镍铜合金（Monel400）制再生塔预热器腐蚀缺陷分析及安全评价

赵 鹏，张 茂

（南京市锅炉压力容器检验研究院，江苏 南京 210000）

1 概况

蒙乃尔(Mone1)合金是以镍为主、铜为辅的镍基合金，最早始于1906年，由美国国际镍公司开发，其典型成分约为70%Ni和30%Cu(wt%)，是镍基耐蚀合金中应用最广泛的一种合金，常用的Monel400(ASME牌号SB127 N04400)的化学成分见表1[1]。在我国相当于Ni—Cu合金(GB/T 2054—2013)[2]。具有易成型，易钎焊，易切削和具有良好的耐热、耐腐蚀等综合性能，因而受到工程界的广泛欢迎[3]。由于合金含Cu，故在非氧化性气氛下比纯N i更耐蚀，在氧化气氛下比纯Cu更耐蚀。在工程应用上具有悠久的历史，尤其是在化染、化工、船舶等领域[4]。

表1 蒙乃尔合金(SB127 N04400)化学成分（wt%）

蒙乃尔在化工中常用于氟化氢（氢氟酸）环境，氢氟酸中含有微量的水，其对金属材料的腐蚀类型属于电化学腐蚀，即阳极产生金属溶解，阴极析出氢。反应产物形成的氧化膜会阻止腐蚀，如果氧化膜与金属材料附着牢固，则氢氟酸对金属的腐蚀将降低。蒙乃尔对氢氟酸有较好的耐蚀性，20℃下，氢氟酸中水的质量分数为0.5%时，蒙乃尔材质氧化膜厚度约0.4mm，温度越高氧化膜厚度越厚，蒙乃尔材质在温度升高到149℃，氧化膜的致密度将下降，当氢氟酸中水的质量分数为超过0.5%时，对金属设备的腐蚀速率直线上升。

蒙乃尔400℃在60℃和100℃不同水含量下的腐蚀速率数据见表2，由表2可知，一定范围内，蒙乃尔合金的腐蚀速度随温度和水含量的升高而增大。

表2 蒙乃尔腐蚀速率mm/a

2 设备概况

某烷基化装置中一台再生塔预热器，2003年投入使用，壳程介质为热油，设计压力2.05Mpa，设计温度250℃，壳程筒体材料为16MnR（厚度10mm），管程介质为氟化氢（氢氟酸）、烃类，设计压力1.05Mpa，设计温度177℃，换热管为蒙乃尔（Monel400），换热管壁厚2mm；管箱及管板为16MnR复合蒙乃尔（复合板材料：基层为16MnR，复层Monel400，管箱厚度为：10mm+3mm，管板厚度30mm+3mm）。

该预热器为U型管换热器，管箱一侧为平盖（锻件），投入使用17年，于2020年8月进行定期检验，检验中将管箱平盖打开，管束从壳程筒体中抽出，对设备进行目视检查及壁厚测定，对焊缝进行必要的无损检测。

在检验中发现管板与管箱筒体焊缝处存在裂纹，且焊缝中多处存在“点蚀”，另有一根换热管已腐蚀穿孔，具体见图1～图3。

图1 焊缝处裂纹

图2 焊缝处点蚀

图3 换热管穿孔

3 腐蚀缺陷分析

3.1 缺陷原因分析

3.1.1 焊缝中多处存在“点蚀”

查阅设备存档资料，焊接记录显示，管板与管箱筒体焊缝存在蒙乃尔（Monel400）在16MnR上的堆焊工序，查阅设备工序流转卡发现，管板与管箱筒体需要在基层（16MnR）相焊，以保证焊缝强度，因此在制造时将复合板（管板及管箱）焊缝两侧的母材采用“剔边”手法去除复层，基层相焊后再堆焊，堆焊采用手工电弧焊（SMAW），焊材使用ENiCu-7。

该焊接方法的熔合比较大，焊缝金属中将掺杂一定比例的16MnR母材熔化金属，将提高Fe元素比例[5]，与腐蚀介质接触时，极易形成小阳极大阴极电池反应，造成“点蚀”，因此，控制堆焊层中的Fe元素含量是保证其耐蚀性的关键。

对该焊缝裂纹处进行光谱分析，结果显示Fe元素含量为9.8%（质量分数），证实以上分析。

3.1.2 焊缝存在裂纹

由于“点蚀”的存在，在焊接残余应力及结构不连续而产生的边界应力作用下，焊缝金属在“点蚀”部位被撕裂，从原理上分析，属于应力腐蚀的一种。

3.1.3 换热管腐蚀穿孔

询问使用单位，管程介质中含有一定量的水，将提高的管程的氧化性氛围，加剧了蒙乃尔的腐蚀。

3.2 处理方法

（1）对于裂纹部位打磨消除，使用ERNiCu-7焊丝，采用氩弧焊（GTAW）及较小的焊接参数，焊材选用ERNiCu-7，以产生较小的熔合比，保证焊缝金属的合金成分。

（2）“点蚀”做好记录及监测，观察“点蚀”的扩展情况；扩展不明显可不做处理，若明显扩展将整圈焊缝打磨，去除蒙乃尔复层后采用GTAW及较小的焊接参数进行堆焊。

（3）对腐蚀穿孔的换热管进行堵管。

（4）使用中控制管程的氟化氢含水量在工艺指标的范围内，要求使用单位严格按照规程进行操作，监控记录运行参数，定期分析含水率指标。

4 安全评价

较为准确的找到了缺陷产生的原因，对于危害性较大的缺陷（裂纹）进行打磨消除，并采用了较为适合的工艺进行堆焊；对于“点蚀”缺陷进行监控，该设备可以使用到下一检验周期。

5 结论

（1）设备已使用十余年，实践证明蒙乃尔材料是耐氟化氢（氢氟酸）腐蚀较好的材料。

（2）蒙乃尔材料与碳钢进行堆焊时，应充分考虑合金元素的稀释问题，尽可能采用熔合比较小的焊接方法及焊接参数，以保证焊缝金属的合金元素含量。

（3）蒙乃尔制设备在运行使用时应控制介质的含水率在正常运行指标范围内。