哈氏G-30合金的基本特性及容器的設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)

東 娟 羅耿波 席金花

（寶色特種設(shè)備有限公司）

哈氏G-30合金的基本特性及容器的設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)

東 娟*羅耿波 席金花

（寶色特種設(shè)備有限公司）

哈氏G-30合金是一種高耐蝕鎳基合金。主要介紹了G-30合金的一些基本特性，同時也對G-30合金壓力容器的設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)作了簡要論述。

哈氏G-30合金 耐腐蝕特性 壓力容器 設(shè)計(jì) 制造 焊接

0 前言

現(xiàn)代石油化工生產(chǎn)工藝的強(qiáng)化和長周期運(yùn)行，使得腐蝕條件越來越苛刻，因此采用耐蝕材料就成了控制腐蝕的主要手段之一，其中采用高合金或超合金對于延長石油化工設(shè)備的使用壽命就是一種既可行又經(jīng)濟(jì)的措施。近幾年我國從國外引進(jìn)的一些裝置中大量應(yīng)用哈氏合金。哈氏含金是一種耐腐蝕性能極好的鎳基合金，它與奧氏體不銹鋼相比具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：耐蝕性能好，強(qiáng)度高，更輕巧，設(shè)備使用壽命長。哈氏合金經(jīng)過70多年的發(fā)展，目前已有許多系列，如A、B、C、D、F、G、H、N、X等，它們分別應(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)域。從20世紀(jì)80年代起，通過對鎳基合金大量的改進(jìn)研究，已開發(fā)了一種新的專用高耐蝕哈氏合金G-30。該合金在國外已經(jīng)應(yīng)用于許多場合，但在國內(nèi)用作壓力容器材料還屬罕見。本文主要介紹了G-30合金的一些基本特性，同時也對G-30合金壓力容器的設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)作了簡要論述。

1 哈氏G-30合金的基本特性

哈氏G合金為Ni-Cr-Mo-Cu型合金，含Cr量高 （45%Ni，22.5%Cr，6.5%Mo，19%Fe，≤0.05% C，2.5%Cu，≤1.0%Si），對強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等氧化性腐蝕介質(zhì)有很好的抗蝕性。由于該合金含Cu元素2%并與Mo復(fù)合作用，因此對熱硫酸和熱磷酸具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。哈氏 G-30合金是通過對鎳基合金大量的改進(jìn)研究出來的一種專用的高耐蝕合金。美國ASME標(biāo)準(zhǔn)中的合金牌號為N06030[1]。哈氏G-30合金在磷酸中有很好的耐蝕性能，通常腐蝕速率為 0.025～2.50 mm/a，其耐蝕性要比Hastlloy G-3或Inconel 625高2～4倍。其化學(xué)成分見表1[1]。

哈氏G-30合金的力學(xué)性能見表2[2]、表3。哈氏G-30合金的物理性能見表4[2]。

表1 G-30合金的化學(xué)成分 （%）

表2 G-30合金的室溫及高溫拉伸性能

表3 G-30合金的硬度值 （室溫）

2 哈氏G-30合金壓力容器的設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)

以某廠委托設(shè)計(jì)的一臺哈氏G-30合金壓力容器為例，其技術(shù)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力殼程為 0.36/ -0.1 MPa，管程為 0.81 MPa；設(shè)計(jì)溫度殼程為165℃，管程為75℃；殼程介質(zhì)性質(zhì)為易燃、有毒、有腐蝕性 （介質(zhì)成分用戶保密），管程介質(zhì)為冷卻水；腐蝕裕度殼程為0，管程為3.2 mm。

表4 G-30合金的物理性能

該設(shè)備直徑為1200 mm，長度為8500 mm，與殼程介質(zhì)相接觸部分材料均為哈氏G-30合金，筒體厚度為10 mm，管箱材料為Q235-B，殼程A、B類焊縫系數(shù)為0.95，100%RT。

2.1 設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

設(shè)計(jì)所需的哈氏G-30合金的化學(xué)成分、力學(xué)性能、供貨狀態(tài)等數(shù)據(jù)均選自美國ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅱ卷B、D篇。

2.1.2 焊接坡口的設(shè)計(jì)

要得到好的焊件，在加工中必須考慮焊接坡口的形式。即使選了合適的焊材，坡口設(shè)計(jì)得不好也不能得到好的焊件。殼程介質(zhì)的特性決定了對接焊縫、角焊縫均要求全焊透。由于鎳基合金很黏 （比碳鋼或不銹鋼流動性差）且不易流動和濕潤側(cè)邊，因此這種金屬要比典型的碳鋼和不銹鋼難焊透，即熔融不完全的可能性較大。為此，焊接坡口要有足夠的寬度，以便使焊槍焊條通過合適的操作來保證焊縫全焊透。所以，選用了如圖1所示的焊接坡口尺寸。

2.1.3 管板與換熱管的連接

管板與換熱管的連接采用貼脹加強(qiáng)度焊的結(jié)構(gòu)[3]。由于哈氏G-30合金的延展性與不銹鋼相當(dāng)，因此，其管板孔徑和允許偏差可參照不銹鋼管進(jìn)行設(shè)計(jì)；支撐板、折流板、最大跨距等數(shù)據(jù)均可參照GB 151—1999進(jìn)行選取。

圖1 焊接坡口尺寸

2.2 制造

2.2.1 成形加工

哈氏G-30合金具有良好的成形加工性能，其延展性好，特別適于冷加工。但由于它容易產(chǎn)生加工硬化，因此冷成形時需要更多的能量[1]。由于G-30含鉻量較高，又含有鉬，因此其不但具有較高的耐均勻腐蝕性能，同時也具有較高的耐局部腐蝕性能。

一般來講，冷加工不會影響其抗均勻腐蝕的能力，也不會影響抗局部腐蝕的能力。但如果其纖維方向延伸率≥10%，在某些介質(zhì)中，G-30構(gòu)件中的殘余應(yīng)力將會導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生。當(dāng)然，可通過熱處理減小或消除殘余應(yīng)力。

哈氏G-30合金也可進(jìn)行鍛造、熱卷、熱沖壓等一系列熱加工，但由于它的熱加工溫度范圍較窄，因此應(yīng)十分小心地控制其加工溫度，以獲得滿意的加工效果。其鍛造溫度一般為1149～927℃。

2.2.2 焊接

2.2.2.1 焊接方法

哈氏G-30合金常用的電弧焊焊接方法有鎢極氣體保護(hù)焊 （GTAW）、熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、手工電弧焊 （TIG）等。本次制作主要采用鎢極氣體保護(hù)焊。G-30之間的焊接：第一層，填充材料G-30?2.4 mm，焊接電流的極性直流正接，電流90～110 A，電弧電壓14～16 V，焊接速度 80～100 mm/min；其余層次，填充材料 G-30?2.4 mm，焊接電流130～150 A，電弧電壓14～16 V，焊接速度100～120 mm/min。保護(hù)氣體流量為正面12～14 L/min，背面20～24 L/min。

2.2.2.2 焊接材料

哈氏G-30合金焊接時與之相匹配的焊接材料的選擇與焊接方法有關(guān)。鎢極和熔化極氣體保護(hù)焊選用焊絲ERNiCrMo-11，即UNSN06030；手工電弧焊應(yīng)選用焊條ENiCrMo-11，即UNSW86030。

3 熱處理

除非特殊要求，哈氏G-30合金的鍛件都須進(jìn)行固溶熱處理[1]。其固溶熱處理溫度為1177℃，隨后迅速空冷或水冷。熱成形部件在制造和安裝前，都必須進(jìn)行固溶熱處理。熱處理溫度—時間曲線如圖2所示。

圖2 熱處理溫度-時間曲線

4 結(jié)束語

哈氏G-30合金是一種高耐蝕鎳基合金。哈氏G-30合金壓力容器的設(shè)計(jì)制造以提高合金耐蝕性為出發(fā)點(diǎn)，使不可預(yù)見的失效危險(xiǎn)降至最小。通過選擇最低初始成本的材料來獲得最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備使用壽命。通過這次設(shè)計(jì)制造實(shí)踐，總結(jié)出以下一些關(guān)于哈氏G-30合金制造特點(diǎn)的認(rèn)識：

（1）哈氏G-30合金在磷酸、硝酸、鹽酸、硫酸等復(fù)雜的環(huán)境下，都有優(yōu)良的耐蝕性。

（2）選擇合理的焊接坡口是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，焊接坡口要有足夠的寬度。

（3）熱成形加工時，應(yīng)嚴(yán)格控制加工溫度。

（4）焊接前應(yīng)充分做好焊接的準(zhǔn)備工作。不宜采用寬焊道，電極不宜橫向擺動。

[1]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范：第II卷B篇 ［S］.2010版.北京：中國石化出版社，2011.

[2]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范：第II卷D篇 ［S］.2010版.北京：中國石化出版社，2011.

[3]GB 151—1999.管殼式換熱器 ［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

Basic Properties of Hastelloy G-30 and Design and Fabrication Characteristics of the Vessel Made from Hastelloy G-30

Dong Juan Luo Gengbo Xi Jinhua

Hastelloy G-30 is nickel-base alloy with superior corrosion resistance.Primarily introduces the basic properties of Hastelloy G-30 and briefly discusses the design and fabrication characteristics of the pressure vessel made from Hastelloy G-30.

Hastelloy G-30;Corrosion resistance;Pressure vessel;Design;Fabrication;Weld

TQ 050.4+4

2014-03-18)

*東娟，女，1980年生，工程師。寶雞市，721014。