江苏省特种设备安全监督检验研究院
摘要：2013年6月由全国人民代表大会常务委员会发布了《中华人民共和国特种设备安全法》，这是中国第一次对特种设备实施立法，足以可见国家对特种设备质量的重视。压力容器、压力管道作为八大类特种设备之一，是由各式各样材料组合而成，随之带来的技术支撑“高温耐蚀合金”，应用开始日益广泛。其中，镍铜合金(Monel400)是耐高温氟气、氟化氢和氢氟酸最好的材料之一，随着焊接工艺的不断成熟，已越来越多的应用在特种设备实际生产之中。
关键词：Monel400合金 特种设备 焊接工艺
0 前言
1905年，美国生产的Ni-Cu合金是最早的镍基耐蚀合金，又称为蒙乃尔合金（Monel合金），1920年德国开始生产Ni-Cr-Mo型耐蚀合金，随后各国生产的镍基耐蚀合金牌号已近50种。我国在50年代中期开始研制镍基耐蚀合金，随着改革开放中国经济的飞速发展，基础产业迅速崛起，对石油化工类产品的需求更是日益增加，随之而匹配的石油化工设备也朝着大型化、参数复杂化方向发展，国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局也对这些石油化工设备的监督检验有了更多关注，对于设备的安全性、可靠性、耐用持久性提出了更高的要求。随着温度、压力、硫化物、氟化物、氯化物等等各种介质参数的影响，对石油化工设备将会造成非常严重的腐蚀，腐蚀之后设备破坏所造成的财产损失、人员伤亡将不可估量，在2013年6月由全国人民代表大会常务委员会发布了《中华人民共和国特种设备安全法》，这是中国第一次对特种设备实施立法，足以可见国家对特种设备质量的重视。设备是由各种材料组合而成，随之带来的技术支撑“高温耐蚀合金”---在石油化工设备中的应用开始日益广泛。
1 应用需求
镍基耐蚀合金也叫做特种的不锈钢，是一种高合金不锈钢，加入了高含量的镍、铬、钼等，在耐高温或者耐腐蚀的性能上，是普通的304、316L等奥氏体不锈钢不可比拟的，尤其是对于如今工业领域推出越来越多更高层次的项目，对于不锈钢的档次需求必然也越来越高，而镍基合金在特定温度及介质下就是最佳的耐高温抗腐蚀材料。
在1985年，由中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会联合发布了第一版关于镍基耐蚀合金的标准“GB/T5235-2007”《加工镍及镍合金 化学成分和产品形状》，于2007年进行了第二次更新，发布了第二版“GB/T5235-2007”《加工镍及镍合金化学成分和产品形状》标准，随之在2010年发布“GB/T25951-2010”镍及镍合金的相关术语和定义，我国对于镍基合金的标准颁布年限很短，仅是在近10年随着镍基耐蚀合金的广泛应用才有了更多标准的规范更新。
镍基耐蚀合金按照主要性能可分为镍基耐热合金、耐磨合金、耐蚀合金、精密合金、形状记忆合金，从而开发出各种不同性能的镍基材料牌号，比如：Ni-Cu合金、Ni-Mo合金、Ni-Cr合金、Ni-Cr-Mo-Cu合金等。其中，Ni-Cu合金在还原性介质中耐蚀性优于镍，而在氧化性介质中耐蚀性又优于铜，在无氧和氧化剂的条件下，是耐高温氟气、氟化氢和氢氟酸最好的材料。我国在第二版“GB/T5235-2007”《加工镍及镍合金 化学成分和产品形状》标准中才新增NCu30合金牌号，等同于ASTM牌号N04400，也称为Monel400镍铜合金。
2 应用现状
镍铜合金（Monel400）在国外生产其实已应用多年，但由于材料成本、工艺制造等因素，国内镍铜合金应用仍不算普及，目前主要应用于炼油、制碱、烷基苯、氟化工、原子能、石油机械、精细化工、化肥等领域的设备及部件之中，这些行业使用的设备大都属于特种设备范畴之内的压力容器，压力管道，工作压力均远远超过0.1Mpa，盛装介质大多是最高工作温度高于或者等于其标准沸点的各种强酸强碱，且主要划分至危险系数更高的第三类压力容器，或是第1类压力管道。尤其在化工行业对于这些数量庞大的压力容器，或是距离较长的压力管道，如果设备使用寿命缩短，设备检修周期延长，非计划的停车次数增加，安全监督检验机构的定期检验频次增加，从经济上来说，所带来的设备维修费用、停工损失费用成倍增加，从安全性角度出发，也必须考虑其使用设备的安全稳定耐用长久。Monel400镍铜合金就是一种已经证明过的在压力容器、压力管道行业氟介质中广泛使用的最具有优异耐腐蚀性能的特殊材料，在中高温的强酸、强碱中也表现出较好的耐腐蚀效果，如图是与典型的普通不锈钢316L腐蚀效果对比图：
从图中就可清晰看出Monel400镍铜合金在强酸、强碱，尤其在氟介质中具有极佳的耐腐蚀性，因此，若是碰到氟类介质，在成本可控的前提下，对于特种设备中的压力容器、压力管道的材料选用，Monel400镍铜合金将是最优的选择。
3 应用实例
在实际生产应用中，对于Monel400镍铜合金，一般压力容器采用的筒体材料为复合板结构，即基体采用经济成本相对较低的碳钢，覆盖层采用Monel400镍铜合金，或是法兰使用不锈钢或碳钢，贴面衬环采用Monel400
镍铜合金，或是连接的压力管道、换热器用换热管采用Monel400镍铜合金。具体的应用实例如下：
在压力管道方面， 1000万吨炼油项目异构化装置工程输送介质为烃类压力管道采用设计温度61℃，设计压力1.6Mpa，规格为φ88.9x5.49mm，Monel400合金管材进行焊接对接连接；江苏省特种设备安全监督检验研究院泰州分院监督检验的一化工企业新建项目，使用设计压力1.6Mpa，设计温度450℃，管内介质为高纯氧，规格为φ114.30x6.02mm的Monel400合金压力管道进行焊接连接；还有一些压力容器用接管也使用Monel400镍铜合金，如一台洗涤塔，筒体材料为Q345R，气体入口接管材料为Monel400合金，工作介质为少量氢、NaOH（10%），将接管Monel400合金与Q345R筒体进行异种钢的焊接连接。
在压力容器方面，某氟化铝企业制造一台氟化氢加热器，如图所示，内筒外带夹套，属于立式第三类压力容器，夹套材料为Q345R，内筒材料为Monel400合金，盛装介质为氢氟酸（HF），其中涉及到Monel400合金对接焊缝连接，与Q345R异种的焊缝连接。
还有一些压力管道、压力容器大量使用的设备法兰，管法兰，常常采用衬环法兰结构，低合金钢（法兰）加Monel400（衬环），低合金钢保证基体强度，Monel400镍铜合金保证外部介质侵蚀的抗腐蚀性能。
4 应用前景
通过以上具体实例的应用，在特种设备压力容器、压力管道的生产制造过程中，不可避免的使用各种焊接方法、运用各种焊接材料，对其结构进行焊接的连接方式。国内外文献已经研究了不少的Monel400镍铜合金基体，已经证明了该材料在氟介质中优异的耐腐蚀性能，随着经济不断发展，我国内近年也更新了镍基合金的国家标准规范，新增了Monel400镍铜合金牌号，但是在特种设备压力容器、压力管道领域，Monel400镍铜合金没有明确详细的技术标准进行监督检验，没有可推荐性的焊接工艺评定作为参考依据，对于Monel400镍铜合金的对接焊接工艺、焊缝组织，采用焊条手工焊、钨极氩弧焊方法，也仅有“GB/T15620-2008”镍及镍合金焊丝，“GB/T13814-2008”镍及镍合金焊条两份国家标准作为推荐性标准，与异种钢碳钢的焊接工艺，也没有相关的国家标准技术规范，说明尤其在国内，对于Monel400镍铜合金的焊接没有进行过深入的研究分析，得不出足够让人信服的数据形成标准规范，还仅是处于发展的阶段之中。
5 分析与总结
随着经济的不断发展，对于设备的稳定性要求也越来越高，设计更多的会抛开经济成本因素，考虑材料的可靠性，对于Monel400镍铜合金在特种设备的应用从宏观考虑仍属于少数，如果能抓住典型焊接方法以及典型焊接材料进行系统性的研究分析，焊接工艺的日益成熟以及稳定，对于今后Monel400镍铜合金在特种设备压力容器、压力管道中的应用会更加普及。
论文作者:路言
论文发表刊物:《基层建设》2017年第32期
论文发表时间:2018/1/20
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