鎳銅合金（Monel400）制再生塔預熱器腐蝕缺陷分析及安全評價

趙 鵬，張 茂

（南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院，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，其典型成分約為70%Ni和30%Cu(wt%)，是鎳基耐蝕合金中應用最廣泛的一種合金，常用的Monel400(ASME牌號SB127 N04400)的化學成分見表1[1]。在我國相當于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。在工程應用上具有悠久的歷史，尤其是在化染、化工、船舶等領域[4]。

表1 蒙乃爾合金(SB127 N04400)化學成分（wt%）

蒙乃爾在化工中常用于氟化氫（氫氟酸）環境，氫氟酸中含有微量的水，其對金屬材料的腐蝕類型屬于電化學腐蝕，即陽極產生金屬溶解，陰極析出氫。反應產物形成的氧化膜會阻止腐蝕，如果氧化膜與金屬材料附著牢固，則氫氟酸對金屬的腐蝕將降低。蒙乃爾對氫氟酸有較好的耐蝕性，20℃下，氫氟酸中水的質量分數為0.5%時，蒙乃爾材質氧化膜厚度約0.4mm，溫度越高氧化膜厚度越厚，蒙乃爾材質在溫度升高到149℃，氧化膜的致密度將下降，當氫氟酸中水的質量分數為超過0.5%時，對金屬設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據見表2，由表2可知，一定范圍內，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 設備概況

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

該預熱器為U型管換熱器，管箱一側為平蓋（鍛件），投入使用17年，于2020年8月進行定期檢驗，檢驗中將管箱平蓋打開，管束從殼程筒體中抽出，對設備進行目視檢查及壁厚測定，對焊縫進行必要的無損檢測。

在檢驗中發現管板與管箱筒體焊縫處存在裂紋，且焊縫中多處存在“點蝕”，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“點蝕”

查閱設備存檔資料，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，查閱設備工序流轉卡發現，管板與管箱筒體需要在基層（16MnR）相焊，以保證焊縫強度，因此在制造時將復合板（管板及管箱）焊縫兩側的母材采用“剔邊”手法去除復層，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]，與腐蝕介質接觸時，極易形成小陽極大陰極電池反應，造成“點蝕”，因此，控制堆焊層中的Fe元素含量是保證其耐蝕性的關鍵。

對該焊縫裂紋處進行光譜分析，結果顯示Fe元素含量為9.8%（質量分數），證實以上分析。

3.1.2 焊縫存在裂紋

由于“點蝕”的存在，在焊接殘余應力及結構不連續而產生的邊界應力作用下，焊縫金屬在“點蝕”部位被撕裂，從原理上分析，屬于應力腐蝕的一種。

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，焊材選用ERNiCu-7，以產生較小的熔合比，保證焊縫金屬的合金成分。

（2）“點蝕”做好記錄及監測，觀察“點蝕”的擴展情況；擴展不明顯可不做處理，若明顯擴展將整圈焊縫打磨，去除蒙乃爾復層后采用GTAW及較小的焊接參數進行堆焊。

（3）對腐蝕穿孔的換熱管進行堵管。

（4）使用中控制管程的氟化氫含水量在工藝指標的范圍內，要求使用單位嚴格按照規程進行操作，監控記錄運行參數，定期分析含水率指標。

4 安全評價

較為準確的找到了缺陷產生的原因，對于危害性較大的缺陷（裂紋）進行打磨消除，并采用了較為適合的工藝進行堆焊；對于“點蝕”缺陷進行監控，該設備可以使用到下一檢驗周期。

5 結論

（1）設備已使用十余年，實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行堆焊時，應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，以保證焊縫金屬的合金元素含量。

（3）蒙乃爾制設備在運行使用時應控制介質的含水率在正常運行指標范圍內。