(新疆寰球工程公司， 新疆 獨(dú)山子 833699)

哈氏合金B(yǎng)-3在壓力容器設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用探討

鐘瑩

(新疆寰球工程公司， 新疆 獨(dú)山子 833699)

哈氏合金B(yǎng)-3是一種多用途的優(yōu)良耐腐蝕合金和昂貴的壓力容器制造原材料，對(duì)其合理、充分及高效利用是降低生產(chǎn)成本和增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。從加強(qiáng)壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、提高復(fù)合鋼材選擇的針對(duì)性、尋求合適的機(jī)加工程序、保護(hù)工作從細(xì)節(jié)做起幾個(gè)方面探討了在哈氏合金B(yǎng)-3壓力容器設(shè)計(jì)及制造中應(yīng)注意的關(guān)鍵問題，可為工程實(shí)際中此類材質(zhì)的容器設(shè)計(jì)、制造提供參考。

壓力容器； 哈氏合金； 設(shè)計(jì)； 制造

哈氏合金是一種優(yōu)質(zhì)的鎳基耐蝕合金[1]，主要適用于鐵基Cr-Ni或Cr-Ni-Mo不銹鋼、非金屬材料等無法使用的強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)場(chǎng)合，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的石油化工、造紙、環(huán)保等領(lǐng)域。哈氏合金種類繁多，主要分為4個(gè)系列，分別是B、C、G、X系列[2]。哈氏合金B(yǎng)系中的B-3兼具良好的力學(xué)性能、物理性能和耐腐蝕性能。哈氏合金B(yǎng)-3的耐腐蝕范圍尤其廣泛，不僅在各種還原性介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，而且能耐常壓下各種溫度和濃度鹽酸的腐蝕，此外還對(duì)稀硫酸、乙酸、蟻酸、磷酸及其他非氧化性介質(zhì)也具有良好的抗腐蝕性[3]，甚至還耐鹵族催化劑的腐蝕。哈氏合金B(yǎng)-3是哈氏合金B(yǎng)-2經(jīng)化學(xué)成分優(yōu)化后推出的升級(jí)產(chǎn)品，其熱穩(wěn)定性較B-2合金有了大幅提高[4]。同時(shí)，哈氏合金B(yǎng)-3解決了哈氏合金B(yǎng)-2容易析出Ni-Mo沉淀硬化的問題，極大改善了其熱、冷加工性能。

作為壓力容器用合金鋼材，哈氏合金B(yǎng)-3的售價(jià)和加工難度遠(yuǎn)高出一般低合金鋼材和奧氏體不銹鋼，需要嚴(yán)格控制其用量并保證高效利用率[5]。筆者整理多年來的工作經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)哈氏合金B(yǎng)-3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選擇、機(jī)械加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝、焊接工藝等壓力容器設(shè)計(jì)和制造中應(yīng)注意的事項(xiàng)展開探討，以期為以后此類工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供借鑒。

1 設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意問題

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1避免采用需變形加工結(jié)構(gòu)

哈氏合金B(yǎng)-3優(yōu)異的強(qiáng)度高、韌性高等力學(xué)性能使其在機(jī)加工過程中應(yīng)變硬化傾向嚴(yán)重[6]。當(dāng)哈氏合金B(yǎng)-3的變形率達(dá)到15%時(shí)，其應(yīng)變硬化程度可達(dá)到奧氏體不銹鋼的2倍[7]。以哈氏合金B(yǎng)-3板材加工設(shè)備封頭為例，通常板材需要的局部纖維伸長(zhǎng)率大于10%，為了有效控制加工過程中的硬化傾向，加工必須分步成型。冷加工變形在提高材料屈強(qiáng)比的同時(shí)也會(huì)使應(yīng)力腐蝕傾向增加，所以板材的加工還應(yīng)增加中間和最終的固溶熱處理工序。由于是分步成型，往往需要進(jìn)行多次中間熱處理才能達(dá)到較好的效果，導(dǎo)致制造成本增大。在結(jié)構(gòu)允許的情況下使用平蓋結(jié)構(gòu)就能避免封頭加工的問題。

以封頭的設(shè)計(jì)為例，采用圖1b所示平蓋封頭代替橢圓封頭(圖1a)，就可以避免封頭加工過程中產(chǎn)生應(yīng)變硬化，完全避免硬化開裂的產(chǎn)生。

圖1 容器封頭接頭形式

1.1.2合理使用哈氏合金B(yǎng)-3

當(dāng)設(shè)計(jì)壓力和溫度滿足要求時(shí)，法蘭結(jié)構(gòu)可優(yōu)先采用PJ/SE形式。采用PJ/SE結(jié)構(gòu)時(shí)，法蘭環(huán)的材料宜選用不銹鋼，以節(jié)省哈氏合金材料，且可以避免污染B-3材料表面，見圖2b。

對(duì)于管法蘭結(jié)構(gòu)，使用PJ/SE結(jié)構(gòu)比使用WN法蘭連接結(jié)構(gòu)能極大減少B-3材質(zhì)的使用量，尤其對(duì)較大直徑的法蘭，經(jīng)濟(jì)效益更為明顯。對(duì)于使用復(fù)合鋼板的設(shè)備，在一些難于加工的部位，如殼體變徑過渡段、封頭、管板、法蘭面、接管和殼體連接等部位，可以采用堆焊層代替復(fù)層，也能降低制造加工難度。

圖2 容器管法蘭結(jié)構(gòu)形式

1.2復(fù)合板基層材質(zhì)選用

在壓力容器材質(zhì)選擇方面，選用哈氏合金B(yǎng)-3時(shí)需要了解其特殊的冷加工和熱處理性能，尤其注意哈氏合金B(yǎng)-3在復(fù)合鋼板中應(yīng)用的限制。

哈氏合金B(yǎng)-3應(yīng)變硬化傾向嚴(yán)重，冷加工過程中容易發(fā)生冷作硬化[8]，必須進(jìn)行固溶處理后再進(jìn)行加工，分步成型。哈氏合金B(yǎng)-3的固溶熱處理溫度為1 050～1 065 ℃，采用熱加工成型時(shí)溫度必須控制在900 ℃以上，而鐵碳合金鋼的共析溫度線為727 ℃[9]，所以哈氏合金B(yǎng)-3復(fù)合鋼板在冷或熱加工時(shí)，低合金鋼材均不宜作為基層材質(zhì)。建議使用哈氏合金B(yǎng)-3復(fù)合鋼板時(shí)基層材質(zhì)選用奧氏體不銹鋼，因?yàn)閵W氏體不銹鋼的固溶熱處理溫度與哈氏合金B(yǎng)-3的相當(dāng)，可在降低加工中的廢品率和成本的同時(shí)避免哈氏合金B(yǎng)-3耐蝕表面受到污染。

我公司在某裝置氯化釹干燥器的設(shè)計(jì)中采用B-3+S30408復(fù)合板結(jié)構(gòu)。該設(shè)備設(shè)計(jì)溫度190 ℃，設(shè)計(jì)壓力0.35 MPa。設(shè)計(jì)的殼體鋼板復(fù)層為3 mm厚的哈氏合金B(yǎng)-3，基層材質(zhì)為奧氏體不銹鋼S30408。設(shè)備容器法蘭采用S30408鍛件+堆焊SNi1067結(jié)構(gòu)。設(shè)備進(jìn)行整體焊后固溶熱處理。該設(shè)備建成至今運(yùn)行已5 a，狀況良好。

2 制造過程中應(yīng)注意問題

2.1機(jī)械加工過程

哈氏合金B(yǎng)-3的切割和坡口的加工一般應(yīng)采用機(jī)械加工方法,厚度較大或形狀不規(guī)則時(shí)也可以用等離子切割[10]。使用等離子切割合金材料時(shí)，因其熱影響區(qū)比較大，所以還必須用機(jī)械方法去除硬化層。建議采用水下等離子切割機(jī)進(jìn)行切割(圖3)，這樣不僅可以得到光滑的切割坡口面，還可以避免打磨過多的熱影響區(qū)，節(jié)省制造成本。水下等離子切割操作宜使用95%(體積分?jǐn)?shù))Ar+5%(體積分?jǐn)?shù))H2混合氣體，切割電流隨板厚增加而增大，最高可達(dá)1 000 A，切割時(shí)水平面離鋼板高度3～5 mm。切割過程中易在切割面產(chǎn)生裂紋和氣孔等缺陷和低熔點(diǎn)共晶物質(zhì)，所以切割作業(yè)后焊接之前需進(jìn)行機(jī)械加工，以去除表面雜物。

圖3 水下等離子切割機(jī)切割哈氏合金B(yǎng)-3板材

哈氏合金B(yǎng)-3用于設(shè)備筒節(jié)的材料時(shí)，建議采用冷卷卷制。冷卷工藝也采用分步成型，冷卷時(shí)彎曲直徑與厚度比值小于10時(shí)，筒體成型后應(yīng)進(jìn)行固溶熱處理。制造中應(yīng)避免材料表面機(jī)械損傷，對(duì)局部刻槽等缺陷應(yīng)修磨處理，修磨部位的斜度至少為1∶3。對(duì)復(fù)合鋼板的復(fù)層，修磨深度不大于1 mm。焊接坡口的加工采用機(jī)械冷加工方式，加工后的坡口檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)為不應(yīng)有分層、折疊和裂紋等缺陷。

2.2安裝過程

哈氏合金B(yǎng)-3的組對(duì)和裝配與加工奧氏體不銹鋼類似。在安裝過程中應(yīng)做到，①對(duì)哈氏合金B(yǎng)-3材料內(nèi)表面或內(nèi)件進(jìn)行保護(hù)，防止污染耐蝕層。②將哈氏合金B(yǎng)-3擺放在專用存放區(qū)。③嚴(yán)禁在材料的耐腐蝕側(cè)表面打鋼印作為材料的確認(rèn)標(biāo)記?？刹捎貌蝗苡谒?、不含金屬顏料的、無硫的墨水書寫確認(rèn)標(biāo)記。④在搬運(yùn)和劃線過程中應(yīng)用軟質(zhì)材料包墊，防止哈氏合金B(yǎng)-3材料表面被劃傷。

2.3焊接過程

哈氏合金B(yǎng)-3材料表面覆蓋難熔的氧化膜，焊接時(shí)這些氧化膜層容易成為焊縫的夾渣物而影響焊縫質(zhì)量[11]，所以焊接前應(yīng)設(shè)法清除表面氧化膜層。此外哈氏合金B(yǎng)-3中的鎳與硫、磷及NiO等雜質(zhì)形成的低熔點(diǎn)共晶體在焊縫應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋[12]，所以焊前必須用不銹鋼鋼絲輪打磨坡口兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)的金屬表面，并用丙酮清除材料表面的油污、水分等污染物。

建議哈氏合金B(yǎng)-3的焊接采用等離子弧焊接[13]。焊接操作時(shí)，控制焊接層間溫度不大于100 ℃。焊接離子氣體與水下等離子切割氣相同，為95%(體積分?jǐn)?shù))Ar+5%(體積分?jǐn)?shù))H2混合氣體，保護(hù)氣體采用體積分?jǐn)?shù)大于99.99% 氬氣。焊前應(yīng)提前通保護(hù)氣體，焊后延遲關(guān)氣。

較薄鋼板(板厚不大于6 mm)無需開坡口，單面焊雙面成型即可取得較好的焊接效果，且焊后表面無需再處理，工作效率高。而對(duì)較厚板材，則要求板材間對(duì)接坡口角度比一般焊接坡口角度要大(通常大于60°)，因?yàn)槿廴趹B(tài)哈氏合金B(yǎng)-3流動(dòng)性較差，熔深較淺[14，15]。

2.4熱處理過程

固溶熱處理是哈氏合金B(yǎng)-3唯一可行的熱處理方法[16]。操作的要點(diǎn)包括：①固溶熱處理溫度通?？刂圃? 050～1 065 ℃。②工件在裝入熱處理爐中之前，必須先將其表面清理得非常干凈。③熱處理過程中，工件不能接觸硫、磷、鉛以及其他低熔點(diǎn)金屬，為了減少硫、磷污染，加熱爐建議選擇電爐[17]。④哈氏合金B(yǎng)-3加熱和冷卻過程中都必須快速通過475 ℃低溫脆化區(qū)和高溫時(shí)的σ相及其它中間相的生成區(qū)，因此須使工件快速加熱和冷卻?？焖偌訜釙r(shí)，應(yīng)先將爐溫加熱到規(guī)定溫度，然后將工件放入爐中，保持爐溫穩(wěn)定[18]。工件在爐中保溫至少1 h后快速放入水槽中水冷淬火或在殼體內(nèi)外側(cè)同時(shí)噴淋水，在15 min之內(nèi)溫度降到425 ℃以下，以獲得最好的耐蝕性能，切不可使用水管澆注，否則殼體表面溫度不均勻?qū)a(chǎn)生額外的熱應(yīng)力導(dǎo)致殼體變形和開裂。由于固溶處理的溫度高，而且還要經(jīng)過快速加熱和冷卻，所以工件難免出現(xiàn)變形。⑤為了防止部件熱處理變形，須采用加強(qiáng)環(huán)支撐，加強(qiáng)環(huán)材質(zhì)應(yīng)選用奧氏體不銹鋼。

3 結(jié)語

哈氏合金B(yǎng)-3是多用途的優(yōu)良耐腐蝕合金和昂貴的壓力容器制造原材料，對(duì)其的合理、充分、高效利用是降低生產(chǎn)成本和增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。結(jié)合多次設(shè)計(jì)、制造哈氏合金B(yǎng)-3壓力容器的實(shí)踐，給出如下的建議：①加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮工藝加工過程，從全局角度考慮問題，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以充分利用材料，簡(jiǎn)化加工制造程序。②提高復(fù)合鋼材選擇的針對(duì)性。③尋求合適的機(jī)加工程序。根據(jù)設(shè)備實(shí)際需要，選擇合適的冷熱加工工序，冷加工中注意材料的加工硬化傾向，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行固溶熱處理，分步成型。④保護(hù)工作從細(xì)節(jié)做起。組對(duì)裝配、機(jī)加工、焊接和熱處理的過程中都應(yīng)該注意去除污染源，防止鐵離子污染耐蝕層表面，防止氧化膜雜質(zhì)進(jìn)入焊縫，防止硫、磷等元素對(duì)材料的污染。

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(柏編)

DiscussiononApplicationCharacteristicsofHastelloyB-3inPressureVesselDesignandManufacture

ZHONGYing

(Xinjiang Huanqiu Contracting & Engineering Corporation Company， Dushanzi 833699， China)

Design and manufacture key points of the multipurpose corrosion-resistant alloy and valuable pressure vessel material-Hastelloy B-3 were discussed based on years of working experiences in order to reduce production cost and improve enterprise economic efficient, which is also provided as references for the similar engineering design project. Proposals for improving structure design, combined steel material selection, machinery treating process, and surface protection were further expatiated.

pressure vessel； Hastelloy； design； manufacture

TQ050.4;

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.05.013

1000-7466(2017)05-0066-04

2017-04-12

鐘 瑩(1968-)，女，重慶人，工程師，長(zhǎng)期從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。