林云喜

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，西安 710075）

經(jīng)驗(yàn)交流

哈氏合金B(yǎng)-3材料換熱器的設(shè)計(jì)制造

林云喜

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，西安 710075）

介紹了哈氏合金B(yǎng)-3的特點(diǎn)以及腐蝕、焊接等性能，根據(jù)多個(gè)醋酸等工程的設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，并跟蹤了解哈氏合金B(yǎng)-3制設(shè)備的加工全過(guò)程，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，總結(jié)了哈氏合金B(yǎng)-3制換熱器在設(shè)計(jì)、制造各方面注意的要點(diǎn)，認(rèn)為采用平封頭和松套法蘭結(jié)構(gòu)較合理、柔性脹接比較適合鎳基合金換熱管與管板的結(jié)合、B-3材料設(shè)備制造的關(guān)鍵技術(shù)是熱處理。

哈氏合金B(yǎng)-3；換熱器；設(shè)計(jì)；制造方法

哈氏合金B(yǎng)-3（UNS牌號(hào)為N10675）是鎳鉬合金家族中的一個(gè)新成員，是在哈氏合金B(yǎng)-2基礎(chǔ)上的改進(jìn)，具有良好的力學(xué)性能和物理性能，它對(duì)于任何溫度和含量的鹽酸都有極好的抗腐蝕性，熱穩(wěn)定性也較B-2有了很大的提高。隨著我國(guó)石油化工工業(yè)的不斷發(fā)展，B-3已越來(lái)越多地應(yīng)用在化工設(shè)備的制造中。

由于B-3具有高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，所以在機(jī)加工方面有一定的難度，很容易出現(xiàn)表面開(kāi)裂、變形等缺陷。在我國(guó)，其設(shè)備加工制造經(jīng)驗(yàn)尚淺，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)只有少數(shù)制造廠家掌握了B-3的加工工藝，有的廠家關(guān)于B-3的加工方法等已制定了自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有了自己的制作加工經(jīng)驗(yàn)[1]。但由于制造商之間的競(jìng)爭(zhēng)及技術(shù)保密，他們的設(shè)備加工制作及經(jīng)驗(yàn)各不相同，其加工制作能力相差較大。為此，針對(duì)B-3換熱器的加工制造進(jìn)行分析總結(jié)。

1 化學(xué)成分及性能

1.1 化學(xué)成分

B-3的化學(xué)成分見(jiàn)表1[2]。

1.2 物理（力學(xué)）性能

B-3室溫下的物理性能見(jiàn)表2[1]。

B-3的力學(xué)性能非常突出，如表3所示[3-4]。它具有高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，所以在機(jī)加工方面有一定的難度，而且其應(yīng)變硬化傾向極強(qiáng)，當(dāng)變形率達(dá)到15%時(shí)，約為1Cr18Ni9Ti不銹鋼的2倍。哈氏合金還存在中溫敏化區(qū)，其敏化傾向隨變形率的增加而增大。當(dāng)溫度較高時(shí)，B-3易吸收有害元素使它的力學(xué)性能和耐腐蝕性能下降。

表1 B-3的化學(xué)成分Tab 1 Chemical composition of B-3

表2 B-3室溫下的物理性能Tab 2 Physical properties of B-3 at room temperature

1.3 耐蝕性能

B-2在各種還原性介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，能耐常壓下任何溫度、含量鹽酸的腐蝕，因此，B-2通常應(yīng)用于多種苛刻的石油、化工過(guò)程，如鹽酸的蒸餾、濃縮，乙苯的烷基化和低壓羰基合成醋酸等生產(chǎn)工藝過(guò)程中。

表3 B-3板材固溶狀態(tài)的力學(xué)性能Tab 3 Mechanical properties of B-3 plates in solid solution condition

但在B-2多年的工業(yè)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：1)存在對(duì)抗晶間腐蝕性能有相當(dāng)大影響的2個(gè)敏化區(qū)，1200～1300℃的高溫區(qū)和550～900℃的中溫區(qū)；2)焊縫金屬及熱影響區(qū)枝晶偏析，金屬間相和碳化物沿晶界析出，使其對(duì)晶間腐蝕敏感性較大；3)中溫?zé)岱€(wěn)定性較差。

B-3是在B-2的基礎(chǔ)上改進(jìn)的材料，它對(duì)于任何溫度和含量的鹽酸都有極好的抗腐蝕性。同時(shí)它對(duì)于硫酸、乙酸、甲酸、磷酸及其他不具有氧化性的介質(zhì)也具有良好的抗腐蝕性[5]。而且，對(duì)其化學(xué)成分作了調(diào)整，它的熱穩(wěn)定性比B-2有了大幅的提高。B-3對(duì)點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、刀狀腐蝕和焊接的熱影響區(qū)的腐蝕等均有很高的抗力。

1.4 焊接性能

B-3的熱穩(wěn)定性有了明顯的提高，可把以前B-2部件加工中所產(chǎn)生的相關(guān)問(wèn)題減到最少。這是由于在B-3中，金屬間有害相形成的傾向很小，使它在加熱過(guò)程中及繼后的各種形式的熱循環(huán)中比B-2有更大的韌性。B-3有良好的成形和焊接性能。在1 230℃加熱時(shí)，如有足夠時(shí)間使部件總體均熱，就可進(jìn)行鍛造和其他熱加工。B-3是一種低碳合金，可以用控制終鍛溫度來(lái)達(dá)到控制晶粒大小的目的。

2 設(shè)計(jì)中注意問(wèn)題

換熱器的設(shè)計(jì)參照ASME規(guī)范和TEMA（R）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，按照GB 150、GB 151和為此類換熱器編制的特殊技術(shù)規(guī)定進(jìn)行制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收，并符合我國(guó)壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程的有關(guān)規(guī)定[6-8]。因其鎳基合金材料的特殊性能，為了能夠獲得較好質(zhì)量的設(shè)備，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮到一些相關(guān)問(wèn)題。

1)B-3的熱穩(wěn)定性比B-2有了明顯的提高，但對(duì)其進(jìn)行固溶熱處理還是非常困難，所以還是應(yīng)該盡量減少在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用需要變形加工的結(jié)構(gòu)，如封頭結(jié)構(gòu)，在允許的情況下，可以采用平蓋封頭代替橢圓封頭。

2)法蘭材料應(yīng)選擇不銹鋼，避免造成B-3材料的污染等；并采用對(duì)焊環(huán)松套法蘭（PJ/SE或LF/SE）的形式，以節(jié)省材料。

3 換熱器的加工制造

3.1 下料及邊緣加工

B-3材料到廠后，擺放在指定的專用存放區(qū)（有色金屬存放在有色金屬庫(kù)房?jī)?nèi)，焊材存放在焊材一級(jí)庫(kù)內(nèi)），注意表面的保護(hù)。

凡制造受壓組件的材料應(yīng)有確認(rèn)的標(biāo)記。在制造過(guò)程中，如原有確認(rèn)標(biāo)記被裁掉或材料分成幾塊，應(yīng)于材料切割前完成標(biāo)記移植。不應(yīng)在材料的耐腐蝕面采用硬印作為材料的確認(rèn)標(biāo)記。確認(rèn)標(biāo)記可采用不溶于水的、不含金屬顏料的、無(wú)硫的墨水書(shū)寫(xiě)。在材料上劃線應(yīng)盡量采用金屬鉛筆，只有在以后的加工工序中能去除的部分才允許打沖眼。

材料在搬運(yùn)和劃線過(guò)程中應(yīng)用軟質(zhì)材料包墊，防止材料表面劃傷。

材料的切割和坡口加工一般應(yīng)采用機(jī)械方法，厚度較大或形狀不規(guī)則時(shí)允許用等離子切割。此時(shí)應(yīng)避免火花濺落在材料表面，且切割邊緣和坡口仍應(yīng)用機(jī)械方法加工和去除污染層。采用等離子切割鎳基合金材料，因其熱影響區(qū)比較大，故必須用機(jī)械方法去除，機(jī)械加工余量不得小于5 mm。剪切材料時(shí)，必須十分注意材料表面保護(hù)，要先檢查和修整剪板機(jī)的臺(tái)面及壓緊柱腳，使其達(dá)到平整、光滑、無(wú)硬粒，防止有色材料表面壓傷。焊接坡口表面不應(yīng)有裂紋、分層、夾雜及影響焊接質(zhì)量的其他缺陷。

3.2 壓力加工

圓筒與殼體的卷制一般采用冷卷，對(duì)于直徑較小而卷板機(jī)不好卷制的圓筒可采用折彎?rùn)C(jī)折制的方法。卷板機(jī)滾筒或折彎?rùn)C(jī)折刀表面應(yīng)清理干凈，在卷曲或折制時(shí)宜在材料表面墊上一層薄的不銹鋼板和塑料薄膜，以保護(hù)材料表面。因鎳基材料的加工硬化比較嚴(yán)重，卷制應(yīng)盡量一次成形。在卷制前可先用其他材料試卷，合適后再正式卷制。

3.3 脹接

脹接廣泛用于管板與換熱管的結(jié)合，是靠管子和管板變形來(lái)達(dá)到密封和緊固的一種連接方法。脹接連接的方法有2種，柔性脹接和機(jī)械脹接。其中，柔性脹接方法在脹接過(guò)程中不會(huì)損傷材料表面且比較容易控制脹管壓力，比較適合鎳基合金材料的脹接。

B-3管中脹接操作要點(diǎn)：

1)首先要正確掌握脹管器的使用。在脹接時(shí)，脹管器的安裝位置必須垂直于管板平面，脹管頭放置位置恰當(dāng)，不應(yīng)偏斜并要控制脹緊力的大小。

2)在管板管孔內(nèi)開(kāi)槽可以增加拉脫力。管孔光潔度高可以增加密封性能，但有降低拉脫力的傾向。一般管板孔粗糙度應(yīng)控制在Ra6.3左右，不應(yīng)存在影響脹接緊密性的缺陷。

3)連接部位的換熱管和管板孔表面應(yīng)清理干凈，不應(yīng)留有影響脹接質(zhì)量的毛刺、鐵屑、銹斑、油污等。

4)脹接連接時(shí)，其脹接長(zhǎng)度，不應(yīng)伸出管板背面（殼程側(cè)），換熱管脹接部分與非脹接部分應(yīng)圓滑過(guò)渡，不應(yīng)有急劇的棱角。

5)脹接時(shí)應(yīng)根據(jù)要求選擇合適的脹管壓力。脹接程度不足（欠脹）或脹接過(guò)量（過(guò)脹），都不能保證脹接質(zhì)量。過(guò)脹會(huì)使管壁減薄過(guò)多而導(dǎo)致管子斷裂和管板變形。因欠脹而進(jìn)行多次脹接，也會(huì)造成加工硬化使管子開(kāi)裂。因此在正式脹接前沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的情況下應(yīng)先進(jìn)行試脹，以確定合適的脹管壓力。

3.4 組對(duì)、裝配

裝配過(guò)程中，會(huì)有大量焊接工作，應(yīng)掌握焊接應(yīng)力和變形情況，在裝配時(shí)，要采取適當(dāng)措施，防止或減少焊后變形和矯正工作。如采用加強(qiáng)圈加強(qiáng)或選擇合適的焊接方法和焊接順序。

制品在組對(duì)前，應(yīng)對(duì)其內(nèi)表面或內(nèi)件進(jìn)行清除污染處理。組對(duì)過(guò)程中，對(duì)有可能再次被污染的工序要做好防護(hù)措施。

吊裝時(shí)應(yīng)采用軟繩，不允許采用鋼絲繩。

筒體縱縫和環(huán)縫裝配不允許采用強(qiáng)力組裝的方式，不允許使用鐵器直接敲打金屬表面，防止產(chǎn)生鐵離子污染。

在組裝過(guò)程中要注意保護(hù)金屬表面和設(shè)備法蘭密封面。法蘭表面應(yīng)覆保護(hù)膜，防止產(chǎn)生拉毛和碰傷。組對(duì)時(shí)要參考設(shè)備管口方位圖，盡量避免接管開(kāi)到焊縫上。

修磨拋光有色金屬材料制品外表面局部缺陷時(shí)，打磨方向應(yīng)保持與母材的加工方向一致（軋制方向或切削方向），不準(zhǔn)許任意的交叉打磨、拋光。對(duì)于尖銳傷痕以及表面的局部傷痕、刻槽等缺陷應(yīng)予修磨，修磨范圍的斜度至少為1:3。修磨的深度應(yīng)不大于2 mm，否則應(yīng)予焊補(bǔ)。

管束或換熱器的組裝要點(diǎn)：管板、折流板應(yīng)全部清除毛刺，銳角倒鈍，筒體內(nèi)部清理干凈后方可組對(duì)；穿管前，管子、管板和折流板要進(jìn)行去油、脫脂，清洗干凈后方可穿管；穿管時(shí)，操作人員應(yīng)穿干凈的工作服，戴干凈的白手套，工作場(chǎng)地周圍不得進(jìn)行打磨及有粉塵的作業(yè)；拉桿上的螺母應(yīng)擰緊，以免在裝入或抽出管束時(shí)，因折流板竄動(dòng)而損傷換熱管；穿管時(shí)不應(yīng)強(qiáng)行敲打，換熱管表面不應(yīng)出現(xiàn)凹癟或劃傷。除換熱管與管板間以焊接聯(lián)接外，其他任何零件均不準(zhǔn)與換熱管相焊。

3.5 焊接

B-3可以采用所有常用的焊接方法焊接，但推薦在腐蝕環(huán)境下使用的部件用氬弧焊方法。在焊接時(shí)要特別注意采取一定的預(yù)防措施以防止過(guò)度熱輸入。除非客戶特別要求，所有B-3鍛件都是以固溶熱處理狀態(tài)供應(yīng)。對(duì)B-3鍛件加熱到1 065℃并隨后快速淬冷。薄板或線材作光亮退火，其加熱溫度為1 150℃，隨后在空中冷卻。

接口處每一面的焊接表面和鄰近區(qū)域在焊接前都要徹底清潔和除油。在焊接時(shí)，焊接區(qū)的近鄰氧化層表面必須磨至光亮；如果沒(méi)有進(jìn)行打磨，氧化膜和焊渣會(huì)引起熱影響區(qū)的腐蝕。

用完的焊絲應(yīng)密閉儲(chǔ)存在溫度為121～200℃的爐中，暴露在室溫下所引起的潮濕會(huì)造成機(jī)械性能的降低。

施焊環(huán)境：操作人員必須穿戴干凈的勞保用品（鞋套、手套、帽子）；焊接區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，空氣潔凈、無(wú)塵、無(wú)煙；風(fēng)速小于1.5 m/s，相對(duì)濕度小于60%，溫度不低于5℃。

焊接前重新用丙酮等清洗，熱吹風(fēng)機(jī)或火焰槍吹掃烘干。嚴(yán)禁使用鋼絲刷拋光輪清理，可以使用不銹鋼絲刷。施焊前各個(gè)氣體管路和保護(hù)罩應(yīng)預(yù)通氣一段時(shí)間，保證無(wú)殘留雜質(zhì)和水氣。在焊接時(shí)，在底部焊道的背面必須要一直用100%氬氣保護(hù)，嚴(yán)格按照焊接工藝的要求來(lái)選擇焊接參數(shù)。

為了達(dá)到焊接件最佳的抗腐蝕性，必須要避免過(guò)熱輸入。比如采用最小交織縫技術(shù)，尤其在薄的地方避免過(guò)慢的速度；控制層間溫度，一般在93℃或以下。在焊接時(shí)，采用電流穩(wěn)定，高頻起弧、預(yù)先延時(shí)噴氣和電流控制（腳控制板）的電源。焊接坡口60°～80°。 焊接參數(shù)如下：ERNiMo-10，φ2.4 mm，I=100～130 A，U=11～16 V，v＝7～8 m/h。避免長(zhǎng)時(shí)間在 538～816℃溫度停留。

焊接完畢后，按照企業(yè)的壓力容器質(zhì)量手冊(cè)有關(guān)要求，施焊人員在規(guī)定部位做好焊工代號(hào)鋼印，并由檢驗(yàn)員對(duì)焊縫的外觀、成形等進(jìn)行檢驗(yàn)。焊縫外觀檢驗(yàn)合格后，按照設(shè)計(jì)圖樣規(guī)定進(jìn)行射線探傷，并按標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730進(jìn)行驗(yàn)收[9]。

3.6 熱處理

哈氏合金的熱處理是關(guān)鍵技術(shù)，加熱和冷卻都必須快速通過(guò)475℃低溫脆化區(qū)和高溫時(shí)的σ相及其他中間相的生成，因此必須使工件快速加熱和冷卻。必須要先將爐溫加熱到規(guī)定的溫度后再將工件放入爐中。工件在裝入爐中前，必須先將表面清理干凈。保溫一段時(shí)間后推出，快速吊入槽內(nèi)水中水冷。

對(duì)于B-3來(lái)說(shuō)，唯一的熱處理方法就是在1 065℃時(shí)進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的固熔退火，并隨后用水冷或迅速空冷。固溶熱處理溫度要控制在1 060～1 080℃，之后進(jìn)行水冷淬火以獲得最好的耐蝕性能。由于固熔處理的溫度比較高，而且還要經(jīng)過(guò)快速冷卻，因此工件的變形是難免的。

在進(jìn)行熱處理時(shí)還要注意以下一些問(wèn)題：為了防止設(shè)備部件熱處理變形，需要采用不銹鋼加強(qiáng)環(huán)；對(duì)裝爐溫度、加熱和冷卻時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制；裝爐前，對(duì)熱處理件進(jìn)行預(yù)處理，防止產(chǎn)生熱裂紋；熱處理后，對(duì)熱處理件進(jìn)行100%的滲透檢測(cè)；在熱處理過(guò)程中如產(chǎn)生熱裂紋，經(jīng)過(guò)打磨消除后需補(bǔ)焊者，要采用專門的補(bǔ)焊工藝。

4 結(jié)論

1)在允許的情況下，哈氏合金B(yǎng)-3材料制設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)可以采用平蓋封頭代替橢圓封頭，法蘭采用PJ/SE或LF/SE的形式，以節(jié)省材料。法蘭的材料應(yīng)選擇不銹鋼，避免造成B-3材料的污染等。

2)B-3在加工制造過(guò)程中，應(yīng)采取措施防止材料表面劃傷。柔性脹接方法在脹接過(guò)程中不會(huì)損傷材料表面且比較容易控制脹管壓力，比較適合鎳基合金材料的脹接；B-3可以用所有常用的焊接方法焊接，在腐蝕環(huán)境下使用的部件推薦用氬弧焊方法；B-3熱處理是關(guān)鍵技術(shù)，加熱和冷卻都必須快速通過(guò)475℃低溫脆化區(qū)和高溫時(shí)的σ相及其他中間相的生成。因此必須使工件快速加熱和冷卻。

雖然B-3合金制換熱器的制造在我國(guó)還比較少見(jiàn)，但是，若能充分了解材料的特殊性，注意制造過(guò)程中的許多細(xì)節(jié)，嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，能夠制造出合格的產(chǎn)品。

[1]盧廣賢,夏崇華,劉豐.哈氏合金B(yǎng)3材料成形加工工藝方法[J].壓力容器,2012,29(1):48-51.

[2]ASME鍋爐及壓力容器委員會(huì).ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范:第Ⅱ卷 材料D篇 材料性能:2010（中文版）[M].北京:中國(guó)石化出版社,2011.

[3]陳建俊.哈氏B-3鎳鉬合金的特性和容器制造工藝特點(diǎn)[J].壓力容器,2004,21(11):32-35.

[4]JB/T 4756—2006鎳及鎳合金制壓力容器[S].

[5]李平.哈氏合金B(yǎng)3（N10765）板材焊接工藝評(píng)定 [J].中國(guó)化工裝備，2010,（1):23-26.

[6]ASME鍋爐及壓力容器委員會(huì)材料分委員會(huì).ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范:Ⅷ 第一冊(cè) 壓力容器建造規(guī)則:2010（中文版）[M].北京:中國(guó)石化出版社,2011.

[7]GB 150—1998鋼制壓力容器[S].

[8]GB 151—1999管殼式換熱器[S].

[9]JB/T 4730—2005承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)[S].

Manufacture and Design of Heat Exchanger using Hastalloy B-3 Materials

Lin Yunxi
(Xi'an Subsidiary,Beijing Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Xi'an 710075)

The characteristics of Hastelloy B-3 and its performances of corrosion and welding were introduced.According to the work experience in design of many acetic acid projects etc,by keeping track of the whole manufacturing process of Hastelloy B-3 equipment,and referring to the relevant standards,the main concerns should be in design and manufacturing process of heat exchanger using Hastelloy B-3 were summarized.To adopt the flat heads and lapped flanges structure was considered more reasonable.Flexible expansion was suitable for the combination of nickel-based alloy tube to tube sheet.And the key technology of the B-3 equipments manufacturing was heat treatment.

Hastelloy B-3;heat exchanger;design;manufacturing method

TQ051.5

BDOI10.3969/j.issn.1006-6829.2012.02.016

2012-01-30