综述丨哈氏合金B-3压力容器设计、制造要点

百科   2024-08-17 19:25   上海  

本文主要整理自文献[1~7]及JB/T4756的标准释义,各文献的观点并不完全一致,供参考。 

一、哈氏合金B-3概述

哈氏合金是一种优质的镍基耐蚀耐热合金,主要适用于铁基Cr-Ni或Cr-Ni-Mo不锈钢、非金属材料等无法使用的强腐蚀性介质场合,但成本加工难度都较高。

哈氏B系列合金在完全还原的环境中,具有最优越的抗腐蚀性能。对盐酸、氯化氢气体、硫酸、醋酸等有良好的耐腐蚀性能。当溶液中有氧化性离子(、铜离子)时,将会加速材料的腐蚀。(所以加工制造中也应避免铁离子污染)

哈氏合金B-3是在B-2的基础上通过优化化学成分而来,热稳定性较B-2有了大幅提高,改善了B-2易析出Ni-Mo沉淀硬化的问题,提高了其热、冷加工性能。

哈氏合金B-3,常用商品牌号为Hastelloy B-3,ASME牌号为N10675,国内牌号为NS3203(NB/T 47046)。哈氏合金制压力容器产品标准为JB/T 4756《镍及镍基合金制压力容器》。

哈氏合金B-3的化学成分主要为Ni(≥65%),Mo(27~32%),Rm≥700 MPa,ReL≥350MPa,属于高强钢。密度9.22g/cm3,熔化范围1370~1418℃。金相组织为奥氏体,焊接性与奥氏体不锈钢较为相似。

二、加工制造

哈氏合金B-3在加工和制造中的主要特点是,冷作加工硬化倾向严重,和存在中温脆性(金属在冷态塑性变形中,使金属的指标强化,如屈服点、硬度等提高,塑性指标如伸长率降低的现象称为冷作硬化。)

下料:可采用水下等离子切割或机加工的方法,以得到光滑的切割坡口面,避免过多的热影响区而需要进一步的打磨或加工。(机加工有一定的难度)

筒体卷制:主要是控制变形抗力和回弹力,卷制过程中若出现冷作硬化,应进行固溶处理和酸洗钝化后方能继续加工。(成型过程中应注意监测材料的硬度变化,及对板边圆滑程度的控制,防止成型过程中产生开裂。)

封头成型:为减小成型过程中的冷作硬化,大封头可采用冲鼓后中温热旋压,小封头采用中温热冲压。(必要时,采用分步成型,并进行中间和最终固溶处理。)

根据文献[2]:成型时若进行预热,预热温度不宜超过350℃,因为含钼量高,低温回火(475℃左右)脆性严重。而根据文献[3]:哈氏B-3合金在550~800℃时,会在晶界形成有害的Ni-Mo脆性相,使其延展性迅速下降,从而降低该合金的热成形加工性能。如果采用热成形,加工温度应小于425 ℃。

封头旋压成型后必须在1050~1150℃的进行快速固溶处理,以恢复耐蚀性能和软化组织。并最好采用电加热,避免煤、柴油、煤气等对材料表面的污染。

根据文献[2、4]:哈氏合金B-3加热和冷却过程,都必须快速通过475℃低温脆化区和高温时的σ相及其它中间相的生成区,因此须使工件快速加热和冷却。

三、焊接

哈氏合金B-3合金的焊接性能良好,除了气焊和大线能量的埋弧焊外,可使用GTAW手工填丝钨极氩弧焊(最好),及GMAW熔化极气体保护焊、SMAW手工电弧焊(这两种由于焊渣和飞溅,影响腐蚀性能,一般不用于接触介质侧的焊接),另外,由于B-3硬度高,无法制作药芯焊丝,难以采用FCAW药芯焊丝电弧焊。

此外,由于焊接时熔融的金属流动性差,B-3坡口角度应比不锈钢大

四、另外,还有几个要点:

1 哈氏合金B-3焊缝的无损检测应采用射线RT和渗透PT,而不使用超声UT和磁粉MT。

2 根据JB/T 4756标准释义,因为镍基合金韧性好,冲击试样有时冲不断,一般没有必要将冲击功作为材料验收指标。

根据JB/T 4756标准释义,哈氏合金B在焊后状态有较高的晶间腐蚀敏感性,在晶间腐蚀能力较强的介质中只能在固溶状态下使用,不宜在焊后状态使用。B-2、B-3、B-4在B的基础上,进一步降低碳、硅、铁的含量,有更好的抗晶间腐蚀及应力腐蚀能力,许多条件下,可以在焊后状态使用。

根据文献[6],哈氏B-3合金具有两个晶间腐蚀敏化区和一个中温B相变区,虽其相变时间相比B-2有所延长但仍需严格控制促进B相相变的因素,如焊接残余应力,冷、热成型时材料中存在的内应力等。

5 耐腐蚀性能试验是化工压力容器制造的关键质量考核与控制点。从材料入库检验、焊接工艺评定到产品试板的检验,均需经150℃左右、20%带压沸腾盐酸法腐蚀试验合格。

考虑到加工时需要进行固溶处理,若采用B-3复合板,基础材料不应选用碳钢或低合金钢,而应采用奥氏体不锈钢。

参考文献
[1] 张汝松, 李志国, 刘继昌. 哈氏合金的选用[J]. 石油化工腐蚀与防护, 2009, 29(1).
[2] 陈建俊. 哈氏B-3镍钼合金的特性和容器制造工艺特点[J]. 压力容器, 2004, 21(11).
[3] 王平, 李宇. 哈氏B-3合金大型压力容器的研制[J]. 压力容器, 2007, 24(11).
[4] 钟莹. 哈氏合金B-3在压力容器设计中和制造中的应用探讨[J]. 石油化工设备, 2017, 46(5).
[5] 杨文峰. 哈氏B3合金在压力容器中的运用[J]. 中国特种设备安全, 2007, 23(9).
[6] 林云喜. 哈氏B-3合金性能及设备制造质量控制[J]. 石油化工应用, 2012, 31(6).
[7] 王致宏. 哈氏合金设备的设计与施工[J]. 化肥设计, 2003, 41(1)


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