工程设计中NS3102镍基合金的技术要点

宋亚婵，邵继东

(惠生工程(中国)有限公司 河南化工设计院分公司，河南 郑州 450018)

0 前言

镍合金是化工、石油化工、有色金属冶炼、航空航天工业、核能工业等领域中耐高温、高压、高浓度或混有不纯物质等各种苛刻腐蚀环境下比较理想的金属结构材料。镍合金按照组成成分划分为镍基合金和铁镍基合金，其中镍基合金为镍含量为≥50%的合金，而铁镍基合金是指镍含量30%～50%，铁含量<50%，且镍含量与铁含量之和≥60%的合金[1]。

镍及镍合金制压力容器相比不锈钢和其他有色金属制压力容器，对于强酸、强碱等强腐蚀性介质有更好的耐蚀性，且具有更高的使用温度，是重要的压力容器类型。JB/T 4756—2006《镍及镍合金制压力容器》作为国内镍基合金比较系统全面的标准，包含设计、制造、检验和验收的规定，对于工程设计有重要的指导意义。由于该标准的结构形式、强度计算与钢制压力容器相似，因而均按GB/T 150—2011，该标准重点内容为材料与制造部分。由于近些年镍基合金国内材料标准变动较大，导致设计人员对于该标准引用的国内材料标准存在困惑。本文以工程设计中NS3102镍基合金材质的蒸汽分布器为例，重点讨论材料标准选用及材料许用应力选用，同时阐述双相钢与镍基合金的焊材、晶间腐蚀试验、酸洗钝化、钢管规格等需要注意的技术要点。

1 工程实例简介

工艺条件：某废碱氧化反应器，设备主体材料为双相钢S22053，蒸汽分布管采用Inconel 600镍基合金材料，相关设计参数如下：设计压力(表) 2.4 MPa，壳体材料S22053；设计温度180 ℃，蒸汽分布器材料Inconel 600；工艺介质为0.44%氢氧化钠溶液，壳体规格Φ2 200 mm×13 200 mm。反应器内部设置蒸汽分布器，结构如图1所示。蒸汽分布器主要包含钢板(①堵板、吊板)、无缝管(②接管)、锻件(③法兰、平盖)。

图1 蒸汽分布器示意图

根据JB/T 4756—2006《镍及镍合金制压力容器》、GB/T 15007—2008《耐蚀合金牌号》牌号方面规定，可知Inconel 600国内对应最新牌号应为NS3102(NS312为旧牌号)。NS3102为固溶强化型镍基合金，具有良好的耐高温腐蚀性(耐酸碱)和抗氧化性能、优良的冷热加工和焊接工艺性能，温度在700 ℃以下具有满意的热强性和高的塑性。

2 技术要点

2.1 材料标准选用

在JB/T 4756—2006标准中，可知NS3102镍基合金板、管、锻材料标准，如表1所示。但是由于JB/T 4756—2006标准年代较久，该标准直接引用的相关国内材料标准发生比较大的变动，具体变动情况如表1所示。

从表1可知：①板、管材料标准虽有后续替代的最新标准，但JB/T 4756—2006只引用1994版本的标准，故相当于板材标准已经作废；②无缝钢管标准应作废，并且没有后续替代标准；③锻件标准虽然为现行标准，但是由于年代过于久远，缺少NS3102材料。这就意味着，对于NS3102材料，设计人员无法选用表1中的国内材料标准。

表1 JB/T 4756-2006引用国内材料标准的变动

在JB/T 4756—2006中第5.1.2条文规定：容器用镍及镍合金材料牌号中的中国标准牌号、国际标准牌号和美国ASME标准中的牌号互为相对应的牌号，具有相同或相近的化学成分和性能，一般情况下可以互相代用。对应牌号材料代用时，应保证代用材料的耐蚀性满足要求。此条规定，可以理解为可以采用ASME标准材料来代用国内材料。同时近几年国家能源局发布一系列镍基合金材料标准，而这些标准都是依据ASME标准编制的，这些最新标准，如表2所示。

表2 依据ASME编制国内镍基合金材料标准

表2中板、管、锻对应的ASME标准也符合JB/T 4756—2006标准中“ASME压力容器用镍及镍合金加工材料制品的标准号”。故为了方便后期NS3102材料采购，这里选用表2中所列的国内最新材料标准。

2.2 材料许用应力确定

材料许用应力采用JB/T 4756—2006中规定的ASME牌号材料许用值，需要指出许用应力分为“一般”和“提高”，前者比后者数值低一些。“提高”是经冷作或热作而提高了强度的材料状态，焊接件母材许用应力应取该材料在退火或固溶状态下的许用应力。显然，采用“一般”类型的许用应力，设计中比较合理。

2.3 异种钢焊接材料选择

在图1中，可知②接管材料为NS3102，④壳体与补强圈材料为S22053，②与④之间的角焊缝，存在着两种异种钢焊接问题。

对于镍基合金与双相不锈钢之间焊接材料选用，在NB/T47015—2011《压力容器焊接规程》、SH/T 3526—2004《石油化工异种钢焊接规程》均没有给出具体规定。HG/T20581—2011《钢制化工容器材料选用规定》第8.8.2条规定，低碳钢、不锈钢、镍基合金之间的异种金属焊接材料，其中NS3102与不锈钢手工电弧焊用焊条为ENiCrFe-2或ENiCrFe-3。另外依据HG/T20581—2011第8.7.8条中规定，ENiCrFe-3的焊缝金属抗裂性能相比之下为最好，故最后选用焊条为ENiCrFe-3。

2.4 材料晶间腐蚀要求

晶间腐蚀试验具体要求可以参考JB/T 4756—2006附录D4规定，晶间腐蚀试验采用标准为GB/T15260《镍基合金晶间腐蚀试验方法》，NS3102采用方法B。

根据JB/T 4756—2006附录D4.3条规定，明确需要进行晶间腐蚀要求介质有：硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、氢氟酸、含卤素离子的醋酸等。另外，在SH/T3075—2009中第7条对于“NaOH溶液腐蚀环境”规定，可知NaOH浓度为0.44%，设计温度180 ℃时，此设备应采用镍合金或碳钢，而工艺包也推荐采用镍基合金，表明镍合金在此介质中可以正常使用，因此对于NS3102不再附加晶间腐蚀试验的要求。

2.5 酸洗钝化

为增加镍基合金的耐蚀性，也需要跟不锈钢一样，进行酸洗钝化。

2.6 钢管规格

对于无缝管的规格，需要根据NB/T47047—2015中第3.1.1条的规定执行，此钢管外径、壁厚均与普通碳钢、不锈钢不一致。例如DN50无缝管，规格可以为Φ63 mm×6.5 mm。

3 结论

本文结合NS3102镍基合金材料设计实例，可供借鉴的技术要点：①可选用依据ASME编制国内材料标准进行设计，板、管、锻件标准分别为NBT47046—2015、NBT47047—2015、NBT47028—2012；②强度校核时，采用“一般”类型的许用应力，设计中比较合理；③对于S22053和与NS3102的异种钢焊接，手工电弧焊的焊条采用ENiCrFe-3；④对于NS3102材料，晶间腐蚀试验采用标准为GB/T15260《镍基合金晶间腐蚀试验方法》，采用方法B；⑤镍基合金也需要跟不锈钢一样，进行酸洗钝化；⑥采用NB/T47047—2015标准制造的镍基合金无缝管，其钢管外径、壁厚均与普通碳钢、不锈钢不一致。