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HastelloyB-3合金是美国HAYNES公司在HastelloyB-2合金的基础上,研讨开发的新材料,在盐酸和硫酸中具有出色的抗腐蚀功能,并有很好的热稳定性。经过调整某些合金元素的含量,HastelloyB-3合金中温β相相变时间有所延伸,为HastelloyB-3合金原材料生产、设备制作过程中的热加工、热处理、焊接等加工工序发明了更为有利的条件。
可是,HastelloyB-3合金依然存在有β相变、敏化、冷作硬化等固有的材料特性国内某些设备制造厂已较好地掌握了HastelloyB-2、HastelloyB-3合金设备制造过程中的焊接技能,但封头成型技能等设备制造经历还不行成熟,焊接工艺还不行完善。国内传统技能路线成型的封头常呈现鼓包、折皱、尺寸精度差、甚至开裂等问题。通过对多个制造厂加工经历的学习概括,并参考相关国外国内标准,对HastelloyB-3合金制设备的质量控制的关键因素进行分析总结。
1HastelloyB-3合金的成分与功能
1.1化学成分:HastelloyB-3合金的化学成分(见表1)。
1.2力学功能:HastelloyB-3合金的室温力学功能(见表2)。
1.3耐蚀功能:HastelloyB-3合金以镍为基体,仅有钼为其合金元素。
钼具有高的规范复原电极电位,是一种热力学稳定的元素。与锆的耐腐蚀原理不同,HastelloyB-3合金耐腐蚀的功能来自合金自身热力学的稳定性,即源于镍与钼规范复原电极电位较高。HastelloyB-3合金是一种使用于强复原性环境中的优秀耐蚀合金,从图1可看出,它可用于常压下、无氧化剂的较大温度规模内的、很高浓度的盐酸溶液中。在不充气的非氧化性硫酸中,HastelloyB-3合金显现了优秀的耐蚀功能,见图2。此外,在不含氧化剂的氢氟酸、磷酸、甲酸、醋酸中,HastelloyB-3合金也有很好的耐蚀性。如在甲醇低压羰基组成醋酸工艺介质中,在较低的温度下,HastelloyB-3合金具有优秀的耐蚀功能,均匀腐蚀率小于0.01mm/a。但是,由于HastelloyB-3合金根本不含铬,钝化能力很弱,不能用于通气或含氧化剂的盐酸、硫酸、氢氟酸中,也不能用于氧化性盐溶液中。显然,HastelloyB-3合金的使用规模较窄。
1.4材料特性
HastelloyB-3合金是钼元素含量约30%的镍基合金,钼在镍中形成的固溶体为奥氏体组织。很多的钼原子固溶于镍的奥氏体晶格中,由于钼原子大且重,严峻扭曲了镍的晶格,使镍均匀的奥氏体组织处于亚安稳状态。虽然HastelloyB-3合金中的有害元素碳、硫、磷、硅等被操控到很低的程度,但在HastelloyB-3合金的两个敏化温度区(~℃的高温敏化区和~℃的中温敏化区),σ相、γ持平金属间相仍很容易沿晶界分出,形成HastelloyB-3合金原材料的晶间腐蚀敏感性。因此,HastelloyB-3合金原材料质量查验项目中不仅应有常规的化学成分,力学性能查验,还应增HastelloyB-3合金原材料晶粒度和℃盐酸晶间腐蚀查验。
与HastelloyB-2合金相同,在~℃的温度范围内,HastelloyB-3在冶金热力学上也存在一个~℃的β相变区,这是一种无扩散相变,在适当的应力条件下能够在瞬间产生。从图3可看出,经过合金元素的调整,HastelloyB-3较B-2合金在~℃的β相变速度显着降低,而各种内应力,如焊接剩余应力,冷、热成型时材猜中存在的内应力,均将促进β相相变。如果发生了β相变。
无论是HastelloyB-2或B-3合金,其延伸率均将大幅降低,在极点情况下,HastelloyB-2的室温延伸率可降至2%。美国HAYNES公司以为,β相的转变是形成HastelloyB-2合金锻造、轧制、热处理时资料开裂的原因,也是B-2合金设备服役时产生应力腐蚀开裂的原因。尽管HastelloyB-3合金HastelloyB-2合金具有β相相变较缓慢的优点,但B-3合金仍存在β相相变的可能性。在国内,有的HastelloyB-3封头在固溶处理后外表呈现小裂纹的问题。显HastelloyB-3设备制造过程中,应确保资料在成型后有满足的稳定性,以避免在终固溶处理后封头外表呈现裂纹或开裂。
HastelloyB-3设备制作质量操控
HastelloyB-3合金制容器类设备制作的质量操控主要有两个要害点:封头成型的质量操控和焊接接头的质量操控。
2.1封头成型的质量操控
HastelloyB-3合金封头成型工艺,依据封头直径的大小,封头的壁厚,常有不同的成型工艺,如不同的限制工艺:冲压、旋压,分瓣限制;不同的成型温度:冷成型、温成型、高温成型等。在HastelloyB-2,HastelloyB-3合金制设备制造过程中,一直存在着封头成型技能不够完善的问题。一般选用冷冲压或冷旋压的方法进行成型,因为B合金的冷作硬化严峻,易于产生β相变,因而每冲压或旋压一次,均必须在℃进行一次固溶处理,不仅工序复杂,还经常在终固溶处理后,封头外外表出现微裂纹。热冲压成型时。
因为B-3合金的高温抗力大,下模具压板压力不够时,封头可能从压板下脱出,滑入下模具中,形成封头形状不规则,使后续的修型作业非常繁重。在对HastelloyB系列合金的资料特性进行充沛研究及获得相关实验结果后,确认中温成型是一种更为恰当的成型方法(HastelloyB-3合金不存在℃脆性)。温成型不只易于操作,且成型后的封头在终固溶处理后表里外表光洁,没有任何成型缺点。
HastelloyB-3合金不管选用何种工艺进行封头成型,成型后的封头均须进行固溶处理,以消除成型过程中产生的剩余应力。为了验证固溶处理的作用,封头固溶处理时应带焊接试板,以查验热处理作用。查验方法为:℃,20%盐酸,接连实验96h,X金相法检查焊接接头热影响区晶间腐蚀深度,晶间腐蚀深度≤0.mm为合格。
2.2焊接接头的质量控制
焊接是HastelloyB-3合金设备制造中的另一要害控制工艺,焊接接头质量控制是十分要害的,直接影响设备的安全运行。图4为某化工机械厂HastelloyB-3合金焊接工艺评定试板焊接接头的晶间腐蚀查验金相照片。显然,该焊接工艺没有通过焊接接头晶间腐蚀检验。图5为另一化机公司HastelloyB-3设备产品试板的腐蚀查验金相照片。设备的产品试板的腐蚀查验标明,该设备的焊接质量良好。
2.2.1焊接接头的质量要求
HastelloyB-3材料的强度、硬度太高,且易加工硬化,无法制作药芯焊丝。由于此
特性,目前最好的焊接方法仍是无氧化的钨极气体保护焊(GTAW)。除选用正确的焊接方法外,对焊接接头的选择及其要求较高,如选用双面GTAW进行封底焊
后再进行焊接,保证全焊透且易于清焊根。对于大型HastelloyB-3合金设备的对接焊,尽量选用双V型坡口进行双面焊(见图6)。
Hastelloy合金只有严厉脱除材料中的碳、硅、硫、磷等杂质,才干取得焊后耐蚀性,因此,要树立高清洁度的施工环境,并对焊接接头进行严厉的去氧化皮、去污渍
等工序。焊接坡口加工后焊接前,需对焊接接头去氧化物处理。合金B-3的表面氧化物、氧化色和焊缝周围的焊渣的附着性强,推荐运用细晶砂带或细晶砂轮进行打磨。酸洗前,用喷砂处理或当心打磨把氧化物打碎。运用HNO3/HF混合酸进行恰当时刻和温度的酸洗。
2.2.2焊接接头的质量控制
(1)清洁的焊接环境是焊接质量达标的前提,包括对施工车间、施工设备、特别是焊接接头的清洁处理,做到无尘、无铁和其他杂质,以防焊接接头遭受污染。
(2)特别注意焊接时要采纳低线能量输入并控制层间温度,以避免过度热输入,导致合金元素的焚毁。焊接时,以焊缝金属呈现银白色为原则,若呈现浅黄色
可通过专用不锈钢丝刷擦除,若呈现其他色彩,则必须用专用砂轮片打磨去除。每层焊道不要太厚,最大极限地削减合金元素的焚毁。不要呈现咬边、高低不平等焊接缺点或其他影响耐腐蚀功能的现象。
(3)焊接完成后,要对其进行固溶热处理。并对焊接接头进行℃晶间腐蚀检验,以保证HastelloyB-3合金焊接接头的耐蚀功能,这是鉴定HastelloyB-3合金焊接
质量的重要检验方法,也是压力容器制作的要害质量查核点。
3结语
(1)HastelloyB-3合金具有两个晶间腐蚀敏化区和一个中温β相变区,虽其相变时间比较B-2有所延伸,但仍需严格控制促进β相相变的要素,如焊接剩余应力,冷、热成型时材料中存在的内应力等。
(2)对HastelloyB-3合金封头的成型,中温成型是一种更为恰当的成型方法(HastelloyB-3合金不存在℃脆性)。温成型不仅易于操作,且成型后的封头在终固溶处理后表里表面光洁,没有任何成型缺陷。成型后的封头须进行固溶处理,以消除成型过程中发生的剩余应力。
(3)℃,20%盐酸晶间腐蚀查验方法是HastelloyB-3合金制设备制造质量控制的要害查验方法。