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精密无 缝钢管厂对耐蚀镍合金选择与应用指南

作者:精密无缝钢管厂 来源: 日期:2019-3-23 19:24:36

冶金技 术与制造技术的不断进步推动了镍合金的发展,促进了 它们在化学工业的广泛应用。

镍合金 集优异的耐蚀性、强度、韧性、冶金稳定性、加工性 及焊接性于一身。许多镍 合金还具有卓越的耐热性能,是要求 高温强度和高温下耐化学腐蚀用途的理想选择。

这里介 绍的锻轧镍基合金(定义为含镍45%以上的合金)包括了 化工厂常用的各类锻轧耐蚀合金。

镍合金 集优异的耐蚀性、强度、韧性、冶金稳定性、加工性 及焊接性于一身。许多镍 合金还具有卓越的耐热性能,是要求 高温强度和高温下耐化学腐蚀用途的理想选择。

这里介 绍的锻轧镍基合金(定义为含镍45%以上的合金)包括了 化工厂常用的各类锻轧耐蚀合金。

这些合 金的化学成分和UNS编号列于表1中。为了方便读者,一些常 用的商品名也在旁边列出

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1合金的性能

镍合金比不锈钢昂贵。但是,根据初 始成本而不是根据寿命周期成本进行经济性的比较可能会误导人们。例如,Ni-Cr-Mo合金价格大约是18Cr-8Ni不锈钢的5倍,是超级 奥氏体不锈钢的2倍。但由于 镍合金卓越的耐腐蚀性能,初始成 本的增加常常能够通过设备寿命的延长,维修费 用的降低和极少的停机所带来的长期费用的节省而获得补偿。

镍合金的物理性能与300系奥氏 体不锈钢的物理性能十分相似。镍基合 金与碳钢的热膨胀率大致相等,而明显低于300系不锈钢的热膨胀率。

虽然纯 镍的导热率高于碳钢,但是,大多数 镍合金的导热率明显比较低,在某些 情况下甚至低于奥氏体不锈钢的导热率。

除纯镍外,化学加 工业所用的镍合金强度大大高于300系不锈钢。镍合金 还具有非常好的延展性和韧性(见表2所列的室温力学性能)。用于化 工设备的大多数合金的最大许用应力见ASME锅炉和 压力容器规范第Ⅷ卷。

镍合金 是全奥氏体显微组织。化学工 业使用的所有镍合金几乎都是固溶强化的。它们强 度的提高来自于有效硬化元素如钼和钨的添加,而不是碳化物的形成。与奥氏体不锈钢一样,固溶镍 合金不能通过热处理强化,而只能 通过冷加工使其强化。

另一大 类镍基合金可通过沉淀硬化热处理来强化。这类合 金大多数专门用于超高强度用途,如深层 油气生产和超高压工艺过程所使用的合金。

沉淀硬 化镍基合金除了用于阀门和旋转机械部件外,在化工 设备的应用有限。这类合 金中包括燃气轮机、燃烧室 以及航天用途所使用的耐热超级合金。

2耐腐蚀性

镍合金 比传统的不锈钢和超级奥氏体铁基合金耐各类酸、碱和盐 腐蚀的能力提高了一个档次。镍合金 一个突出的优点是在含卤化物离子的水溶液中具有极好的耐腐蚀性能。在这方面,镍合金 远远优于奥氏体不锈钢,奥氏体 不锈钢容易受到氯离子和氟离子溶液的腐蚀。

镍合金 这种优异的耐腐蚀行为不仅表现为较低的金属损耗,而且表 现为更好的耐局部腐蚀能力,特别是耐点蚀/缝隙腐蚀、晶间腐 蚀和应力腐蚀断裂的能力。与均匀腐蚀相比,这些形 式的局部腐蚀是化学行业腐蚀失效的主要原因。

镍合金 优异的耐腐蚀性部分归功于镍所固有的较低反应活性(相对于铁),正如电动势(EMF)序列中 其较为惰性的氧化电位所显示。与不锈钢类似,含铬的 镍合金具有钝化能力(即自发 地形成一层超薄而坚韧的表面氧化物,这层氧 化物起着有效阻止腐蚀的作用)。

镍优于 铁的另一个优点是镍能够容纳大比例的合金元素而不形成脆性相。能提高 耐腐蚀性的合金添加元素通常是铬、钼和铜。下面将 会简要介绍合金元素的作用。

 

3焊接指南

大多数 镍合金焊接都采用手工电孤焊(SMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)和气体 保护熔化极电弧焊(GMAW)。镍合金 焊接件延展性非常好,它们较 低的热膨胀特性减少了残余应力和弯曲变形。仅沉淀 硬化型牌号要求焊后热处理。美国焊接学会(AWS)发布的 镍合金焊条和填充金属技术条件见表4。

镍合金 的焊接工艺与奥氏体不锈钢的焊接工艺非常类似。但是,由于富 镍焊缝溶池更加粘滞,熔透性更差,要获得全熔透的焊缝,可能需 要改进接头外形和焊接技术。镍合金 比钢铁材料更不允许污染物的存在,污染物 会造成焊缝脆裂。

富镍焊材的高延展性、低热膨 胀率以及容许各种金属元素稀释的能力使其广泛用于异种金属的焊接。不仅包 括镍基合金与铁基合金的焊接,也包括 不锈钢与碳钢和合金钢的焊接。同样,镍合金 能够堆焊到碳钢表面而没有开裂的危险。

 

4镍合金的种类

市场上 可以买到的镍合金产品形式多种多样,包括中板、薄板、带材、管材、接头和锻件。部分产品的ASTM规范列于表5。某些镍 合金还有铸造产品,它们通 常具有与其锻轧产品不同的特性。

镍合金 一般按照其主要合金成分进行分类,下面简 要介绍广泛用于化工设备的镍合金:

纯镍纯镍(合金200)对各类 还原性酸和盐有非常好的耐蚀性,但不适 用于强氧化性的介质如硝酸。纯镍最 重要的特性是其无可比拟的耐苛性碱甚至是熔融态苛性碱腐蚀的能力。虽然纯 镍在干燥卤素介质中耐蚀性很突出,但在水 露点以下其耐蚀性不足。对于温度超过600℉的应用,最好选用合金200的衍生牌号--低碳含量的镍201(UNSUO2201)。

镍-铜合金400与镍一样,镍-铜合金400的耐蚀 性在还原性介质条件下表现最好,而充气 和氧化性化学物质对其耐蚀性不利。合金400具有非 常好的耐氢卤酸和卤化物腐蚀的性能,特别是 能耐氢氟酸和含氟或氟化氢的高温气体。这种合 金广泛用于处理硫酸溶液、海水和盐水。对于要 求高强度的用途,如阀和泵部件,常常采用合金K-500(NO5500),它是合金400的一种 沉淀硬化型衍生牌号。

镍-铬-铁合金600在镍基 体中加入铬扩大了合金600在氧化 性环境中的适用性。合金600尽管对 无机酸的耐蚀性属于中等,但它对 有机酸的耐蚀性却非常好,因此广 泛用于脂肪酸的加工。合金600也广泛 用于氢氧化物和碱性化学品的生产和储运。

对于兼 有耐热和耐蚀要求的高温应用,合金600也是一种极好的材料。该合金 在高温卤素环境下出色的使用性能使它成为有机氯化反应工艺的理想选材。合金600还表现 出优异的抗氧化、抗渗碳 和抗渗氮等抗高温退化性能。


镍-铬-钼合金625在镍铬 系合金中加入钼增加了材料对氧化性和还原性无机酸和盐的耐蚀性。钼使合 金具有耐氯离子点蚀和缝隙腐蚀的能力。合金625是一种 抗疲劳性能非常优异的高强度材料,合金625LCF是合金625的衍生牌号,波纹管专用,具有十 分优异的抗低周疲劳和耐热疲劳性能。与合金600一样,合金625用作耐 蚀材料和耐热材料均可。合金625出色的高温强度,以及耐卤素腐蚀,抗氧化 和抗渗碳的综合性能使其成为在苛刻的高温环境下运行的化工和石化设备的理想选材。

镍-铬合金690合金690是承压 设备制造所用的镍合金中铬含量最高的,对氧化 性介质有极强的耐蚀能力。它能有 效地用于热浓硫酸、硝酸和硝酸/氢氟酸 混合酸以及氧化性盐介质。高铬含 量也提高了材料在高温硫化环境中的耐蚀能力。

镍-铬-合金825由于合金含有近30%的铁,所以合金825有时也 被列入超级奥氏体不锈钢系列中。它在硫 酸和磷酸介质条件表现出色,与合金20类似,开发它 们主要目的是用于硫酸和磷酸介质。虽然合金825耐盐酸 腐蚀的能力尚可,但是它 容易发生氯离子点蚀和缝隙腐蚀,特别是在不流动、不通气的溶液中。合金825铁含量高,所以它 对碱和卤素的耐蚀能力低于镍含量较高的合金。

镍-铬-铁-钼“G”合金合金G-3的耐腐 蚀能力在许多应用中都超过合金400、合金600和合金825。这种合 金特别耐硫酸和不纯净磷酸的腐蚀,能够经 受还原性和氧化性两种介质条件。后来开发的合金G-30焊接性能更好,耐腐蚀能力全面提高,特别是 焊缝热影响区的耐蚀能力

镍-铬-钼“C”合金合金C-276是化学 工业用于应对腐蚀性极强的介质条件(超出不 锈钢的能力范畴)的卓越合金材料,它在各种酸、酸性盐 和其它各类腐蚀性化学物质中具有杰出的耐蚀能力。合金C-276在湿氯 气和次氯酸盐这样的恶劣环境中表现优异。由于合金C-276钼含量较高,因此它 对氯离子引起的点蚀和缝隙腐蚀有很好的耐蚀能力。寻求比合金C-276冶金性 能和耐腐蚀性能更好的材料的过程,促进了几种专利“C”系列合 金的开发与商业化,它们是合金C-22、622、59、686和C-2000。这些合 金的钼含量大致相当,而铬含 量都大大高于合金C-276。某些牌 号还含有钨或铜。这些次 要合金元素对冶金性能和耐腐蚀性的影响是复杂的,本文不作论述。

镍-钼“B”合金合金B-2对具有还原性的硫酸、磷酸和 盐酸有突出的耐腐蚀能力。它特别 适用于全部浓度范围和温度高达沸点的盐酸设备。氧化性 化学物质对这种合金的耐腐蚀性有不利的影响,尤其是 溶液中作为杂质的铁离子和铜离子等强氧化剂。后来开发的合金B-3和合金B-4的性能比合金B-2更好,这些新 牌号的一个好处是最大程度降低了加工中不良显微组织(可能造成脆化)的形成。

5镍合金的发展

同铁和铜一样,自从进入文明社会,镍就被用于合金。但是与钢、黄铜和青铜相比,镍合金 是化学工业的后来者。

第一个 具有商业重要性的镍合金是合金400,它是由国际镍公司(后来叫Inco合金公司)于1905年开发 出来并推向市场,商标为蒙乃尔(MONEL)。下一个 重要的里程碑是1930年左右问世的镍-钼合金B和镍-铬-钼-钨合金C。它们的发明者是HaynesStellite公司(现在叫Haynes国际公司),其中的 两个注册商标为HASTELLOY。镍基合 金发展的下一个重要阶段来自于Inco公司,1931年开发出镍-铬-铁合金600及1949年开发出镍-铁-铬合金,分别命名为INCONEL和INCOLOY。

Inco和Haynes公司利 用最初这些商标的知名度和美誉度,共计推出了MONEL、INCONEL、INCOLOY和HASTELLOY系列的大约50种耐腐蚀和耐热合金。

德国的克虏伯VDM公司是 一个后来比较出名的镍基合金开发者和生产者,其商标是Nicrofer,Nimofer和Nicorros。

这三家 世界领先的公司还在继续开发化学工业感兴趣的新型镍合金和改进型合金。本文提 到的它们的专利合金列于表A。

所有早 期的专利合金早已失去专利保护,现在世 界许多其它生产厂都可以生产这些合金,或是其自己的商品名,或是符 合标准或技术规范的通用合金名称。如同药品一样,关于通 用名产品和专利权产品之间的等效问题还存有争论。

常用的标准规范如ASTM和DIN可能比 著名合金开发生产厂家自定的标准限制性要求更少,厂商企 业内部标准对合金化学成分和冶金参数控制得更严一些,目标在 于确保较高的材料性能。

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