鎳基高溫合金在管式加熱爐管中的應用

崔躍雙，董 雷

（北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176）

隨著化工工藝不斷發(fā)展， 對化工供熱核心設備——管式加熱爐的使用條件提出了越來越高的要求。 加熱爐爐管不僅受到火焰的直接輻射和煙氣氧化，同時還需承受爐管內(nèi)高溫介質(zhì)的腐蝕和沖刷，是加熱爐最為核心的部件， 關系著裝置的安全穩(wěn)定運行。 爐管選材主要依據(jù)材料的耐熱性、耐腐蝕性、高溫強度、組織的穩(wěn)定性及可加工性能等，常用材料為鐵基合金材料，包括：碳鋼、Cr-Mo耐熱鋼、18-8系列奧氏體不銹鋼等。

由于鐵基合金材料在高溫下組織是非穩(wěn)定狀態(tài)，在特定溫度下會發(fā)生微觀組織變化，進而導致機械性能惡化突變，影響到設備的穩(wěn)定運行。這些微觀組織變化主要有[1]：（1）碳鋼及1/2Mo鋼在450 ℃以上存在石墨化；（2）含有12%以上鉻的材料的“475 ℃脆性”；（3）含有16.5%以上鉻的鐵元素體或奧氏體系不銹鋼在450～850 ℃的敏化現(xiàn)象；（4）在高碳氣氛中，奧氏體鋼表面滲碳產(chǎn)生龜裂或脆化等。 上述微觀組織變化限制了鐵基材料爐管在某些特定工況下的應用，如高溫循環(huán)氧化、高溫富氯環(huán)境等。

鎳基及鎳鐵基合金由于其優(yōu)越的抗高溫氧化性、耐腐蝕性強、高溫下組織穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，越來越多地應用于新的化工工藝及設備中。

1 爐管常用鎳基合金簡介

鎳為面心立方結構， 從室溫到高溫不發(fā)生同素異型轉(zhuǎn)變， 組織的穩(wěn)定性好， 可應用的溫度范圍寬泛。 鎳的標準電極電位比氫稍低、易極化，故腐蝕過程中不會逸出氫；電位相對于鐵為正，耐化鹵素類氣體的能力遠勝于鐵；由于具有顯著的鈍化傾向，鎳在低濃度的非氧化性酸， 特別是在中性和堿性溶液之中，腐蝕過程明顯變緩[2]，具有良好的抗蝕性能。

盡管純鎳具有作為耐蝕材料基本品質(zhì)， 但對于多種苛刻而復雜的介質(zhì)而言，純鎳尚顯不足。 但鎳有一個非常重要的特點，即對于Cu、Cr、W和Mo等金屬具有極大的固溶能力，可以根據(jù)需要形成各種成分廣泛的系列鎳基耐蝕材料。 根據(jù)合金系統(tǒng)不同可分為Ni-Cu，Ni-Mo，Ni-Cr-Fe，Ni-Fe-Cr，Ni-Mo-Cr-Cu等合金。在化工中常用的有Ni-Cr-Fe型和Ni-Fe-Cr型合金，牌號有Inconel600（UNS NO6600）、Inconel625（UNS NO6625）及Incoloy800H（UNS NO8810）。 常用鎳基合金的化學成分見表1[3]。

表1 鎳基合金的化學成分 （w%）

1.1 Inconel600合金

Inconel600[4-5]屬于固溶強化型鎳-鉻-鐵合金，具有良好的耐高溫腐蝕和抗氧化性能，優(yōu)良的冷熱加工和焊接工藝性能。高的Ni含量使合金對還原氣氛有一定的耐腐蝕性能，同時對氯離子應力腐蝕斷裂有優(yōu)異的耐蝕性能；Cr的加入讓合金對弱氧化性環(huán)境有一定的耐蝕性能，直到1 093 ℃時仍然具有抗氧化性，同時使得該合金具備了較好的防止硫脆變的能力。 但是Inconel600和所有的鎳合金一樣，當與高溫、高濃度的堿性介質(zhì)接觸時，均會受到應力腐蝕的威脅。所以，使用Inconel600合金制作的設備， 在使用前應進行完全消除應力處理，以保證運行時應力最小化。

1.2 Inconel625合金

Inconel625，美國材料協(xié)會（ASTM）定名為Ni-Cr-Mo-Nb合金， 是以Mo、Nb為主要強化元素的固溶強化鎳基變形合金。 在650 ℃以下有良好的持久性能、疲勞性能、抗氧化和抗腐蝕性能，從低溫到1 095℃溫度范圍內(nèi)具有良好的強度和韌性， 能抗氯離子應力腐蝕。Inconel625合金的強度是由鉬和鈮在鎳鉻矩陣中的硬化效應產(chǎn)生的，因此該合金不需要沉淀硬化處理。 這種元素之間的聯(lián)合也是材料在很多強腐蝕環(huán)境超級耐蝕和在高溫環(huán)境抗氧化和抗?jié)B碳的原因。

較優(yōu)異的高溫抗氧化和抗剝落性能是Inconel625合金一個重要的特性，使其可應用在高溫循環(huán)氧化的環(huán)境中。Inconel625在高溫空氣介質(zhì)中循環(huán)氧化后重量變化見表2。

表2 Inconel625的抗氧化數(shù)據(jù)

1.3 Incoloy800H合金

Incoloy800H是鈦穩(wěn)定化處理鐵鎳鉻合金。 合金中添加了銅和鉬， 是為溫度升高時抗氧化和抗?jié)B碳設計的。Ti的加入，可以使平衡狀態(tài)下TiC先于M23C6析出， 從而保證組織的穩(wěn)定性；Ni含量在32%時，可以增強合金對氯化物造成的腐蝕裂化以及對在σ狀態(tài)沉積過程中產(chǎn)生的脆變的耐受能力， 即使在高溫下長時間加熱，也很少出現(xiàn)σ相析出之類的材質(zhì)變化（高溫組織穩(wěn)定性較不銹鋼好）， 氧化、 滲碳也比較少；Cr的存在同時提供了耐水溶液和耐熱能力。雖然合金的高溫強度不如HK40的離心鑄造管，但熱膨脹系數(shù)小，延性降低也小，故常用于制氫裝置轉(zhuǎn)化爐和乙烯裝置裂解爐等高溫裝置高溫熱膨脹較大的區(qū)域，以解決熱應力問題。

2 鎳基合金爐管設計中關鍵點討論

鎳基合金主要應用在加熱爐中受壓部件-爐管，由于與常用的鐵基合金的高溫下物性有所不同，因此在設計和應用時需要特殊考慮。

2.1 鎳基合金爐管的強度核算

合金爐管強度設計關系著設備的整體造價以及安全運行。 依據(jù)美國是石油學會推薦的規(guī)程API530《加熱爐爐管壁厚計算》[6]，按設計溫度不同，分為彈性和斷裂兩個階段，公式如下：

（1）彈性設計（較低溫度）

（2）斷裂設計（較高溫度）

式中：δσ—應力厚度，mm

δmin—包括腐蝕余量在內(nèi)的最小厚度，mm

D0—外徑，mm去掉腐蝕裕量后的內(nèi)徑，mm彈性、斷裂設計壓力（表），MPa

σel、σr—設計溫度下的彈性、斷裂許用應力，MPa

δCA—腐蝕裕量，mm

fcorr—腐蝕分數(shù)

合金的高溫許用應力是核算爐管強度計算的最重要參數(shù)。 API530標準提供了常用的鐵基材料以及Incoloy800H在不同溫度下的許用應力， 但對于Inconel600和625類的鎳基合金則未提供。 材料在不同溫度下的許用應力均是以材料的極限強度為依據(jù)，選取適當?shù)陌踩禂?shù)以后得出的。對于不同標準，材料使用的環(huán)境和要求不同，選取的安全系數(shù)也有所區(qū)別。 表3對API530、ASME動力鍋爐以及ASME B31.3中的合金許用應力選取依據(jù)進行了對比[7-8]。

由表3可知，在彈性階段，標準ASME動力鍋爐和ASME B31.3中提供的許用應力分別考慮了室溫、給定溫度下抗拉強度和屈服強度， 而API530則僅考慮了給定溫度下的最小斷裂強度。在蠕變階段，API530考慮了設計壽命下的最小斷裂強度的100%，而ASME動力鍋爐和ASME B31.3則同時考慮蠕變速率下的平均強度、100 000 h下的平均斷裂強度和最小斷裂強度的影響。

表3 材料許用應力的選取依據(jù)

當加熱爐的爐管設計壽命為100 000 h時，無論是在彈性區(qū)域還是蠕變區(qū)域，ASME 動力鍋爐和ASME B31.3所選取的許用應力均比API530選取的許用應力更為安全。 這是因為API530認為在使用斷裂強度時，爐管可能會產(chǎn)生小的永久變形，這種小的永久變形對加熱爐管束的安全性、運轉(zhuǎn)性沒有影響。 因此在強度核算時，若有可靠的合金極限強度曲線時，Inconel600和625的許用應力可按API530提供的安全系數(shù)，通過核算即可獲得。 當無可靠的強度曲線時， 則可參照ASME動力鍋爐或B31.3附錄中提供的高溫許用應力選用，核算結果相對保守。

2.2 鎳基合金管束的二次應力分析

與壓力管道類似， 受熱狀態(tài)下加熱爐管束也會存在因約束設置產(chǎn)生的二次應力。 二次應力是由于管道變形受阻而引起的正應力和剪應力， 其大小與爐管布置、約束間隙以及管材的物性密切相關。

普通加熱爐爐管運行時的管壁溫度在300～600℃， 管束設置亦可按經(jīng)驗選用。 但在選用鎳基合金時，管壁溫度通常較高；若管系走向復雜時，便需要對管系做應力分析。在應力分析時，材料的高溫物性參數(shù)正確選取關系到管束應力分析結果的準確與否,主要物性參數(shù)有彈性模量、熱膨脹系數(shù)和屈服強度等。 圖1～圖3分別為材料在不同溫度下物性參數(shù)——彈性模量、熱膨脹系數(shù)和屈服強度對比圖。為了對比鐵基合金與鎳基合金的差別， 圖中也選取了爐管常用的合金鋼（P9）和奧氏體不銹鋼（TP304）在高溫下的物性數(shù)據(jù)。

圖1 材料的彈性模量對比圖

圖3 材料的屈服強度對比圖

圖2 材料的線膨脹系數(shù)對比圖

可以看出， 在相同溫度下，TP304的彈性模量較小，Inconel600、Inconel625、Incoloy800H大致相同，P9在高溫區(qū)略低于其余鎳基合金和鐵鎳基合金； 材料的 線 膨 脹 系 數(shù) 依 次 為TP304 ＞Incoloy800H ＞Inconel600 ＞Inconel625 ＞P9； 在 屈 服 強 度 方 面，Inconel625則明顯高于其余材料，其次為Inconel600，再之為P9，Incoloy800H與TP304在高溫下則大致相同，均低于上述三種材料。物性的差別主要與微觀組織以及合金含量密切相關， 五種材料中P9微觀組織主要為鐵素體，其余四種材料則是奧氏體，而鎳基合金中Ni的含量明顯高于TP304， 故線膨脹系數(shù)TP304最高，P9最低。 Inconel625中添加了Mo、Nb等強化元素，可有效提高材料的屈服強度，鐵基合金P9雖然屈服強度高于TP304和Incoloy800H， 但由于鐵素體材料在高溫組織不穩(wěn)定，因而在高溫條件下很少使用。

爐管的熱應力分析可借鑒壓力管道中相關方法，使用爐管材料實際的材料物性即可。由于鎳基合金要比304類不銹鋼線膨脹系數(shù)偏小，即在相同條件下管線的膨脹量將小于304不銹鋼，這對緩解管系熱應力會更為有利。需要注意的是，由于鎳基合金常應用在爐內(nèi)換熱管處， 而爐外工藝管線可能會使用鐵基合金，二者存異種焊接結構（如高溫集合管處），由于兩種材料的高溫物性參數(shù)存在差異， 當溫度升高時，由溫差產(chǎn)生的熱應力應予以特別重視，必要時還需采用有限元法進行補充計算。

2.3 鎳基合金的焊接特性

爐管在加熱爐內(nèi)是通過焊接相互連接的。 與鐵基材料相比，鎳基合金的物理性能有著不同特點，這些特點也決定了鎳基合金在焊接過程中與鐵基材料有著不同的要求。

（1）與鐵基材料相比，鎳基合金的熔焊黏性大，熔深較淺，焊縫較高，易形成道間和層間熔合不良。為保證熔透， 焊接結構則需選用較大的坡口角度和較小的鈍邊。 因合金的導熱性差，若焊接電流過大、電弧電壓過高、 焊接速度較慢及層間溫度過高都易使焊接接頭過熱，易產(chǎn)生粗大的晶粒，形成強度低、脆性大的低熔點共晶體， 冷卻時在殘余應力的作用下很容易形成裂紋， 故焊接時應選用較小的焊接線能并嚴格控制層間溫度。

（2）鎳基合金焊接一般不需預熱。當母材溫度低于15 ℃以下時，為免濕氣冷凝導致焊縫氣孔，應對接頭兩側(cè)250～300 mm寬的區(qū)域加熱至15～20 ℃；為保證焊接件在使用中不發(fā)生晶間腐蝕或應力腐蝕，如Incoloy800H制承壓設備， 當受壓元件焊縫與受壓元件相焊的焊縫設計溫度高于538 ℃時， 則應進行穩(wěn)定化處理。

（3）合金焊縫應盡量凸起，自然成形，盡量不使焊縫拉平或凹下。 由于鎳及鎳基合金焊縫金屬表面張力大，流動性差，黏性大不易成形等因素，自然成形的焊縫一般為凸狀， 如果焊縫是平坦或下凹狀就會由于應力的作用產(chǎn)生裂紋。 因此在單面焊雙面成形時，手弧焊背面最好加墊板，氬弧焊時除加強對正面焊縫的氣體保護外， 氬弧焊背面也同樣必須加氣體保護裝置。

3 其它需注意問題

雖然鎳基/鐵鎳合金具有抗蝕性及組織穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，但實際應用時尚應考慮以下問題：

（1）價格昂貴，需結合材料腐蝕速率綜合考慮使用。 由表1可以看出，鎳基合金Inconel600、Inconel625中金屬Ni 的含量均在58%以上， 鐵鎳合金Incoloy800H中Ni的含量也大于30%， 而常規(guī)的18-8型奧氏體不銹鋼中的金屬Ni含量為9%～13%，均低于鎳基/鐵鎳基合金。2020年金屬鎳價格在10～15萬/t，遠高于金屬Fe的價格，導致合金中Inconel625價格最高，為200～250元/kg；Inconel600、Incoloy800H次之， 但均遠高于18-8型奧氏體不銹鋼的價格（25～45元/kg）。

（2）合金的低溫性能不占優(yōu)勢。由表3可以看出，Inconel625由于鉬和鈮的硬化效應，其屈服強度要遠高于其他合金，Inconel600則略高于鐵基合金，Incoloy800H低于鐵基合金。 鎳基合金的優(yōu)勢是在于特定環(huán)境中的抗蝕性以及高溫下的組織穩(wěn)定性， 應用時應注意選用工況。

表3 合金在高溫下的屈服強度 （MPa）

（3）焊接高溫強度問題。Ni-Fe-Cr基固溶強化合金， 焊接接頭在常溫和高溫下的瞬時強度并無明顯降低，但在高溫下的持久強度卻大幅降低，用熱處理方法也得不到改善。生產(chǎn)實踐表明，這和接頭熱影響區(qū)普遍存在過熱，晶粒長大嚴重有直接關系，在實際應用時應加以注意。

4 實際應用

某裝置用氧氣加熱爐, 被加熱介質(zhì)為質(zhì)量百分比為99.5%氧氣， 被加熱介質(zhì)的出口溫度高達1 000℃。 由于出口溫度較高， 且被加熱介質(zhì)為高純度氧氣， 因此對爐管材質(zhì)在運行工況下提出了較高的抗氧化性能要求。經(jīng)過熱力計算，提出管束的設計溫度和壓力，結合抗氧化性能要求，加熱爐對流段選用鎳基合金Inconel600。根據(jù)核算出的管束溫度和壓力分布， 進行爐束熱應力分析與計算。 最終經(jīng)過詳細設計，該氧氣加熱爐已成功投產(chǎn)并運行正常。

5 結論及建議

鎳基合金由于其優(yōu)越的高溫抗蝕性和抗氧化性，可以應用在傳統(tǒng)鐵基合金無法適用的領域，擴展了管式加熱爐的使用范圍。應用時應注意以下幾點：

（1）鎳基合金的管壁厚度可依據(jù)標準API530進行 計 算。 通 過 對 比API560、ASME 動 力 鍋 爐 以 及ASME B31.3所選用的安全系數(shù)，合金的許用應力可參照ASME動力鍋爐中選取。

（2）鎳基合金的熱物理性能有別于鐵素體和奧氏體鋼，在管系二次應力分析時應予以區(qū)別。在局部較為復雜區(qū)域應采用有限元法進行補充計算。

（3）由于合金黏度大、導熱性差的特點，在制定焊接工藝時，應采用小能量、大坡口，通常不用進行焊前、焊后熱處理。

（4）鎳基或鐵鎳基合金雖有諸多優(yōu)點，但尚有一些需要注意的地方，如價格較貴、常低溫機械性能優(yōu)勢不大以及高溫焊接部分持久強度會降低等問題，使用時應綜合考慮。