哈氏合金作为化学设备材料的设计和施工

1 、前言

    现在各种化学工业越来越复杂、多样化，作为与此相对应的设备应以多目的、批量化或高信赖、免修理化作为目标，化学设备的材料从使用玻璃衬或树脂衬开始，到使用哈氏合金的例不断增加。一般，设备材料选定时，此设备的用户要求对材料的耐蚀性、强度特性、施工性及经济性进行研究。所以，客户对本公司不仅要求腐蚀数据，而且对于设计、施工相关的要求越来越多。哈氏合金从 1930 年代起开始使用，有关设计、施工等的基础技术与不锈钢一样已经建立。

    本文将概述了哈氏合金的特征、设计、施工，哈氏合金为美国 International 公司的登陆商标，在日本只有本公司可以使用。

2 、哈氏合金的种类和特征

    用于化学设备的哈氏合金材料可分为三类：

    Ni-Mo 类：在盐酸、硫酸等非氧化性酸中有非常好的耐蚀性的 B 型

    Ni-Cr-Mo 类：在氧化性酸、非氧化性酸中有非常好的耐蚀性的 C 型

    NI-Cr-Fe-Mo-Cu 类：在热硫酸或磷酸中有非常好的耐蚀性的 G 型

    具有代表性的哈氏合金的化学成分、机械性能见表 1 、表 2 ，在各种酸中与不锈钢相比较的腐蚀速度见表 3 。

2.1 哈氏合金 B 型

    作为耐盐酸用合金开发的哈氏合金 B 具有全浓度、沸点为止的全温度范围的抗盐酸腐蚀的能力。但是，焊缝的局部腐蚀（应力腐蚀或热影响区腐蚀）可能会发生，因此须进行焊后热处理，其使用范围受到限制。对此缺点进行改善后开发了哈氏合金 B-2 。限制了 Fe 含量，且减少了 C 和 Si 的含量，使得哈氏合金 B-2 在焊接状态下也可使用。但是，哈氏合金 B-2 可认为是 Ni-28Mo2 相系，析出的金属间化合物 Ni ₃ Mo 或 Ni ₄ Mo 的规则不规则变态使其在 600~800 ℃长时间失效后会产生脆化。最近对其热稳定性进行改善，开发了新合金哈氏合金 B-3 。

    哈氏合金 B 在盐酸、氯化氢气体、硫酸、醋酸等环境中有很好的耐蚀性。但是，当有铁离子和铜离子或溶解氯的氧化性因子混入时，其腐蚀速度将加快，这点一定要注意。

2.2 哈氏合金 C 型

    哈氏合金 C 型是为了改善哈氏合金 B 型在氧化性环境中的抗蚀性，加了 Cr 而开发的合金，对氧化性、非氧化性酸都具有好的抗蚀能力。哈氏合金 C 用于处理含有 FeCl ₂ 或 CuCl ₂ 等强氧化性盐、湿氯气体及 Cl ^- 的溶液、氟酸、乙酸、醋酸、海水等的设备。

    哈氏合金 C 和哈氏合金 B 一样，在热影响区易产生敏感点，需要进行焊后热处理。现在哈氏合金 C 只制造铸件。减少了 C 、 Si 的含量的哈氏合金 C-276 在焊接状态也可以使用。但是，若在 650~1090 ℃的温度范围内长时间失效，在晶界会析出碳化物或金属间化合物，使其耐蚀能力降低。为了改善高温稳定性开发了哈氏合金 C-4 。哈氏合金 C-276 以抗部分非氧化性酸为重点。比哈氏合金 C-276 在氧化性环境下更具有抗蚀性或更好的热稳定性的合金哈氏合金 C-22 开发以来，与哈氏合金 C-276 相比哈氏合金 C-22 具有以下特点：

1） 氧化性环境中更具有抗蚀性；

2） 非氧化性环境中具有同样的抗蚀性；

3） 更具有抗孔蚀、间隙腐蚀等局部腐蚀的能力；

4） 组织的热稳定性更高，热影响区腐蚀减少。

2.3 哈氏合金 G 型

    哈氏合金 G 或 G-3 在热磷酸或热硫酸中具有好的抗蚀性，因此主要用于这些环境中。哈氏合金 G 中的 Nb 可以使 C 稳定化，使其在焊接状态下就可使用。但是，焊接凝固开裂的可能性较高，特别是电弧焊时易出现问题。因此，为了减少开裂的可能性，减少 C 和 Nb 含量，开发了哈氏合金 G-3 。

    哈氏合金 G-30 主要是以抗工业磷酸为目的而开发的材料，含 Cr 量很高，达到 30% ，在氧化性环境中具有好的抗蚀性。

3 、设计

    从表 2 中可看出，具有相同延伸性的哈氏合金比不锈钢的强度高 1.5 倍，并且，好的抗蚀性可以使腐蚀余量减少，做到薄壁轻量化。

    ASME Section Ⅱ Part D 中规定了哈氏合金的最大许用应力。各公认规格 ASTM 、 ASME 、 JIS 等的对照表见表 4 。

4 、管和管接头

    哈氏合金管有无缝管和焊接管，其制造的可能范围见表 5 。

    和不锈钢一样，可以按 JIS 或 ANSI 规格制造弯头、三通、管接头或法兰。关于法兰，从成本上考虑，本公司推荐使用松套法兰。

5 、成型

    一般的工厂也可以对哈氏合金管进行冷弯曲加工。弯曲半径最小不小于内径的 3 倍，最好为内径的 5 倍。

    和不锈钢一样哈氏合金可以进行拉深加工，但是由于加工硬化大的原因，在拉深加工要求高的情况时，在加工过程中比不锈钢要多进行 2~3 倍次数的固熔化处理。例如，冷压成型加工封头时，由于 R 部的加工硬化，在加工过程中一定要进行 1 次固熔化处理。

    冲孔的孔径应为板厚的 2 倍以上，空间距应为孔径的 2~3 倍。

    另外，哈氏合金在成形后，通常要进行除应力退火热处理。

6. 焊接

    因为哈氏合金和奥氏体不锈钢具有同样的焊接性，所以，如果掌握了哈氏合金的特性，不需要特别技术就可以进行焊接施工。另外，与异种金属的焊接，和奥氏体不锈钢一样具有同样的可能性。

6.1 焊接方法

    TIG 焊、 MIG 焊及等离子焊等非活性气体电弧焊较适用，也可采用手工电弧焊或电子束焊。气焊时由于要产生浸碳、氧化，因此不能使用。埋弧焊的热影响区过大，也尽量不要采用。

6.2 焊接棒

    所使用的焊接棒应与母材材质一样。焊接棒的规格见表 6 。与异种金属焊接时。焊接棒通常多采用与哈氏合金侧同样的材质。具体的根据焊接工艺评定试验确定。

6.3 焊前准备

1） 焊接前要对板的错边、坡口形式等进行确认。

2） 不论是定位焊还是真正的焊接，都要用丙酮除去坡口及坡口附近母材表面的油脂、污垢等异物。

3） 焊接棒在焊接前也要进行清洗。

4） 原则上坡口加工采用机械加工形式，用等离子切割是要用砂轮除去氧化皮或热影响区。热影响区要切削掉 3mm 以上。

5） 与奥氏体不锈钢相比，熔融金属的流动性较差，因此坡口开口应大一些。

表 6  哈氏合金的焊接材

6.5 焊后热处理

    哈氏合金 B 和 C 以外的其他哈氏合金除了特殊情况外，可以在焊接状态下使用。进行焊后热处理时采用固熔化处理。

6.6 焊缝的检验

    实行焊工资格评定和焊接工艺评定，其试验结果记录在 WQR 、 PQR 中。

    虽然与不锈钢一样可以对焊缝进行检查，但是作为无损探伤可采用渗透探伤和放射线探伤，而不能采用磁粉探伤或超声波探伤。

7 、机械加工

    哈氏合金的机械加工属于难切削加工，与不锈钢相比加工工时多，但是如果选择了合适的条件，这个差可以缩小。机械加工条件例见表 8 。

8 、总结

    哈氏合金是高价的特殊材料，这一点在人们的脑海里印象太深了。但是，哈氏合金和不锈钢一样也可以进行设计、施工，没必要作为特别材料考虑。强度大或合理的设计，可以使使用寿命增加，成本上比不锈钢便宜的例子也很多。

    最近，随着人们对设备的信任度和免修理要求的增高，材料的级别也不断提高，哈氏合金话的例也不断增加。本文若能给设计、施工的人们以参考的话，我们将感到非常荣幸。

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