哈氏合金B-3材料换热器的设计制造

林云喜

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，西安 710075）

经验交流

哈氏合金B-3材料换热器的设计制造

林云喜

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，西安 710075）

介绍了哈氏合金B-3的特点以及腐蚀、焊接等性能，根据多个醋酸等工程的设计工作经验，并跟踪了解哈氏合金B-3制设备的加工全过程，参考相关标准规范，总结了哈氏合金B-3制换热器在设计、制造各方面注意的要点，认为采用平封头和松套法兰结构较合理、柔性胀接比较适合镍基合金换热管与管板的结合、B-3材料设备制造的关键技术是热处理。

哈氏合金B-3；换热器；设计；制造方法

哈氏合金B-3（UNS牌号为N10675）是镍钼合金家族中的一个新成员，是在哈氏合金B-2基础上的改进，具有良好的力学性能和物理性能，它对于任何温度和含量的盐酸都有极好的抗腐蚀性，热稳定性也较B-2有了很大的提高。随着我国石油化工工业的不断发展，B-3已越来越多地应用在化工设备的制造中。

由于B-3具有高强度、高韧性的特点，所以在机加工方面有一定的难度，很容易出现表面开裂、变形等缺陷。在我国，其设备加工制造经验尚浅，现在国内只有少数制造厂家掌握了B-3的加工工艺，有的厂家关于B-3的加工方法等已制定了自己的企业标准，有了自己的制作加工经验[1]。但由于制造商之间的竞争及技术保密，他们的设备加工制作及经验各不相同，其加工制作能力相差较大。为此，针对B-3换热器的加工制造进行分析总结。

1 化学成分及性能

1.1 化学成分

B-3的化学成分见表1[2]。

1.2 物理（力学）性能

B-3室温下的物理性能见表2[1]。

B-3的力学性能非常突出，如表3所示[3-4]。它具有高强度、高韧性的特点，所以在机加工方面有一定的难度，而且其应变硬化倾向极强，当变形率达到15%时，约为1Cr18Ni9Ti不锈钢的2倍。哈氏合金还存在中温敏化区，其敏化倾向随变形率的增加而增大。当温度较高时，B-3易吸收有害元素使它的力学性能和耐腐蚀性能下降。

表1 B-3的化学成分Tab 1 Chemical composition of B-3

表2 B-3室温下的物理性能Tab 2 Physical properties of B-3 at room temperature

1.3 耐蚀性能

B-2在各种还原性介质中具有优良的耐腐蚀性能，能耐常压下任何温度、含量盐酸的腐蚀，因此，B-2通常应用于多种苛刻的石油、化工过程，如盐酸的蒸馏、浓缩，乙苯的烷基化和低压羰基合成醋酸等生产工艺过程中。

表3 B-3板材固溶状态的力学性能Tab 3 Mechanical properties of B-3 plates in solid solution condition

但在B-2多年的工业应用中发现：1)存在对抗晶间腐蚀性能有相当大影响的2个敏化区，1200～1300℃的高温区和550～900℃的中温区；2)焊缝金属及热影响区枝晶偏析，金属间相和碳化物沿晶界析出，使其对晶间腐蚀敏感性较大；3)中温热稳定性较差。

B-3是在B-2的基础上改进的材料，它对于任何温度和含量的盐酸都有极好的抗腐蚀性。同时它对于硫酸、乙酸、甲酸、磷酸及其他不具有氧化性的介质也具有良好的抗腐蚀性[5]。而且，对其化学成分作了调整，它的热稳定性比B-2有了大幅的提高。B-3对点腐蚀、应力腐蚀开裂、刀状腐蚀和焊接的热影响区的腐蚀等均有很高的抗力。

1.4 焊接性能

B-3的热稳定性有了明显的提高，可把以前B-2部件加工中所产生的相关问题减到最少。这是由于在B-3中，金属间有害相形成的倾向很小，使它在加热过程中及继后的各种形式的热循环中比B-2有更大的韧性。B-3有良好的成形和焊接性能。在1 230℃加热时，如有足够时间使部件总体均热，就可进行锻造和其他热加工。B-3是一种低碳合金，可以用控制终锻温度来达到控制晶粒大小的目的。

2 设计中注意问题

换热器的设计参照ASME规范和TEMA（R）标准设计，按照GB 150、GB 151和为此类换热器编制的特殊技术规定进行制造、检验和验收，并符合我国压力容器安全技术监察规程的有关规定[6-8]。因其镍基合金材料的特殊性能，为了能够获得较好质量的设备，在设计过程中应考虑到一些相关问题。

1)B-3的热稳定性比B-2有了明显的提高，但对其进行固溶热处理还是非常困难，所以还是应该尽量减少在结构设计中采用需要变形加工的结构，如封头结构，在允许的情况下，可以采用平盖封头代替椭圆封头。

2)法兰材料应选择不锈钢，避免造成B-3材料的污染等；并采用对焊环松套法兰（PJ/SE或LF/SE）的形式，以节省材料。

3 换热器的加工制造

3.1 下料及边缘加工

B-3材料到厂后，摆放在指定的专用存放区（有色金属存放在有色金属库房内，焊材存放在焊材一级库内），注意表面的保护。

凡制造受压组件的材料应有确认的标记。在制造过程中，如原有确认标记被裁掉或材料分成几块，应于材料切割前完成标记移植。不应在材料的耐腐蚀面采用硬印作为材料的确认标记。确认标记可采用不溶于水的、不含金属颜料的、无硫的墨水书写。在材料上划线应尽量采用金属铅笔，只有在以后的加工工序中能去除的部分才允许打冲眼。

材料在搬运和划线过程中应用软质材料包垫，防止材料表面划伤。

材料的切割和坡口加工一般应采用机械方法，厚度较大或形状不规则时允许用等离子切割。此时应避免火花溅落在材料表面，且切割边缘和坡口仍应用机械方法加工和去除污染层。采用等离子切割镍基合金材料，因其热影响区比较大，故必须用机械方法去除，机械加工余量不得小于5 mm。剪切材料时，必须十分注意材料表面保护，要先检查和修整剪板机的台面及压紧柱脚，使其达到平整、光滑、无硬粒，防止有色材料表面压伤。焊接坡口表面不应有裂纹、分层、夹杂及影响焊接质量的其他缺陷。

3.2 压力加工

圆筒与壳体的卷制一般采用冷卷，对于直径较小而卷板机不好卷制的圆筒可采用折弯机折制的方法。卷板机滚筒或折弯机折刀表面应清理干净，在卷曲或折制时宜在材料表面垫上一层薄的不锈钢板和塑料薄膜，以保护材料表面。因镍基材料的加工硬化比较严重，卷制应尽量一次成形。在卷制前可先用其他材料试卷，合适后再正式卷制。

3.3 胀接

胀接广泛用于管板与换热管的结合，是靠管子和管板变形来达到密封和紧固的一种连接方法。胀接连接的方法有2种，柔性胀接和机械胀接。其中，柔性胀接方法在胀接过程中不会损伤材料表面且比较容易控制胀管压力，比较适合镍基合金材料的胀接。

B-3管中胀接操作要点：

1)首先要正确掌握胀管器的使用。在胀接时，胀管器的安装位置必须垂直于管板平面，胀管头放置位置恰当，不应偏斜并要控制胀紧力的大小。

2)在管板管孔内开槽可以增加拉脱力。管孔光洁度高可以增加密封性能，但有降低拉脱力的倾向。一般管板孔粗糙度应控制在Ra6.3左右，不应存在影响胀接紧密性的缺陷。

3)连接部位的换热管和管板孔表面应清理干净，不应留有影响胀接质量的毛刺、铁屑、锈斑、油污等。

4)胀接连接时，其胀接长度，不应伸出管板背面（壳程侧），换热管胀接部分与非胀接部分应圆滑过渡，不应有急剧的棱角。

5)胀接时应根据要求选择合适的胀管压力。胀接程度不足（欠胀）或胀接过量（过胀），都不能保证胀接质量。过胀会使管壁减薄过多而导致管子断裂和管板变形。因欠胀而进行多次胀接，也会造成加工硬化使管子开裂。因此在正式胀接前没有经验的情况下应先进行试胀，以确定合适的胀管压力。

3.4 组对、装配

装配过程中，会有大量焊接工作，应掌握焊接应力和变形情况，在装配时，要采取适当措施，防止或减少焊后变形和矫正工作。如采用加强圈加强或选择合适的焊接方法和焊接顺序。

制品在组对前，应对其内表面或内件进行清除污染处理。组对过程中，对有可能再次被污染的工序要做好防护措施。

吊装时应采用软绳，不允许采用钢丝绳。

筒体纵缝和环缝装配不允许采用强力组装的方式，不允许使用铁器直接敲打金属表面，防止产生铁离子污染。

在组装过程中要注意保护金属表面和设备法兰密封面。法兰表面应覆保护膜，防止产生拉毛和碰伤。组对时要参考设备管口方位图，尽量避免接管开到焊缝上。

修磨抛光有色金属材料制品外表面局部缺陷时，打磨方向应保持与母材的加工方向一致（轧制方向或切削方向），不准许任意的交叉打磨、抛光。对于尖锐伤痕以及表面的局部伤痕、刻槽等缺陷应予修磨，修磨范围的斜度至少为1:3。修磨的深度应不大于2 mm，否则应予焊补。

管束或换热器的组装要点：管板、折流板应全部清除毛刺，锐角倒钝，筒体内部清理干净后方可组对；穿管前，管子、管板和折流板要进行去油、脱脂，清洗干净后方可穿管；穿管时，操作人员应穿干净的工作服，戴干净的白手套，工作场地周围不得进行打磨及有粉尘的作业；拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管；穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤。除换热管与管板间以焊接联接外，其他任何零件均不准与换热管相焊。

3.5 焊接

B-3可以采用所有常用的焊接方法焊接，但推荐在腐蚀环境下使用的部件用氩弧焊方法。在焊接时要特别注意采取一定的预防措施以防止过度热输入。除非客户特别要求，所有B-3锻件都是以固溶热处理状态供应。对B-3锻件加热到1 065℃并随后快速淬冷。薄板或线材作光亮退火，其加热温度为1 150℃，随后在空中冷却。

接口处每一面的焊接表面和邻近区域在焊接前都要彻底清洁和除油。在焊接时，焊接区的近邻氧化层表面必须磨至光亮；如果没有进行打磨，氧化膜和焊渣会引起热影响区的腐蚀。

用完的焊丝应密闭储存在温度为121～200℃的炉中，暴露在室温下所引起的潮湿会造成机械性能的降低。

施焊环境：操作人员必须穿戴干净的劳保用品（鞋套、手套、帽子）；焊接区域相对独立，空气洁净、无尘、无烟；风速小于1.5 m/s，相对湿度小于60%，温度不低于5℃。

焊接前重新用丙酮等清洗，热吹风机或火焰枪吹扫烘干。严禁使用钢丝刷抛光轮清理，可以使用不锈钢丝刷。施焊前各个气体管路和保护罩应预通气一段时间，保证无残留杂质和水气。在焊接时，在底部焊道的背面必须要一直用100%氩气保护，严格按照焊接工艺的要求来选择焊接参数。

为了达到焊接件最佳的抗腐蚀性，必须要避免过热输入。比如采用最小交织缝技术，尤其在薄的地方避免过慢的速度；控制层间温度，一般在93℃或以下。在焊接时，采用电流稳定，高频起弧、预先延时喷气和电流控制（脚控制板）的电源。焊接坡口60°～80°。 焊接参数如下：ERNiMo-10，φ2.4 mm，I=100～130 A，U=11～16 V，v＝7～8 m/h。避免长时间在 538～816℃温度停留。

焊接完毕后，按照企业的压力容器质量手册有关要求，施焊人员在规定部位做好焊工代号钢印，并由检验员对焊缝的外观、成形等进行检验。焊缝外观检验合格后，按照设计图样规定进行射线探伤，并按标准JB/T 4730进行验收[9]。

3.6 热处理

哈氏合金的热处理是关键技术，加热和冷却都必须快速通过475℃低温脆化区和高温时的σ相及其他中间相的生成，因此必须使工件快速加热和冷却。必须要先将炉温加热到规定的温度后再将工件放入炉中。工件在装入炉中前，必须先将表面清理干净。保温一段时间后推出，快速吊入槽内水中水冷。

对于B-3来说，唯一的热处理方法就是在1 065℃时进行适当时间的固熔退火，并随后用水冷或迅速空冷。固溶热处理温度要控制在1 060～1 080℃，之后进行水冷淬火以获得最好的耐蚀性能。由于固熔处理的温度比较高，而且还要经过快速冷却，因此工件的变形是难免的。

在进行热处理时还要注意以下一些问题：为了防止设备部件热处理变形，需要采用不锈钢加强环；对装炉温度、加热和冷却时间应严格控制；装炉前，对热处理件进行预处理，防止产生热裂纹；热处理后，对热处理件进行100%的渗透检测；在热处理过程中如产生热裂纹，经过打磨消除后需补焊者，要采用专门的补焊工艺。

4 结论

1)在允许的情况下，哈氏合金B-3材料制设备设计时可以采用平盖封头代替椭圆封头，法兰采用PJ/SE或LF/SE的形式，以节省材料。法兰的材料应选择不锈钢，避免造成B-3材料的污染等。

2)B-3在加工制造过程中，应采取措施防止材料表面划伤。柔性胀接方法在胀接过程中不会损伤材料表面且比较容易控制胀管压力，比较适合镍基合金材料的胀接；B-3可以用所有常用的焊接方法焊接，在腐蚀环境下使用的部件推荐用氩弧焊方法；B-3热处理是关键技术，加热和冷却都必须快速通过475℃低温脆化区和高温时的σ相及其他中间相的生成。因此必须使工件快速加热和冷却。

虽然B-3合金制换热器的制造在我国还比较少见，但是，若能充分了解材料的特殊性，注意制造过程中的许多细节，严格遵照标准规范的要求，能够制造出合格的产品。

[1]卢广贤,夏崇华,刘丰.哈氏合金B3材料成形加工工艺方法[J].压力容器,2012,29(1):48-51.

[2]ASME锅炉及压力容器委员会.ASME锅炉及压力容器规范:第Ⅱ卷 材料D篇 材料性能:2010（中文版）[M].北京:中国石化出版社,2011.

[3]陈建俊.哈氏B-3镍钼合金的特性和容器制造工艺特点[J].压力容器,2004,21(11):32-35.

[4]JB/T 4756—2006镍及镍合金制压力容器[S].

[5]李平.哈氏合金B3（N10765）板材焊接工艺评定 [J].中国化工装备，2010,（1):23-26.

[6]ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会.ASME锅炉及压力容器规范:Ⅷ 第一册 压力容器建造规则:2010（中文版）[M].北京:中国石化出版社,2011.

[7]GB 150—1998钢制压力容器[S].

[8]GB 151—1999管壳式换热器[S].

[9]JB/T 4730—2005承压设备无损检测[S].

Manufacture and Design of Heat Exchanger using Hastalloy B-3 Materials

Lin Yunxi
(Xi'an Subsidiary,Beijing Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Xi'an 710075)

The characteristics of Hastelloy B-3 and its performances of corrosion and welding were introduced.According to the work experience in design of many acetic acid projects etc,by keeping track of the whole manufacturing process of Hastelloy B-3 equipment,and referring to the relevant standards,the main concerns should be in design and manufacturing process of heat exchanger using Hastelloy B-3 were summarized.To adopt the flat heads and lapped flanges structure was considered more reasonable.Flexible expansion was suitable for the combination of nickel-based alloy tube to tube sheet.And the key technology of the B-3 equipments manufacturing was heat treatment.

Hastelloy B-3;heat exchanger;design;manufacturing method

TQ051.5

BDOI10.3969/j.issn.1006-6829.2012.02.016

2012-01-30