趙 鵬，張 茂

（南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210000）

1 概況

蒙乃爾(Mone1)合金是以鎳為主、銅為輔的鎳基合金，最早始于1906年，由美國國際鎳公司開發(fā)，其典型成分約為70%Ni和30%Cu(wt%)，是鎳基耐蝕合金中應(yīng)用最廣泛的一種合金，常用的Monel400(ASME牌號(hào)SB127 N04400)的化學(xué)成分見表1[1]。在我國相當(dāng)于Ni—Cu合金(GB/T 2054—2013)[2]。具有易成型，易釬焊，易切削和具有良好的耐熱、耐腐蝕等綜合性能，因而受到工程界的廣泛歡迎[3]。由于合金含Cu，故在非氧化性氣氛下比純N i更耐蝕，在氧化氣氛下比純Cu更耐蝕。在工程應(yīng)用上具有悠久的歷史，尤其是在化染、化工、船舶等領(lǐng)域[4]。

表1 蒙乃爾合金(SB127 N04400)化學(xué)成分（wt%）

蒙乃爾在化工中常用于氟化氫（氫氟酸）環(huán)境，氫氟酸中含有微量的水，其對(duì)金屬材料的腐蝕類型屬于電化學(xué)腐蝕，即陽極產(chǎn)生金屬溶解，陰極析出氫。反應(yīng)產(chǎn)物形成的氧化膜會(huì)阻止腐蝕，如果氧化膜與金屬材料附著牢固，則氫氟酸對(duì)金屬的腐蝕將降低。蒙乃爾對(duì)氫氟酸有較好的耐蝕性，20℃下，氫氟酸中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，蒙乃爾材質(zhì)氧化膜厚度約0.4mm，溫度越高氧化膜厚度越厚，蒙乃爾材質(zhì)在溫度升高到149℃，氧化膜的致密度將下降，當(dāng)氫氟酸中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為超過0.5%時(shí)，對(duì)金屬設(shè)備的腐蝕速率直線上升。

蒙乃爾400℃在60℃和100℃不同水含量下的腐蝕速率數(shù)據(jù)見表2，由表2可知，一定范圍內(nèi)，蒙乃爾合金的腐蝕速度隨溫度和水含量的升高而增大。

表2 蒙乃爾腐蝕速率mm/a

2 設(shè)備概況

某烷基化裝置中一臺(tái)再生塔預(yù)熱器，2003年投入使用，殼程介質(zhì)為熱油，設(shè)計(jì)壓力2.05Mpa，設(shè)計(jì)溫度250℃，殼程筒體材料為16MnR（厚度10mm），管程介質(zhì)為氟化氫（氫氟酸）、烴類，設(shè)計(jì)壓力1.05Mpa，設(shè)計(jì)溫度177℃，換熱管為蒙乃爾（Monel400），換熱管壁厚2mm；管箱及管板為16MnR復(fù)合蒙乃爾（復(fù)合板材料：基層為16MnR，復(fù)層Monel400，管箱厚度為：10mm+3mm，管板厚度30mm+3mm）。

該預(yù)熱器為U型管換熱器，管箱一側(cè)為平蓋（鍛件），投入使用17年，于2020年8月進(jìn)行定期檢驗(yàn)，檢驗(yàn)中將管箱平蓋打開，管束從殼程筒體中抽出，對(duì)設(shè)備進(jìn)行目視檢查及壁厚測(cè)定，對(duì)焊縫進(jìn)行必要的無損檢測(cè)。

在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)管板與管箱筒體焊縫處存在裂紋，且焊縫中多處存在“點(diǎn)蝕”，另有一根換熱管已腐蝕穿孔，具體見圖1～圖3。

圖1 焊縫處裂紋

圖2 焊縫處點(diǎn)蝕

圖3 換熱管穿孔

3 腐蝕缺陷分析

3.1 缺陷原因分析

3.1.1 焊縫中多處存在“點(diǎn)蝕”

查閱設(shè)備存檔資料，焊接記錄顯示，管板與管箱筒體焊縫存在蒙乃爾（Monel400）在16MnR上的堆焊工序，查閱設(shè)備工序流轉(zhuǎn)卡發(fā)現(xiàn)，管板與管箱筒體需要在基層（16MnR）相焊，以保證焊縫強(qiáng)度，因此在制造時(shí)將復(fù)合板（管板及管箱）焊縫兩側(cè)的母材采用“剔邊”手法去除復(fù)層，基層相焊后再堆焊，堆焊采用手工電弧焊（SMAW），焊材使用ENiCu-7。

該焊接方法的熔合比較大，焊縫金屬中將摻雜一定比例的16MnR母材熔化金屬，將提高Fe元素比例[5]，與腐蝕介質(zhì)接觸時(shí)，極易形成小陽極大陰極電池反應(yīng)，造成“點(diǎn)蝕”，因此，控制堆焊層中的Fe元素含量是保證其耐蝕性的關(guān)鍵。

對(duì)該焊縫裂紋處進(jìn)行光譜分析，結(jié)果顯示Fe元素含量為9.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），證實(shí)以上分析。

3.1.2 焊縫存在裂紋

由于“點(diǎn)蝕”的存在，在焊接殘余應(yīng)力及結(jié)構(gòu)不連續(xù)而產(chǎn)生的邊界應(yīng)力作用下，焊縫金屬在“點(diǎn)蝕”部位被撕裂，從原理上分析，屬于應(yīng)力腐蝕的一種。

3.1.3 換熱管腐蝕穿孔

詢問使用單位，管程介質(zhì)中含有一定量的水，將提高的管程的氧化性氛圍，加劇了蒙乃爾的腐蝕。

3.2 處理方法

（1）對(duì)于裂紋部位打磨消除，使用ERNiCu-7焊絲，采用氬弧焊（GTAW）及較小的焊接參數(shù)，焊材選用ERNiCu-7，以產(chǎn)生較小的熔合比，保證焊縫金屬的合金成分。

（2）“點(diǎn)蝕”做好記錄及監(jiān)測(cè)，觀察“點(diǎn)蝕”的擴(kuò)展情況；擴(kuò)展不明顯可不做處理，若明顯擴(kuò)展將整圈焊縫打磨，去除蒙乃爾復(fù)層后采用GTAW及較小的焊接參數(shù)進(jìn)行堆焊。

（3）對(duì)腐蝕穿孔的換熱管進(jìn)行堵管。

（4）使用中控制管程的氟化氫含水量在工藝指標(biāo)的范圍內(nèi)，要求使用單位嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行操作，監(jiān)控記錄運(yùn)行參數(shù)，定期分析含水率指標(biāo)。

4 安全評(píng)價(jià)

較為準(zhǔn)確的找到了缺陷產(chǎn)生的原因，對(duì)于危害性較大的缺陷（裂紋）進(jìn)行打磨消除，并采用了較為適合的工藝進(jìn)行堆焊；對(duì)于“點(diǎn)蝕”缺陷進(jìn)行監(jiān)控，該設(shè)備可以使用到下一檢驗(yàn)周期。

5 結(jié)論

（1）設(shè)備已使用十余年，實(shí)踐證明蒙乃爾材料是耐氟化氫（氫氟酸）腐蝕較好的材料。

（2）蒙乃爾材料與碳鋼進(jìn)行堆焊時(shí)，應(yīng)充分考慮合金元素的稀釋問題，盡可能采用熔合比較小的焊接方法及焊接參數(shù)，以保證焊縫金屬的合金元素含量。

（3）蒙乃爾制設(shè)備在運(yùn)行使用時(shí)應(yīng)控制介質(zhì)的含水率在正常運(yùn)行指標(biāo)范圍內(nèi)。