蒙乃爾合金與銅鎳合金換熱器的研制

羊衣木*

（四川科新機(jī)電股份有限公司）

0 引言

蒙乃爾合金又稱鎳合金，是一種以金屬鎳為基體添加銅、鐵、錳等其他元素而成的合金，具有獨(dú)特的物理、力學(xué)和耐蝕性能，是一種用量較大、用途較廣、綜合性能極佳的耐蝕合金。銅合金是以純銅為基體加入一種或幾種其他元素所構(gòu)成的合金。白銅是以鎳為主要添加元素的銅合金，銅鎳合金的力學(xué)性能、耐蝕性能較好，在海水、有機(jī)酸和各種鹽溶液中具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性[1]。2017 年某公司承制了某煉化公司年產(chǎn)45 萬t 聚丙烯裝置中的甲烷化反應(yīng)冷卻器設(shè)備，該設(shè)備管板選用蒙乃爾合金，換熱管選用銅鎳合金。設(shè)備結(jié)構(gòu)可見圖1，設(shè)備技術(shù)特性可見表1。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

表1 設(shè)備的主要技術(shù)特性

1 材料的性能要求

換熱管和管板的化學(xué)成分、力學(xué)性能等參數(shù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，決定該設(shè)備的研制是否能夠取得成功。

1.1 管板的化學(xué)成分

管板材質(zhì)選用NCu30 鎳合金，該材料與ASME標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)為N04400 的鎳合金性能相似，熱處理狀態(tài)為退火，其化學(xué)成分、力學(xué)性能應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[2]，管板化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果可見表2。

表2 管板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 換熱管的化學(xué)成分

換熱管材質(zhì)選用SB111 C71500，該材料與我國牌號(hào)為BFe30-0.7 的銅合金無縫管性能相似，熱處理狀態(tài)為軟化退火（Ο60），其化學(xué)成分、力學(xué)性能需符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定[3]。換熱管的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果可見表3。

表3 換熱管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.3 焊絲的化學(xué)成分

管子與管板間的焊接方式采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊，焊絲材料選ERNiCu-7，按照HG/T 20581—2011《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)附錄D 中的表D-1，與ERNiCu-7 對(duì)應(yīng)的焊絲型號(hào)為SNi4060,化學(xué)成分代號(hào)為NiCu30Mn3Ti[4]，焊絲的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果可見表4。

表4 焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2 材料焊接性能分析

銅鎳合金和蒙乃爾合金中，由于銅、鎳元素的熔點(diǎn)溫度、熱導(dǎo)率、線脹系數(shù)及電阻率等參數(shù)差異較大，因此兩者之間焊接較為困難。在焊接過程中銅、鎳元素與空氣中氧接觸反應(yīng)生成嚴(yán)重氧化膜時(shí)，焊接將難以進(jìn)行；同時(shí)銅、鎳元素易與其他雜質(zhì)元素反應(yīng)產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶體，最終導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生焊接熱裂紋。

2.1 銅鎳合金的焊接特點(diǎn)

C71500 合金中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到65%以上，銅的熱導(dǎo)率隨溫度升高而升高，在1 000 ℃時(shí)銅的熱導(dǎo)率為326.6 W/（m·K），焊接過程中大量熱被傳導(dǎo)，母材的厚度越大，散熱越嚴(yán)重，就越難達(dá)到銅鎳合金的熔點(diǎn)溫度。銅鎳合金焊接的主要問題是其難以熔化，焊縫及熱影響區(qū)易產(chǎn)生焊接熱裂紋和氣孔，焊接殘余應(yīng)力和變形較大，焊接過程中，雜質(zhì)和合金元素的摻入及有用合金元素的氧化、蒸發(fā)都使得焊接接頭性能嚴(yán)重下降[5-6]。

2.1.1 焊接熱裂紋

銅鎳合金本身焊接性能較好，但銅鎳合金中的銅元素對(duì)氧、硫、鉛、磷等雜質(zhì)元素很敏感，焊接時(shí)易形成焊接熱裂紋。在焊接過程中，銅元素會(huì)與雜質(zhì)元素反應(yīng)產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶體（如Cu+Cu2O、Cu+Cu2S、Cu+Pb 等），低熔點(diǎn)共晶體在結(jié)晶過程中分布在晶間或晶界處，使銅鎳合金具有明顯的熱脆性。

在這些雜質(zhì)元素中，氧的危害性最大，其存在于銅鎳合金的制造和焊接過程中，會(huì)以Cu2O 的形式溶入焊縫金屬。為了避免焊接接頭出現(xiàn)熱裂紋，必須嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素的含量，并在焊接材料中加入碳、硅、錳、鋁、鈦等脫氧元素以增強(qiáng)焊接接頭的脫氧能力。

2.1.2 氣孔

銅合金焊縫中的氣孔主要是由溶解的氫氣引起的。在焊接過程中，氫在焊接熔池中的溶解度較大，焊縫熔池凝固結(jié)晶過程十分迅速，時(shí)間很短，使得氣孔傾向大大加劇，從而形成分布在焊縫各個(gè)部位的擴(kuò)散性氣孔。為了減少或消除焊縫中的氣孔，可采用減少氫和氧的來源，或采用預(yù)熱來延長熔池存在時(shí)間，使氣體易于逸出。

2.2 蒙乃爾合金的焊接特點(diǎn)

蒙乃爾合金的顯微組織是單一的奧氏體，其焊接特性與奧氏體不銹鋼相似，且焊接性能較好，但蒙乃爾合金中的鎳元素對(duì)硫、磷、砷、鉛等雜質(zhì)元素很敏感；在焊接過程中，鎳元素能與雜質(zhì)元素反應(yīng)產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶體（如Ni+Ni3S2，熔點(diǎn)為635 ℃；Ni3P，熔點(diǎn)為880 ℃等），其在結(jié)晶過程中分布在晶間或晶界處，使蒙乃爾合金具有明顯的熱脆性，致使焊接接頭易形成焊接熱裂紋[5-7]。蒙乃爾合金焊接時(shí)存在與奧氏體不銹鋼類似的問題，如易產(chǎn)生焊接熱裂紋、焊縫氣孔、焊接接頭晶間腐蝕等。

2.2.1 焊接熱裂紋

蒙乃爾合金焊接工藝特性主要表現(xiàn)為液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差、焊縫金屬熔深淺、凝固收縮量大，致使焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的焊接收縮應(yīng)力；在焊縫凝固過程中，鎳元素易與雜質(zhì)元素形成低熔點(diǎn)共晶體，其強(qiáng)度低、變形能力差、脆性大、延展性弱，因此在收縮應(yīng)力的作用下焊縫極易產(chǎn)生焊接熱裂紋。焊接熱裂紋的敏感性與焊縫金屬結(jié)晶溫度區(qū)間大小、合金元素和雜質(zhì)含量、焊縫凝固過程中的應(yīng)力大小、焊縫冷卻速度等因素有關(guān)。

2.2.2 氣孔

在焊接完成后快速冷卻時(shí)，蒙乃爾合金焊縫極易產(chǎn)生氣孔。焊接過程中，氧氣、氫氣、氮?dú)獾葰怏w在液態(tài)焊縫中溶解度極大，而固態(tài)時(shí)其溶解度大大減小，同時(shí)蒙乃爾合金固液相的溫差比較小，液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性較差，使得蒙乃爾合金中的氣體不能在焊縫快速冷卻時(shí)完全溢出而形成了氣孔。

3 焊接過程質(zhì)量的控制

換熱管與管板焊接時(shí)常采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊，該焊接方法具有電弧穩(wěn)定、熱影響區(qū)窄、局部熱輸入較強(qiáng)以及氣體保護(hù)效果良好等特點(diǎn)。銅合金在焊接過程中需要大功率、高能束的焊接熱源，焊接時(shí)熱效率越高，能量越集中，對(duì)焊接越有利。該焊接方法也適用于焊接鎳基合金薄板、小截面，焊接接頭不能進(jìn)行背面焊的封底焊以及不允許有焊接熔渣殘留的焊接結(jié)構(gòu)。

3.1 焊接工藝的選擇

氬弧焊采用直流電流，電極接負(fù)極，焊機(jī)需配備高頻引弧裝置和電流衰減裝置，以便在引弧、熄弧時(shí)逐漸減小弧坑尺寸，防止產(chǎn)生弧坑裂紋。鎢極直徑為3.0 mm，噴嘴直徑為10.0 mm，氬氣純度為99.99%。為了防止焊縫產(chǎn)生焊接熱裂紋，應(yīng)選用小電流、短弧、快焊速的焊接工藝。為了保證焊縫的熔深和寬度，鎢極應(yīng)為尖頭，圓錐角為30°～60°，尖端磨平，直徑為0.4 mm，焊接時(shí)保持電弧穩(wěn)定與一定的熔深。預(yù)熱溫度不應(yīng)小于5 ℃，道間溫度控制在5℃～100℃，脈沖頻率為40 Hz，脈寬比為30%～50%，正面氣體流量為9～12 L/min，背面氣體流量為3～5 L/min。焊接接頭詳情如圖2 所示，焊接參數(shù)如表5 所示。

圖2 換熱管與管板焊接結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

3.2 焊接注意事項(xiàng)

3.2.1 焊前準(zhǔn)備

（1）保持焊接件表面清潔是成功焊接蒙乃爾合金和銅鎳合金的重要條件之一。焊接件表面的污染物主要包括硫、磷、鉛和某些低熔點(diǎn)元素，污染物會(huì)增大焊接熱裂紋產(chǎn)生的傾向，因此，焊接前污染物必須完全徹底清除。

表5 換熱管與管板的焊接參數(shù)

（2）在焊接前管板坡口及兩側(cè)25 mm 寬度和換熱管端部150 mm 范圍內(nèi)的氧化膜應(yīng)打磨干凈，直至其表面呈金屬光澤。

（3）焊絲應(yīng)保持干燥，并用丙酮、堿等溶劑清洗去除油脂、水分、切削冷卻液與其他污染物。清理后的焊絲和焊接件在焊接前嚴(yán)禁再次被污染，禁止用手直接觸摸焊接部位。

（4）換熱管與管板不允許強(qiáng)力組裝，管板和換熱管定位焊的焊接參數(shù)應(yīng)與正式焊接工藝的焊接參數(shù)相同，定位焊的焊縫最后應(yīng)熔入整個(gè)焊縫中，焊接過程中一旦發(fā)現(xiàn)定位焊的焊縫有缺陷則應(yīng)立即清除缺陷，并對(duì)焊接坡口進(jìn)行清理。

3.2.2 焊接過程控制

（1）焊接過程中嚴(yán)禁為了增加焊縫液態(tài)金屬的流動(dòng)性而提高焊接電流，因?yàn)樘岣吆附与娏鲿?huì)增加焊接熱裂紋和氣孔產(chǎn)生的幾率。

（2）整個(gè)焊接過程均應(yīng)在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，焊接起弧時(shí)，采用反向引弧，熄弧前液態(tài)金屬應(yīng)填滿弧坑。焊接過程中當(dāng)鎢極觸及熔池或焊絲熔化端時(shí)，應(yīng)立即停止焊接作業(yè)并清除鎢極接觸部分的焊縫金屬后再繼續(xù)施焊。填充焊絲應(yīng)從熔池的前端進(jìn)入熔池，避免其與鎢極接觸。

（3）焊接過程中熔池應(yīng)保持平靜，尤其是應(yīng)避免電弧攪動(dòng)熔池；焊接完成熄弧后焊絲不得立即暴露在空氣中，避免焊絲融化端被氧化，導(dǎo)致焊縫金屬被污染。

（4）焊接過程中保護(hù)氣體的流量要適當(dāng)，保護(hù)氣體流量過大可能造成氣體紊流，影響焊縫的冷卻速度，從而對(duì)焊縫造成不利影響。

3.2.3 焊接環(huán)境的要求

當(dāng)焊接環(huán)境出現(xiàn)下列任一情況，且無有效防護(hù)措施時(shí)，應(yīng)禁止施焊：（1）環(huán)境溫度低于0 ℃；（2）風(fēng)速大于2 m/s； （3）相對(duì)濕度大于90%； （4）雨、雪環(huán)境；（5）焊件溫度低于5 ℃[8]。

3.3 焊后檢測

換熱管與管板的打底焊應(yīng)經(jīng)目視檢查確保焊縫無裂紋；蓋面焊縫應(yīng)按NB/T 47013.5—2015《壓力容器用鎳及鎳合金鍛件》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%滲透檢測確保無裂紋；換熱管與管板間的焊縫應(yīng)按NB/T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)抽取8 個(gè)接頭進(jìn)行X 射線檢測，焊縫質(zhì)量評(píng)估應(yīng)根據(jù)EN ISO 15614-8—2016 標(biāo)準(zhǔn)中8.2 段的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收，確保焊縫滿足要求。設(shè)備應(yīng)經(jīng)過7.8 MPa 的水壓試驗(yàn)，確保沒有泄漏。該設(shè)備現(xiàn)已投產(chǎn)，且未發(fā)現(xiàn)任何的質(zhì)量問題。

4 結(jié)論

蒙乃爾合金和銅鎳合金的熔點(diǎn)溫度、熱導(dǎo)率、線脹系數(shù)及電阻率等參數(shù)差異較大，導(dǎo)致兩者焊接困難，但通過對(duì)材料焊接性進(jìn)行分析，制定焊接質(zhì)量的保證措施，并通過工藝試驗(yàn)，確定合理的焊接工藝參數(shù)，可以有效避免焊縫在焊接過程中產(chǎn)生焊接熱裂紋、焊接氣孔等焊接問題，顯著提高了焊縫的焊接質(zhì)量，并取得了良好的效果。