - 它的成本效益, 可焊性, 平衡的属性使其无法替代，用于非腐败, 中等温度的应用.
从炼油厂到发电厂, 它可以安全, 太大或复杂而无法通过锻造过程生产的组件的可靠操作.
常见问题解答
Q1: 可以焊接A216 WCB吗?
一个: 是的 - A216 WCB是为焊接性设计的. 使用E7018低水电极进行厚部分 (>25 毫米) 防止冷裂; 薄部分不需要预热 (<25 毫米).
焊后应力缓解 (595–650°C) 建议用于焊接压力容器.
Q2: A216 WCB适合酸服务 (h₂s)?
一个: 否 - A216 WCB容易受到氢诱导的裂纹的影响 (嗝) 在H₂环境中.
用于酸味服务 (≥50ppmh₂s), 使用A350 LF2 (低合金) 或A217 WC9 (铬酸钢) 符合NACE MR0175.
Q3: 什么是最高温度A216 WCB可以处理的?
一个: ASTM A216将A216 WCB限制为427°C. 高于此温度, 蠕变变形加速 (0.1% 每 1000 在450°C的小时), 风险压力容器故障.
为了 >427°C服务, 使用A217 WC9 (593°C最大) 或316L (870°C最大).
Q4: A216 WCB在淡水服务中持续了多长时间?
一个: 带有环氧涂层, A216 WCB的使用寿命为15 - 20年的淡水 (腐蚀速率0.01–0.05毫米/年). 未涂层, 持续5-8年 (腐蚀速率0.1-0.3毫米/年).
Q5: A216 WCB和A516 GR有什么区别 70?
一个: A216 WCB是 铸件 (对于阀体等复杂形状), 而A516 gr 70 是 锻炼 (用于用于焊接压力容器的平板).
两者都有相似的拉伸强度, 但是A516 gr 70 具有更好的低温韧性 (-46°C vs. -29WCB的°C).
