镍基高温合金在管式加热炉管中的应用

2022-07-27崔跃双

工业炉 2022年2期

崔跃双，董雷

（北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100176）

随着化工工艺不断发展，对化工供热核心设备——管式加热炉的使用条件提出了越来越高的要求。加热炉炉管不仅受到火焰的直接辐射和烟气氧化，同时还需承受炉管内高温介质的腐蚀和冲刷，是加热炉最为核心的部件，关系着装置的安全稳定运行。炉管选材主要依据材料的耐热性、耐腐蚀性、高温强度、组织的稳定性及可加工性能等，常用材料为铁基合金材料，包括：碳钢、Cr-Mo耐热钢、18-8系列奥氏体不锈钢等。

由于铁基合金材料在高温下组织是非稳定状态，在特定温度下会发生微观组织变化，进而导致机械性能恶化突变，影响到设备的稳定运行。这些微观组织变化主要有[1]：（1）碳钢及1/2Mo钢在450 ℃以上存在石墨化；（2）含有12%以上铬的材料的“475 ℃脆性”；（3）含有16.5%以上铬的铁元素体或奥氏体系不锈钢在450～850 ℃的敏化现象；（4）在高碳气氛中，奥氏体钢表面渗碳产生龟裂或脆化等。上述微观组织变化限制了铁基材料炉管在某些特定工况下的应用，如高温循环氧化、高温富氯环境等。

镍基及镍铁基合金由于其优越的抗高温氧化性、耐腐蚀性强、高温下组织稳定性好等诸多优点，越来越多地应用于新的化工工艺及设备中。

1 炉管常用镍基合金简介

镍为面心立方结构，从室温到高温不发生同素异型转变，组织的稳定性好，可应用的温度范围宽泛。镍的标准电极电位比氢稍低、易极化，故腐蚀过程中不会逸出氢；电位相对于铁为正，耐化卤素类气体的能力远胜于铁；由于具有显著的钝化倾向，镍在低浓度的非氧化性酸，特别是在中性和碱性溶液之中，腐蚀过程明显变缓[2]，具有良好的抗蚀性能。

尽管纯镍具有作为耐蚀材料基本品质，但对于多种苛刻而复杂的介质而言，纯镍尚显不足。但镍有一个非常重要的特点，即对于Cu、Cr、W和Mo等金属具有极大的固溶能力，可以根据需要形成各种成分广泛的系列镍基耐蚀材料。根据合金系统不同可分为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，牌号有Inconel600（UNS NO6600）、Inconel625（UNS NO6625）及Incoloy800H（UNS NO8810）。常用镍基合金的化学成分见表1[3]。

表1 镍基合金的化学成分（w%）

1.1 Inconel600合金

Inconel600[4-5]属于固溶强化型镍-铬-铁合金，具有良好的耐高温腐蚀和抗氧化性能，优良的冷热加工和焊接工艺性能。高的Ni含量使合金对还原气氛有一定的耐腐蚀性能，同时对氯离子应力腐蚀断裂有优异的耐蚀性能；Cr的加入让合金对弱氧化性环境有一定的耐蚀性能，直到1 093 ℃时仍然具有抗氧化性，同时使得该合金具备了较好的防止硫脆变的能力。但是Inconel600和所有的镍合金一样，当与高温、高浓度的碱性介质接触时，均会受到应力腐蚀的威胁。所以，使用Inconel600合金制作的设备，在使用前应进行完全消除应力处理，以保证运行时应力最小化。

1.2 Inconel625合金

Inconel625，美国材料协会（ASTM）定名为Ni-Cr-Mo-Nb合金，是以Mo、Nb为主要强化元素的固溶强化镍基变形合金。在650 ℃以下有良好的持久性能、疲劳性能、抗氧化和抗腐蚀性能，从低温到1 095℃温度范围内具有良好的强度和韧性，能抗氯离子应力腐蚀。Inconel625合金的强度是由钼和铌在镍铬矩阵中的硬化效应产生的，因此该合金不需要沉淀硬化处理。这种元素之间的联合也是材料在很多强腐蚀环境超级耐蚀和在高温环境抗氧化和抗渗碳的原因。

较优异的高温抗氧化和抗剥落性能是Inconel625合金一个重要的特性，使其可应用在高温循环氧化的环境中。Inconel625在高温空气介质中循环氧化后重量变化见表2。

表2 Inconel625的抗氧化数据

1.3 Incoloy800H合金

Incoloy800H是钛稳定化处理铁镍铬合金。合金中添加了铜和钼，是为温度升高时抗氧化和抗渗碳设计的。Ti的加入，可以使平衡状态下TiC先于M23C6析出，从而保证组织的稳定性；Ni含量在32%时，可以增强合金对氯化物造成的腐蚀裂化以及对在σ状态沉积过程中产生的脆变的耐受能力，即使在高温下长时间加热，也很少出现σ相析出之类的材质变化（高温组织稳定性较不锈钢好），氧化、渗碳也比较少；Cr的存在同时提供了耐水溶液和耐热能力。虽然合金的高温强度不如HK40的离心铸造管，但热膨胀系数小，延性降低也小，故常用于制氢装置转化炉和乙烯装置裂解炉等高温装置高温热膨胀较大的区域，以解决热应力问题。

2 镍基合金炉管设计中关键点讨论

镍基合金主要应用在加热炉中受压部件-炉管，由于与常用的铁基合金的高温下物性有所不同，因此在设计和应用时需要特殊考虑。

2.1 镍基合金炉管的强度核算

合金炉管强度设计关系着设备的整体造价以及安全运行。依据美国是石油学会推荐的规程API530《加热炉炉管壁厚计算》[6]，按设计温度不同，分为弹性和断裂两个阶段，公式如下：

（1）弹性设计（较低温度）

（2）断裂设计（较高温度）

式中：δσ—应力厚度，mm

δmin—包括腐蚀余量在内的最小厚度，mm

D0—外径，mm去掉腐蚀裕量后的内径，mm弹性、断裂设计压力（表），MPa

σel、σr—设计温度下的弹性、断裂许用应力，MPa

δCA—腐蚀裕量，mm

fcorr—腐蚀分数

合金的高温许用应力是核算炉管强度计算的最重要参数。 API530标准提供了常用的铁基材料以及Incoloy800H在不同温度下的许用应力，但对于Inconel600和625类的镍基合金则未提供。材料在不同温度下的许用应力均是以材料的极限强度为依据，选取适当的安全系数以后得出的。对于不同标准，材料使用的环境和要求不同，选取的安全系数也有所区别。表3对API530、ASME动力锅炉以及ASME B31.3中的合金许用应力选取依据进行了对比[7-8]。

由表3可知，在弹性阶段，标准ASME动力锅炉和ASME B31.3中提供的许用应力分别考虑了室温、给定温度下抗拉强度和屈服强度，而API530则仅考虑了给定温度下的最小断裂强度。在蠕变阶段，API530考虑了设计寿命下的最小断裂强度的100%，而ASME动力锅炉和ASME B31.3则同时考虑蠕变速率下的平均强度、100 000 h下的平均断裂强度和最小断裂强度的影响。

表3 材料许用应力的选取依据

当加热炉的炉管设计寿命为100 000 h时，无论是在弹性区域还是蠕变区域，ASME 动力锅炉和ASME B31.3所选取的许用应力均比API530选取的许用应力更为安全。这是因为API530认为在使用断裂强度时，炉管可能会产生小的永久变形，这种小的永久变形对加热炉管束的安全性、运转性没有影响。因此在强度核算时，若有可靠的合金极限强度曲线时，Inconel600和625的许用应力可按API530提供的安全系数，通过核算即可获得。当无可靠的强度曲线时，则可参照ASME动力锅炉或B31.3附录中提供的高温许用应力选用，核算结果相对保守。

2.2 镍基合金管束的二次应力分析

与压力管道类似，受热状态下加热炉管束也会存在因约束设置产生的二次应力。二次应力是由于管道变形受阻而引起的正应力和剪应力，其大小与炉管布置、约束间隙以及管材的物性密切相关。

普通加热炉炉管运行时的管壁温度在300～600℃，管束设置亦可按经验选用。但在选用镍基合金时，管壁温度通常较高；若管系走向复杂时，便需要对管系做应力分析。在应力分析时，材料的高温物性参数正确选取关系到管束应力分析结果的准确与否,主要物性参数有弹性模量、热膨胀系数和屈服强度等。图1～图3分别为材料在不同温度下物性参数——弹性模量、热膨胀系数和屈服强度对比图。为了对比铁基合金与镍基合金的差别，图中也选取了炉管常用的合金钢（P9）和奥氏体不锈钢（TP304）在高温下的物性数据。

图1 材料的弹性模量对比图

图3 材料的屈服强度对比图

图2 材料的线膨胀系数对比图

可以看出，在相同温度下，TP304的弹性模量较小，Inconel600、Inconel625、Incoloy800H大致相同，P9在高温区略低于其余镍基合金和铁镍基合金；材料的线膨胀系数依次为TP304 ＞Incoloy800H ＞Inconel600 ＞Inconel625 ＞P9；在屈服强度方面，Inconel625则明显高于其余材料，其次为Inconel600，再之为P9，Incoloy800H与TP304在高温下则大致相同，均低于上述三种材料。物性的差别主要与微观组织以及合金含量密切相关，五种材料中P9微观组织主要为铁素体，其余四种材料则是奥氏体，而镍基合金中Ni的含量明显高于TP304，故线膨胀系数TP304最高，P9最低。 Inconel625中添加了Mo、Nb等强化元素，可有效提高材料的屈服强度，铁基合金P9虽然屈服强度高于TP304和Incoloy800H，但由于铁素体材料在高温组织不稳定，因而在高温条件下很少使用。

炉管的热应力分析可借鉴压力管道中相关方法，使用炉管材料实际的材料物性即可。由于镍基合金要比304类不锈钢线膨胀系数偏小，即在相同条件下管线的膨胀量将小于304不锈钢，这对缓解管系热应力会更为有利。需要注意的是，由于镍基合金常应用在炉内换热管处，而炉外工艺管线可能会使用铁基合金，二者存异种焊接结构（如高温集合管处），由于两种材料的高温物性参数存在差异，当温度升高时，由温差产生的热应力应予以特别重视，必要时还需采用有限元法进行补充计算。

2.3 镍基合金的焊接特性

炉管在加热炉内是通过焊接相互连接的。与铁基材料相比，镍基合金的物理性能有着不同特点，这些特点也决定了镍基合金在焊接过程中与铁基材料有着不同的要求。

（1）与铁基材料相比，镍基合金的熔焊黏性大，熔深较浅，焊缝较高，易形成道间和层间熔合不良。为保证熔透，焊接结构则需选用较大的坡口角度和较小的钝边。因合金的导热性差，若焊接电流过大、电弧电压过高、焊接速度较慢及层间温度过高都易使焊接接头过热，易产生粗大的晶粒，形成强度低、脆性大的低熔点共晶体，冷却时在残余应力的作用下很容易形成裂纹，故焊接时应选用较小的焊接线能并严格控制层间温度。

（2）镍基合金焊接一般不需预热。当母材温度低于15 ℃以下时，为免湿气冷凝导致焊缝气孔，应对接头两侧250～300 mm宽的区域加热至15～20 ℃；为保证焊接件在使用中不发生晶间腐蚀或应力腐蚀，如Incoloy800H制承压设备，当受压元件焊缝与受压元件相焊的焊缝设计温度高于538 ℃时，则应进行稳定化处理。

（3）合金焊缝应尽量凸起，自然成形，尽量不使焊缝拉平或凹下。由于镍及镍基合金焊缝金属表面张力大，流动性差，黏性大不易成形等因素，自然成形的焊缝一般为凸状，如果焊缝是平坦或下凹状就会由于应力的作用产生裂纹。因此在单面焊双面成形时，手弧焊背面最好加垫板，氩弧焊时除加强对正面焊缝的气体保护外，氩弧焊背面也同样必须加气体保护装置。

3 其它需注意问题

虽然镍基/铁镍合金具有抗蚀性及组织稳定性好等诸多优点，但实际应用时尚应考虑以下问题：

（1）价格昂贵，需结合材料腐蚀速率综合考虑使用。由表1可以看出，镍基合金Inconel600、Inconel625中金属Ni 的含量均在58%以上，铁镍合金Incoloy800H中Ni的含量也大于30%，而常规的18-8型奥氏体不锈钢中的金属Ni含量为9%～13%，均低于镍基/铁镍基合金。2020年金属镍价格在10～15万/t，远高于金属Fe的价格，导致合金中Inconel625价格最高，为200～250元/kg；Inconel600、Incoloy800H次之，但均远高于18-8型奥氏体不锈钢的价格（25～45元/kg）。

（2）合金的低温性能不占优势。由表3可以看出，Inconel625由于钼和铌的硬化效应，其屈服强度要远高于其他合金，Inconel600则略高于铁基合金，Incoloy800H低于铁基合金。镍基合金的优势是在于特定环境中的抗蚀性以及高温下的组织稳定性，应用时应注意选用工况。

表3 合金在高温下的屈服强度（MPa）

（3）焊接高温强度问题。Ni-Fe-Cr基固溶强化合金，焊接接头在常温和高温下的瞬时强度并无明显降低，但在高温下的持久强度却大幅降低，用热处理方法也得不到改善。生产实践表明，这和接头热影响区普遍存在过热，晶粒长大严重有直接关系，在实际应用时应加以注意。

4 实际应用

某装置用氧气加热炉, 被加热介质为质量百分比为99.5%氧气，被加热介质的出口温度高达1 000℃。由于出口温度较高，且被加热介质为高纯度氧气，因此对炉管材质在运行工况下提出了较高的抗氧化性能要求。经过热力计算，提出管束的设计温度和压力，结合抗氧化性能要求，加热炉对流段选用镍基合金Inconel600。根据核算出的管束温度和压力分布，进行炉束热应力分析与计算。最终经过详细设计，该氧气加热炉已成功投产并运行正常。