800H合金技術(shù)要求及預(yù)制問題探討

謝振紅

福陸（中國(guó)）工程建設(shè)有限公司 （上海 201103）

0 前言

800H合金又稱Incoloy 800H，是鎳鉻鐵奧氏體不銹鋼，隸屬于800系列合金，由美國(guó)特種金屬集團(tuán)公司發(fā)明。800系列合金于20世紀(jì)50年代推向市場(chǎng)，用于填補(bǔ)耐高溫和相對(duì)耐腐蝕的低鎳含量合金市場(chǎng)。[1]

800H合金具有優(yōu)良的抗高溫蠕變性能、抗氧化性能、抗應(yīng)力腐蝕性能、耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕開裂性能，廣泛應(yīng)用于石油化工設(shè)備中的加熱爐管、裂解爐管、集氣管、豬尾管和電加熱元件的護(hù)套等加熱爐部件。800H合金通常用應(yīng)于470～700℃介質(zhì)中，耐蒸汽、軟水、蒸汽/空氣/C O2混合物、酸性溶液、鹽和H2S等的腐蝕。800H合金也是用于苯乙烯和多晶硅裝置的典型材料。本文就用于多晶硅裝置的800H合金的技術(shù)要求和預(yù)制過程進(jìn)行探討。

1 800系列合金介紹

800系列合金家族包括合金800(UNS N08800)，800H(UNS N08810)，800HT(UNS N08811)。與 800合金相比，800H合金和800H T合金具有更高的蠕變斷裂強(qiáng)度。三種合金的化學(xué)成分要求如表1所示。三種合金所含的化學(xué)元素基本相同，主要區(qū)別在于碳、鋁和鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。800合金中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高須低于0.10%，而沒有最低限制；800H合金中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.05%～0.10%之間；800H T合金中各化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都處于800H合金的限定范圍內(nèi)，不過限制更加嚴(yán)格，其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.06%～0.10%之間，A l與T i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和一般在0.85%～1.20%之間。除了控制碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，還應(yīng)對(duì)800H合金和800H T合金進(jìn)行高溫退火處理，使其平均晶粒度達(dá)到美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）規(guī)定的5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)或更粗，以提高其蠕變斷裂強(qiáng)度[1]。

表1 800系列合金中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求 %

鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%時(shí),可以增強(qiáng)合金對(duì)氯化物所造成的腐蝕裂紋的耐受能力,也能夠增強(qiáng)在相沉淀過程中產(chǎn)生的脆變的耐受能力，總體抗腐蝕能力極佳。在固溶退火狀態(tài),800H合金和800H T合金具有優(yōu)良的抗蠕變和抗裂變性能。

典型的蠕變強(qiáng)度值表明，這些合金的強(qiáng)度是按照 800，800H，800H T的順序遞增的。然而，在540～700℃范圍內(nèi)，800H T合金的應(yīng)力松弛開裂風(fēng)險(xiǎn)高于800H合金，因此，在該溫度范圍內(nèi)應(yīng)優(yōu)選800H合金。800H T合金通常用于760℃以上的工況下（如加氫重整裝置、合成氨裝置、乙烯生產(chǎn)裝置等），在工作溫度范圍內(nèi)的應(yīng)力松弛開裂風(fēng)險(xiǎn)不再特別明顯[2]。

多晶硅項(xiàng)目中，主要工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度為600℃，因此主要相關(guān)設(shè)備（如反應(yīng)器、換熱器，管子、管件、法蘭和閥門等）的主材均采用800H合金并分別遵守不同的美標(biāo)材料標(biāo)準(zhǔn)。

與介質(zhì)中應(yīng)力松弛開裂一樣，在制造過程中，800H合金和800H T合金均具有再熱裂紋敏感性，兩者機(jī)理相似。本文討論的主要是制造過程中的開裂，即“再熱裂紋”。在工程實(shí)踐中，800H合金的應(yīng)力松弛開裂和再熱裂紋問題造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤。盡管在項(xiàng)目規(guī)定中增加對(duì)800H合金的采購和預(yù)制技術(shù)的要求有助于預(yù)防應(yīng)力松弛開裂和再熱裂紋等問題的發(fā)生，但800H合金管道和設(shè)備制造的復(fù)雜性還沒有被完全了解。

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

裂紋主要是由焊后熱處理（PWHT）或高溫使用過程中應(yīng)力松弛導(dǎo)致的金屬開裂。前者被稱為再熱裂紋，后者為應(yīng)力松弛開裂。這兩種裂紋的產(chǎn)生機(jī)理是相關(guān)的，當(dāng)溫度升高時(shí)，如果合金的蠕變延性不足以滿足介質(zhì)強(qiáng)度邀請(qǐng)或消除殘余應(yīng)力，這兩種開裂就可能發(fā)生。在多數(shù)情況下，開裂僅限于熱影響區(qū)或開始于某些類型的應(yīng)力集中，并沿晶界發(fā)生，很少出現(xiàn)明顯的變形。裂紋類型分為表面裂紋或嵌入裂紋，取決于材料的應(yīng)力狀態(tài)和幾何形狀。開裂最常出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)的粗晶粒部分[3]。沉淀夾雜物的細(xì)晶粒強(qiáng)度比晶界高，因此蠕變變形多發(fā)生在晶界處。晶粒度對(duì)材料的高溫塑性和再熱裂紋敏感性也有重要的影響，粗晶粒會(huì)減少熱影響區(qū)的韌性，使材料對(duì)再熱裂紋更敏感。

兩種開裂經(jīng)常發(fā)生在厚壁部分。易受影響的材料包括低合金鋼（鉻鉬）以及300系列不銹鋼和鎳基合金（如800H合金和800H T合金），主要影響因素有：材料的類型（化學(xué)成分、雜質(zhì)元素），晶粒尺寸，預(yù)制的殘余應(yīng)力（冷加工、焊接），截面厚度（控制約束和應(yīng)力狀態(tài)），缺口和應(yīng)力集中，焊縫金屬與母材的強(qiáng)度，以及焊接和熱處理?xiàng)l件[3]。

3 防止再熱裂紋和應(yīng)力松弛的措施

為減少800H合金在制造過程中的再熱裂紋及工作狀況下的應(yīng)力松弛開裂，結(jié)合國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，提出4項(xiàng)主要建議。

3.1 母材和焊縫金屬中Al+Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.7%

如表1所示，800H合金和800HT合金的Al+Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍部分重疊，因此，材料往往是“雙認(rèn)證”的兩種合金。為了使材料在540～700℃范圍內(nèi)對(duì)再熱裂紋和應(yīng)力松弛開裂的敏感性較低，Al+Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.7%，大于0.4%[1]。然而，符合該規(guī)格要求的材料雖滿足800H合金的要求，但不符合800H T合金化學(xué)成分的規(guī)定。

3.2 母材穩(wěn)定化熱處理

800H合金母材經(jīng)軋制、成形或其他制造步驟后，應(yīng)在982℃下進(jìn)行3h穩(wěn)定化熱處理。按照ASTM要求進(jìn)行固溶退火處理后，再進(jìn)行溫度稍低的穩(wěn)定化熱處理有助于在晶界上產(chǎn)生粗的含夾雜物的晶粒。碳與時(shí)效硬化元素（如T i，Al，Nb等）反應(yīng)可生成微細(xì)碳化物，適量加入這些元素能夠細(xì)化晶粒，提高合金的強(qiáng)度和韌性。冷成形材料容易松弛開裂，而對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理能夠有效地扭轉(zhuǎn)這種狀態(tài)。在穩(wěn)定化的條件下，至少15%的冷變形是被允許的，而不會(huì)增加應(yīng)力松弛開裂風(fēng)險(xiǎn)[1]。

3.3 選擇與之匹配的填充金屬和焊接方式

在工業(yè)生產(chǎn)中，800H合金或800H T合金焊接管和管件，以及許多需要預(yù)制的管段和容器的典型焊接材料均采用過匹配焊縫材料——鎳基填充料（如ENiCrFe-3或617合金）。雖然這些填充金屬在工作溫度超過760℃時(shí)是可以接受的，也是首選的，但在540～700℃的范圍內(nèi)，這些填充金屬會(huì)增加應(yīng)力松弛開裂敏感性，還會(huì)帶來鎳基焊接填充材料變脆的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)800H合金材料預(yù)制時(shí)，若用于540～700℃的工況，則建議填充金屬的化學(xué)成分與母材金屬化學(xué)元素相匹配（主要是N i和C r的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其他的填充元素與母材相同）。一些典型的熔化極和焊絲的化學(xué)成分如表2所示，因此800H合金填充金屬的化學(xué)成分或品牌需要指定。

經(jīng)驗(yàn)證明鎢極氬弧焊（GTAW）和手工電弧焊（SMAW）是與填充金屬匹配的焊接方法。

表2 熔化極和焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.4 900℃焊后熱處理

800H合金的焊后熱處理被認(rèn)為是預(yù)防應(yīng)力松弛開裂的最好方式，盡管它會(huì)造成再熱裂紋風(fēng)險(xiǎn)。按ASME規(guī)范要求，如果使用溫度超過540℃，800H合金壓力容器應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。ASME第八篇規(guī)定了焊后熱處理的最低溫度為885℃，壁厚在25m m以內(nèi)的保溫1.5h，壁厚大于25m m的，每超過25m m保溫時(shí)間應(yīng)額外增加1h。

4 材料采購技術(shù)要求及制造問題探討

提出800H合金采購技術(shù)要求時(shí)，應(yīng)考慮以上4項(xiàng)要求，對(duì)于可以免除的要求也應(yīng)盡早確定。項(xiàng)目實(shí)施中，800H合金管件制造廠提出可以滿足Ti+Al最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.7%的要求，故免除了固溶退火和成形及預(yù)焊之后的穩(wěn)定化熱處理（982℃，3h）。如果整個(gè)管段在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊后熱處理，則可以放松材料采購時(shí)對(duì)穩(wěn)定化熱處理的要求。800H合金設(shè)備也免除了部分原材料穩(wěn)定化熱處理的要求，即在整個(gè)設(shè)備預(yù)制完成后只進(jìn)行一次穩(wěn)定化焊后熱處理。因此，設(shè)備廠家對(duì)800H合金設(shè)備采用的熱處理工藝為：對(duì)原材料進(jìn)行固溶退火處理，對(duì)預(yù)制后的容器進(jìn)行焊后熱處理。壁厚大于25m m的關(guān)鍵設(shè)備（如反應(yīng)器），應(yīng)同時(shí)滿足上述4項(xiàng)要求。

管道組件幾何形狀簡(jiǎn)單、壁薄，要完全滿足上述4項(xiàng)要求幾乎是不可能的，因此免除了部分要求。項(xiàng)目實(shí)施中，供貨商能滿足Al+Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制，并在預(yù)制焊接后嚴(yán)格執(zhí)行焊后熱處理的要求，故穩(wěn)定化熱處理予以免除。此外，對(duì)現(xiàn)有庫存的未經(jīng)過穩(wěn)定化熱處理的800H合金管道組件進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，但未取得成功，原因是一些組件穩(wěn)定化熱處理后晶粒度不能滿足要求。因此，只有在原材料階段進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理并且檢驗(yàn)合格取得合格證書才是正確的做法。

穩(wěn)定化熱處理應(yīng)嚴(yán)格按照熱處理程序帶試板進(jìn)行，熱處理后應(yīng)進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)定、金相分析及晶間腐蝕試驗(yàn)，如果熱處理不夠細(xì)致，可能導(dǎo)致晶粒細(xì)化，甚至由于晶粒尺寸過細(xì)而喪失高溫強(qiáng)度。所以800H合金只有在原材料預(yù)制廠由具有該合金熱處理經(jīng)驗(yàn)的車間完成穩(wěn)定化熱處理，才能獲得所需的穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

循環(huán)工況、壁厚大于25m m的壓力容器應(yīng)滿足所有4項(xiàng)要求；在臨界溫度范圍內(nèi)薄壁的容器通常應(yīng)符合所有4項(xiàng)要求；溫度低于臨界溫度范圍的800H合金容器滿足3.3和3.4即可達(dá)到要求；高溫管道一般滿足3.3和3.4即可達(dá)到要求，而溫度更低的管道只需滿足3.4即可。

如果管子尺寸和壁厚能達(dá)到要求，就采用無縫管；當(dāng)要求用焊接管時(shí)，應(yīng)與材料供應(yīng)商確認(rèn)指定厚度和直徑的自身焊管是否可行；對(duì)于焊接管，要求對(duì)縱縫做100%射線檢測(cè)（R T）。圖1為普通焊縫外表面金相，可以看到肉眼可見的粗晶粒。圖2為無縫管金相，晶粒度4級(jí)。

圖1 普通焊縫外表面金相

圖2 無縫管金相

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)供應(yīng)的800H合金的棒、板、管等制品主要由美國(guó)哈氏合金國(guó)際公司、美國(guó)S M C國(guó)際超合金集團(tuán)公司、德國(guó)蒂森克虜伯VDM公司、荷蘭Verolme機(jī)器制造公司、瑞典奧托昆普公司、日本冶金工業(yè)株式會(huì)社等提供。與國(guó)外公司相比，我國(guó)對(duì)800合金材料的冶煉和其棒、板、管的制造在技術(shù)掌握、經(jīng)驗(yàn)積累、品牌創(chuàng)建以及規(guī)模能力等方面還有待提高，尤其是800合金無縫管的制造[4]。

5 結(jié)語

800H合金采購、技術(shù)要求和預(yù)制的注意事項(xiàng)總結(jié)如下：

（1）采取以下措施來降低應(yīng)力松弛開裂和再熱裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，并保證其高溫性能：母材和焊縫金屬Al+Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要低于0.7%；對(duì)原材料要進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理；選擇匹配的焊接填充金屬，焊接采用氬弧焊或手工電弧焊；進(jìn)行900℃的焊后熱處理。

（2）如果能保證管道尺寸和壁厚，就采用無縫管；當(dāng)要求用焊接管時(shí)，與材料供應(yīng)商確認(rèn)指定厚度和直徑的自身焊管是否可行；對(duì)于焊接管，要對(duì)縱縫做100%R T。

（3）訂購800H合金焊接管件時(shí)，應(yīng)指定相匹配的焊縫填充材料，焊縫應(yīng)做100%R T和滲透檢測(cè)（P T），在管子原材料或管件制造廠進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理。

[1]SPECIAL METALS,"INCOLOY?alloy 800 H&800H T?"[E B/O L].www.SPECIAL METALS.com,2004-09-04.

[2]Shargay C,Moore K,van den Berg R.Recent Problems and Solutions with Fabrication of alloy 800H[Z].

[3]APIRP 571-2011Damage Mechanisms Affecting Fixed E－quipment in the Refining Industry[S].

[4]郭順顯,黃國(guó)洪,楊振飛,等.800H合金無縫對(duì)焊管件的制造和質(zhì)量控制[A].2012年全國(guó)石油化工設(shè)備年會(huì),福州:2012:58-60.