哈氏合金B-3材料換熱器的設計制造

林云喜

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，西安 710075）

經驗交流

哈氏合金B-3材料換熱器的設計制造

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-3的特點以及腐蝕、焊接等性能，根據多個醋酸等工程的設計工作經驗，并跟蹤了解哈氏合金B-3制設備的加工全過程，參考相關標準規范，總結了哈氏合金B-3制換熱器在設計、制造各方面注意的要點，認為采用平封頭和松套法蘭結構較合理、柔性脹接比較適合鎳基合金換熱管與管板的結合、B-3材料設備制造的關鍵技術是熱處理。

哈氏合金B-3；換熱器；設計；制造方法

哈氏合金B-3（UNS牌號為N10675）是鎳鉬合金家族中的一個新成員，是在哈氏合金B-2基礎上的改進，具有良好的力學性能和物理性能，它對于任何溫度和含量的鹽酸都有極好的抗腐蝕性，熱穩定性也較B-2有了很大的提高。隨著我國石油化工工業的不斷發展，B-3已越來越多地應用在化工設備的制造中。

由于B-3具有高強度、高韌性的特點，所以在機加工方面有一定的難度，很容易出現表面開裂、變形等缺陷。在我國，其設備加工制造經驗尚淺，現在國內只有少數制造廠家掌握了B-3的加工工藝，有的廠家關于B-3的加工方法等已制定了自己的企業標準，有了自己的制作加工經驗[1]。但由于制造商之間的競爭及技術保密，他們的設備加工制作及經驗各不相同，其加工制作能力相差較大。為此，針對B-3換熱器的加工制造進行分析總結。

1 化學成分及性能

1.1 化學成分

B-3的化學成分見表1[2]。

1.2 物理（力學）性能

B-3室溫下的物理性能見表2[1]。

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

表1 B-3的化學成分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在各種還原性介質中具有優良的耐腐蝕性能，能耐常壓下任何溫度、含量鹽酸的腐蝕，因此，B-2通常應用于多種苛刻的石油、化工過程，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工藝過程中。

表3 B-3板材固溶狀態的力學性能Tab 3 Mechanical properties of B-3 plates in solid solution condition

但在B-2多年的工業應用中發現：1)存在對抗晶間腐蝕性能有相當大影響的2個敏化區，1200～1300℃的高溫區和550～900℃的中溫區；2)焊縫金屬及熱影響區枝晶偏析，金屬間相和碳化物沿晶界析出，使其對晶間腐蝕敏感性較大；3)中溫熱穩定性較差。

B-3是在B-2的基礎上改進的材料，它對于任何溫度和含量的鹽酸都有極好的抗腐蝕性。同時它對于硫酸、乙酸、甲酸、磷酸及其他不具有氧化性的介質也具有良好的抗腐蝕性[5]。而且，對其化學成分作了調整，它的熱穩定性比B-2有了大幅的提高。B-3對點腐蝕、應力腐蝕開裂、刀狀腐蝕和焊接的熱影響區的腐蝕等均有很高的抗力。

1.4 焊接性能

B-3的熱穩定性有了明顯的提高，可把以前B-2部件加工中所產生的相關問題減到最少。這是由于在B-3中，金屬間有害相形成的傾向很小，使它在加熱過程中及繼后的各種形式的熱循環中比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，如有足夠時間使部件總體均熱，就可進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達到控制晶粒大小的目的。

2 設計中注意問題

換熱器的設計參照ASME規范和TEMA（R）標準設計，按照GB 150、GB 151和為此類換熱器編制的特殊技術規定進行制造、檢驗和驗收，并符合我國壓力容器安全技術監察規程的有關規定[6-8]。因其鎳基合金材料的特殊性能，為了能夠獲得較好質量的設備，在設計過程中應考慮到一些相關問題。

1)B-3的熱穩定性比B-2有了明顯的提高，但對其進行固溶熱處理還是非常困難，所以還是應該盡量減少在結構設計中采用需要變形加工的結構，如封頭結構，在允許的情況下，可以采用平蓋封頭代替橢圓封頭。

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

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（有色金屬存放在有色金屬庫房內，焊材存放在焊材一級庫內），注意表面的保護。

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

材料在搬運和劃線過程中應用軟質材料包墊，防止材料表面劃傷。

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

3.2 壓力加工

圓筒與殼體的卷制一般采用冷卷，對于直徑較小而卷板機不好卷制的圓筒可采用折彎機折制的方法。卷板機滾筒或折彎機折刀表面應清理干凈，在卷曲或折制時宜在材料表面墊上一層薄的不銹鋼板和塑料薄膜，以保護材料表面。因鎳基材料的加工硬化比較嚴重，卷制應盡量一次成形。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合，是靠管子和管板變形來達到密封和緊固的一種連接方法。脹接連接的方法有2種，柔性脹接和機械脹接。其中，柔性脹接方法在脹接過程中不會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：

1)首先要正確掌握脹管器的使用。在脹接時，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，不應偏斜并要控制脹緊力的大小。

2)在管板管孔內開槽可以增加拉脫力。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控制在Ra6.3左右，不應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清理干凈，不應留有影響脹接質量的毛刺、鐵屑、銹斑、油污等。

4)脹接連接時，其脹接長度，不應伸出管板背面（殼程側），換熱管脹接部分與非脹接部分應圓滑過渡，不應有急劇的棱角。

5)脹接時應根據要求選擇合適的脹管壓力。脹接程度不足（欠脹）或脹接過量（過脹），都不能保證脹接質量。過脹會使管壁減薄過多而導致管子斷裂和管板變形。因欠脹而進行多次脹接，也會造成加工硬化使管子開裂。因此在正式脹接前沒有經驗的情況下應先進行試脹，以確定合適的脹管壓力。

3.4 組對、裝配

裝配過程中，會有大量焊接工作，應掌握焊接應力和變形情況，在裝配時，要采取適當措施，防止或減少焊后變形和矯正工作。如采用加強圈加強或選擇合適的焊接方法和焊接順序。

制品在組對前，應對其內表面或內件進行清除污染處理。組對過程中，對有可能再次被污染的工序要做好防護措施。

吊裝時應采用軟繩，不允許采用鋼絲繩。

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

在組裝過程中要注意保護金屬表面和設備法蘭密封面。法蘭表面應覆保護膜，防止產生拉毛和碰傷。組對時要參考設備管口方位圖，盡量避免接管開到焊縫上。

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

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

3.5 焊接

B-3可以采用所有常用的焊接方法焊接，但推薦在腐蝕環境下使用的部件用氬弧焊方法。在焊接時要特別注意采取一定的預防措施以防止過度熱輸入。除非客戶特別要求，所有B-3鍛件都是以固溶熱處理狀態供應。對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域在焊接前都要徹底清潔和除油。在焊接時，焊接區的近鄰氧化層表面必須磨至光亮；如果沒有進行打磨，氧化膜和焊渣會引起熱影響區的腐蝕。

用完的焊絲應密閉儲存在溫度為121～200℃的爐中，暴露在室溫下所引起的潮濕會造成機械性能的降低。

施焊環境：操作人員必須穿戴干凈的勞保用品（鞋套、手套、帽子）；焊接區域相對獨立，空氣潔凈、無塵、無煙；風速小于1.5 m/s，相對濕度小于60%，溫度不低于5℃。

焊接前重新用丙酮等清洗，熱吹風機或火焰槍吹掃烘干。嚴禁使用鋼絲刷拋光輪清理，可以使用不銹鋼絲刷。施焊前各個氣體管路和保護罩應預通氣一段時間，保證無殘留雜質和水氣。在焊接時，在底部焊道的背面必須要一直用100%氬氣保護，嚴格按照焊接工藝的要求來選擇焊接參數。

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

焊接完畢后，按照企業的壓力容器質量手冊有關要求，施焊人員在規定部位做好焊工代號鋼印，并由檢驗員對焊縫的外觀、成形等進行檢驗。焊縫外觀檢驗合格后，按照設計圖樣規定進行射線探傷，并按標準JB/T 4730進行驗收[9]。

3.6 熱處理

哈氏合金的熱處理是關鍵技術，加熱和冷卻都必須快速通過475℃低溫脆化區和高溫時的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。保溫一段時間后推出，快速吊入槽內水中水冷。

對于B-3來說，唯一的熱處理方法就是在1 065℃時進行適當時間的固熔退火，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，而且還要經過快速冷卻，因此工件的變形是難免的。

在進行熱處理時還要注意以下一些問題：為了防止設備部件熱處理變形，需要采用不銹鋼加強環；對裝爐溫度、加熱和冷卻時間應嚴格控制；裝爐前，對熱處理件進行預處理，防止產生熱裂紋；熱處理后，對熱處理件進行100%的滲透檢測；在熱處理過程中如產生熱裂紋，經過打磨消除后需補焊者，要采用專門的補焊工藝。

4 結論

1)在允許的情況下，哈氏合金B-3材料制設備設計時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，以節省材料。法蘭的材料應選擇不銹鋼，避免造成B-3材料的污染等。

2)B-3在加工制造過程中，應采取措施防止材料表面劃傷。柔性脹接方法在脹接過程中不會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，在腐蝕環境下使用的部件推薦用氬弧焊方法；B-3熱處理是關鍵技術，加熱和冷卻都必須快速通過475℃低溫脆化區和高溫時的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還比較少見，但是，若能充分了解材料的特殊性，注意制造過程中的許多細節，嚴格遵照標準規范的要求，能夠制造出合格的產品。

[1]盧廣賢,夏崇華,劉豐.哈氏合金B3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.ASME鍋爐及壓力容器規范:第Ⅱ卷 材料D篇 材料性能:2010（中文版）[M].北京:中國石化出版社,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[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B3（N10765）板材焊接工藝評定 [J].中國化工裝備，2010,（1):23-26.

[6]ASME鍋爐及壓力容器委員會材料分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規范:Ⅷ 第一冊 壓力容器建造規則:2010（中文版）[M].北京:中國石化出版社,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承壓設備無損檢測[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