摘要:通过对耐热耐蚀合金Incoloy 800H 的性能分析, 指出Incoloy 800H与普通奥氏体不锈钢相比具有较优的抗氧化性能、 耐蚀性和高温蠕变强度。 针对催化裂化装置同轴式沉降再生器内部所用 Incoloy 800H 焊件易出现裂纹的问题进行 分析,认为在施焊过程中由于Incoloy 800H合金凝固时有低熔点金属或化合物的液态膜残留在晶界区, Incoloy 800H合金具有高的焊接热 裂纹敏感性, 若焊材选择不当, 焊丝填充不充分、缺少保护气等将导致晶间裂纹产生。 提出了Incoloy 800H合金采用TIG 焊接防止热裂纹产生的措施。
石化厂催化裂化装置同轴式沉降 再生器操作温度达 550 ～ 750 ℃, 操作介质为油气 、 烟气 、催化剂;另外, 吊管悬挂的二级旋风分离器重达 6 t, 吊架 、吊板悬挂的一级旋风分离器重达7 t 。高温环境下构件断裂引起意外停车将会造成重大的经济损失, 为此, 吊管、吊架选用了耐热耐蚀且高温下有较高强度的 Incoloy 800H 合金钢, 以尽量减少维修, 并确保设备长时间连续操作。
1 Incoloy 800H合金的性能分析
1 .1Incoloy 800H合金 一般特性
Incoloy 800H 材料是一种镍铁铬耐蚀合金, 其 中含 Fe 46 .0 %, 含Ni 30 .0 %～ 35 .0 %, 含 Cr 19 % ～ 23 %, 含 C 不超过 0 .1 %, 另还含少量的 Mn 、Si 、Cu 、Al 、Ti 等合金元素。由于Incoloy 800H耐腐蚀合金中 Ni 不低于30 %, ( Fe +Ni) 不低于 60 %, 一般亦称其为铁镍基耐蚀合金[ 1] 。在高温环境下Incoloy 800H耐腐蚀合金仍具有较高的
强度, 并有极优的抗氧化能力和抗渗碳能力。图 1 为Incoloy 800H耐腐蚀合金抗拉强度、延伸率、屈服强度随温度变化的曲线。
所选用的 Incoloy 800H 合金产品试样经王水浸蚀, 其金相组织为单相奥氏体, 孪晶晶粒。
1 .2Incoloy 800H合金耐腐蚀性
Incoloy 800H 合金对氧化性及非氧化性酸液 、碱液、脂肪酸和水均具有很强的耐蚀性, 能在长时间高温环境中保持其组织的稳定性, 具有很强的抗氧化能力 。抗氧化性主要归因于Incoloy 800H合金中高的铬含量, 这是因为铬会在金属表面形成致密的氧化铬薄膜。硅和铝等合金元素对于形成结合牢固的氧化层亦有一定的贡献 。
图 2 是 Incoloy 800H 合金与 SUS304 、406 等不锈钢在特定水蒸气环境中的腐蚀速度的比较。 图 3 为 Incoloy 800H 合金与普通 SUS309 等不 锈钢抗氧化性能的比较 。
1 .3 Incoloy 800H耐腐蚀蠕变强度
对于在高温环境的加载工况, 在升温、降温或高温过程中, 材料常数如弹性模量 、泊松比、线膨 胀系数等均会发生变化 。这时的总应变由弹性应变 、蠕变应变和温差应变所组成[ 2] 。如果构件存在裂纹, 在裂纹尖端将产生高度的应力集中, 构件的损伤将明显加快 。因此, 必须在施工过程严格控制构件裂纹的产生。蠕变强度是高温材料的必备特性之一 。Incoloy 800H 合金因为镍含量高, 组织的热稳定性好, 因此, 在 650 ℃以上的高温下, 与奥氏体不锈钢相比较, 其蠕变强度要高一些。900 ℃以下无负荷时可采用 18-8 型奥氏体不锈钢, 而采用 Incoloy 800H 合金的最高使用温度在有负荷时可达 900 ℃[ 3] 。表 1 是 Incoloy 800H 合金与耐
热钢 0Cr19Ni9 在不同温度下的 100 000 h 蠕变强度的比较 。
2 Incoloy 800H 合金的焊接
2 .1 产品 Incoloy 800H 合金的焊接工艺
吊架 、吊板及吊管的结构材料为Incoloy 800H, 材料的规格有 δ=14, 20, 32 mm 三种, 焊接接头型式主要有对接及角接( 搭接) 接头两种 。经过反复试验和分析比较, 决定采用手工钨极氩弧焊接工艺( TIG, 直流正极性) 。按照美国焊接学会( AWS) 的规定, Incoloy 800H 合金在氩弧焊接时, 应采用 Inconel FillerMetal 82 焊丝。焊前对焊丝进行酸洗 (硝酸 5 %
, 盐酸 25 %, 水 65 %) , 用丙酮清洗焊件坡口及焊丝 。焊件装配时采用定位焊( 焊 10 ～ 20 mm, 间距 50 mm) ;正式焊接时采用 Inconel 82 焊丝 的直 径为 4 mm, 氩 气纯 度 为 99 .99 %( 符 合 GB4842 —84) ;焊接电流:135 ～ 160 A ;氩气流量:焊枪主喷嘴 16 ～ 20 L/min, 反面气罩 18 ～ 30 L/min ; 电弧电压 :19 ～ 21 V ;钨极直径 4 mm。焊件无需预热, 道间温度小于 50 ℃。施焊完毕的对接或角接焊缝要进行 100 %目视检查;而后角焊缝要进行100 %表面着色检查, 对接焊缝进行 100 %射线探伤检查 。手工TIG 焊接后经评定符合规范要求。
2 .2 Incoloy 800H 合金易产生裂纹的原因分析
施工中发现, Incoloy 800H 合金产品吊架、吊板在施焊过程中焊缝表面易产生局部微裂纹;焊
件经打磨后着色检查发现裂纹为细浅的表面微裂纹, 部分在焊道中间, 大多位于收弧口, 长度约为 3 ～ 5 mm 。 通过冶金分析及表 2 可以看到 :在焊接熔池中,铁和镍的二元共晶物中有许多低熔点金属共晶物和非金属共晶物, 其中特别是磷 、硫共晶物, 它们的熔点与镍铁相比低得多, 合金凝固时有低熔点金属或低熔点化合物的液态膜残留在晶界区。
根据上述冶金分析可见, Incoloy 800H合金具有高的焊接热裂纹敏感性 。为防止热裂纹产生, Incoloy 800H合金中硫 、磷含量应在 0 .005 %的水平, 配用焊丝硫磷含量也在 0 .005 %的水平, 硅含量均需严格控制;提高锰含量能增大一些有害元素如磷等的溶解度极限 ;正确选用与母材相匹配的焊接材料是防止热裂纹的重要措施 。为阻止有害元素混入, 焊前必须彻底清洗, 特别是对含有硫或磷的污物应彻底清除 。焊接区的应变或应变速率是影响产生焊接热裂纹的力学因素 。一般情况下采用合理的装配与焊接次序、选用较小的线能量、及时填满弧坑等工艺措施可以有效的防止热裂纹产生 。
 
3 Incoloy 800H合金应用情况
由于同轴式沉降再生器长期在高温状态服役, 悬挂旋风分离器的构件有可能出现多种形式的失效 。从结构上分析, 易发生失效的部位是各构件间的连接处, 如吊架与吊板 、吊板与一级旋风
分离器 、吊管与二级旋风分离器的连接处 ;从受力角度分析, 在结构的曲面不连续, 尤其是应力突变处往往由于存在附加应力而引起失效, 如筒体与吊架 、筒体与吊管的焊缝处;从使用工况分析, 由于开停工或高温而引起热应力 、附加应力及高温引起的蠕变变形 、氧化, 工作介质具有腐蚀性, 高速催化剂流化 、高温烟气流动引起的旋风分离器的振动 ;另外由于在施工过程中构件产生的焊接缺陷和残余应力, 都可能造成悬挂构件失效。基于以上分析结合 Incoloy 800H 合金钢的性能特点, 岳阳石油化工总厂烯烃厂催化裂化装置同轴式沉降再生器悬挂的二级旋风分离器的吊管与悬挂的一级旋风分离器吊架、吊板选用了 Incoloy 800H 合金钢, 并且在施工过程中严格控制Incoloy 800H合金构件的焊接缺陷的产生 ;经过两次停工大检修开罐检查, 并对Incoloy 800H合金构件无损探伤检查, 没有发现影响使用的缺陷 。
4 结束语
(1) Incoloy 800H耐蚀合金 是一种能耐高温及各种苛刻环境腐蚀的比较理想的金属结构材料 ;与普通奥氏体不锈钢比较, Incoloy 800H 高温合金具有较高的抗氧化能力 、抗渗碳能力 、耐蚀性和更高的蠕变强度 ;为确保设备长周期安全操作, 在催化裂化装置沉降再生器中悬挂旋风分离器的构件推荐采用Incoloy 800H 高温合金。
( 2) 高温构件吊管、吊架 、吊板应力分布情况不理想, 若加之施工焊接缺陷, 将产生高度的应力集中, 从而导致蠕变开裂失效。
( 3) 为保证 Incoloy 800H 合金材料的外观成型及内部质量, 推荐采用 TIG 焊接。
( 4) Incoloy 800H 焊件产生热裂纹原因 :从冶金角度分析是由于Incoloy 800H合金凝固时有低熔点金属或低熔点化合物的液态膜残留在晶界区而有可能导致晶间开裂。
( 5) 防止 Incoloy 800H合金 焊件产生热裂纹的主要 措施 :①降低焊接线能量;②降低预热温度和层间温度, 以加快焊缝区的冷却速度;③选用与母材相匹配的焊接材料;④尽可能降低母材及焊接材料中硫、磷含量 ;⑤形成凸起的焊道表面( 包括弧坑)的处理 ;⑥清理坡口内的油脂和其它粘附物。