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鎳基合金管的選擇和應用

2022-07-04 16:51:57

這里介紹的鍛軋鎳基合金管(定義為含鎳45%以上的合金)包括了化工廠常用的各類鍛軋耐蝕合金。

這些合金的化學成分和UNS編號列于表1中。為了方便讀者,一些常用的商品名也在旁邊列出。

1  合金的性能

鎳合金比不銹鋼昂貴。但是,根據初始成本而不是根據壽命周期成本進行經濟性的比較可能會誤導人們。例如,Ni-Cr-Mo合金價格大約是18Cr-8Ni不銹鋼的5倍,是奧氏體不銹鋼的2倍。但由于鎳合金優越的耐腐蝕性能,初始成本的增加常常能夠通過設備壽命的延長,維修費用的降低和少的停機所帶來的長期費用的節省而獲得補償。

鎳合金的物理性能與300系奧氏體不銹鋼的物理性能十分相似。鎳基合金與碳鋼的熱膨脹率大致相等,而明顯低于300系不銹鋼的熱膨脹率。

雖然純鎳的導熱率高于碳鋼,但是,大多數鎳合金的導熱率明顯比較低,在某些情況下甚至低于奧氏體不銹鋼的導熱率。

除純鎳外,化學加工業所用的鎳合金強度大大高于300系不銹鋼。鎳合金還具有非常好的延展性和韌性(見表2所列的室溫力學性能)。用于化工設備的大多數合金的許用應力見ASME鍋爐和壓力容器規范第Ⅷ卷。

鎳合金是全奧氏體顯微組織?;瘜W工業使用的所有鎳合金幾乎都是固溶強化的。它們強度的提高來自于有效硬化元素如鉬和鎢的添加,而不是碳化物的形成。與奧氏體不銹鋼一樣,固溶鎳合金不能通過熱處理強化,而只能通過冷加工使其強化。

另一大類鎳基合金可通過沉淀硬化熱處理來強化。這類合金大多數專門用于高強度用途,如深層油氣生產和高壓工藝過程所使用的合金。

沉淀硬化鎳基合金除了用于閥門和旋轉機械部件外,在化工設備的應用有限。這類合金中包括燃氣輪機、燃燒室以及航天用途所使用的耐熱合金。

2  耐腐蝕性

鎳合金比傳統的不銹鋼和奧氏體鐵基合金耐各類酸、堿和鹽腐蝕的能力提高了一個檔次。鎳合金一個突出的優點是在含鹵化物離子的水溶液中具有極好的耐腐蝕性能。在這方面,鎳合金遠遠優于奧氏體不銹鋼,奧氏體不銹鋼容易受到氯離子和氟離子溶液的腐蝕。

鎳合金這種優異的耐腐蝕行為不僅表現為較低的金屬損耗,而且表現為較好的耐局部腐蝕能力,特別是耐點蝕/縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕斷裂的能力。與均勻腐蝕相比,這些形式的局部腐蝕是化學行業腐蝕失效的主要原因。

鎳合金優異的耐腐蝕性部分歸功于鎳所固有的較低反應活性(相對于鐵),正如電動勢(EMF )序列中其較為惰性的氧化電位所顯示。與不銹鋼類似,含鉻的鎳合金具有鈍化能力(即自發地形成一層薄而堅韌的表面氧化物,這層氧化物起著有效阻止腐蝕的作用)。

鎳優于鐵的另一個優點是鎳能夠容納大比例的合金元素而不形成脆性相。能提高耐腐蝕性的合金添加元素通常是鉻、鉬和銅。下面將會簡要介紹合金元素的作用。

化工廠常見介質條件下鎳合金耐蝕性能的比較見表3。這些一般性指南不用于特定目的,僅作為選材過程的起始點。

大多數鎳合金焊接都采用手工電孤焊(SMAW)、氣體保護鎢極電弧焊(GTAW)和氣體保護熔化極電弧焊(GMAW)。鎳合金焊接件延展性非常好,它們較低的熱膨脹特性減少了殘余應力和彎曲變形。僅沉淀硬化型牌號要求焊后熱處理。

鎳合金的焊接工藝與奧氏體不銹鋼的焊接工藝非常類似。但是,由于富鎳焊縫溶池更加粘滯,熔透性更差,要獲得全熔透的焊縫,可能需要改進接頭外形和焊接技術。鎳合金比鋼鐵材料更不允許污染物的存在,污染物會造成焊縫脆裂。

富鎳焊材的高延展性、低熱膨脹率以及容許各種金屬元素稀釋的能力使其廣泛用于異種金屬的焊接。不僅包括鎳基合金與鐵基合金的焊接,也包括不銹鋼與碳鋼和合金鋼的焊接。同樣,鎳合金能夠堆焊到碳鋼表面而沒有開裂的危險。

鎳基合金管

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