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不鏽鋼材料能否替代鎳合金？

日期：2024-07-12 09:37

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摘要： 不鏽鋼材料能否替代鎳合金？ 許多設計師對於*苛刻的應用默認地選擇鎳合金， 例如：板式換熱器 (PHE)、接觸海水的管道和泵，以及用於化工、石化和紙漿造紙工業(yè)的設備。他們的理由是鎳合金在苛刻腐蝕環(huán)境中具有**的耐腐蝕性能。然而這可能並不是*好的解決方案，鎳基合金很貴。他們想到了選擇不鏽鋼Ultra 654 SMO，能夠提供與鎳合金625相當的性能，但是節約了30%-40%的成本，並且價(jià)格穩定。 <o:p></o:p> Ultra 654 SMO化學(xué)成分的特征是它含有耐局部腐蝕性能非常重要的合金元素，如：鉻（Cr）、鉬(Mo)和特彆重要的氮（N）。這使得它耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的性能都優(yōu)於合金625。這還不是全部，Ultra 654 SMO比普通奧氏體不鏽鋼和耐腐蝕鎳合金更強，同時(shí)具有與常規奧氏體合金相當的成形性能。<o:p></o:p> 價(jià)格比較<o:p></o:p> 在定價(jià)方麵，Ultra 654 SMO 介於 316L 和合金625 之間。以 316L 作為基準，如表 1 所示，很明顯，Ultra 654 SMO 比合金 625 便宜得多，同時(shí)可提供相當的性能。<o:p></o:p> 由於較低的 Ni 和 Mo 含量，更好的價(jià)格穩定性<o:p></o:p> Ultra 654 SMO 的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它提供比合金 625 更好的價(jià)格穩定性，因為它的鎳和鉬成分百分比較低，鎳和鉬容易受到商品價(jià)格變化的影響（見(jiàn)表2）。<o:p></o:p> 較低的密度是一個(gè)重要的附帶好處<o:p></o:p> 表 3 中顯示的物理特性表明， Ultra 654 SMO 的密度8.0 kg/dm3低於合金 625的密度8.5 kg/dm3。這種差異可能看起來(lái)並不大，但是由於不鏽鋼和鎳合金是按噸購買(mǎi)的，在購買(mǎi)大量材料時(shí)噸位減少6%，這通常直接轉化為可觀(guān)的成本節約。<o:p></o:p> Ultra 654 SMO 的較低密度也意味著(zhù)整個(gè)係統更輕，便於搬運和安裝，這對於海底和海上結構尤其重要。<o:p></o:p> 強度更高，規格更薄，重量減輕更多<o:p></o:p> 表 4 顯示 Ultra 654 SMO 比合金625 更強。這意味著(zhù)可以使用更薄的規格製造組件，從而減輕重量和成本。<o:p></o:p> 易於製造<o:p></o:p> r值，也稱(chēng)為塑性應變比，是材料具有良好拉伸性能的重要指標。r 值越高越好。此外，測量不同拉伸方向的r 值顯示了板材在成型過(guò)程中如何承受變薄。<o:p></o:p> Ultra 654 SMO 在不同方向上顯示出出色的 r 值，如圖 1 所示。這使其非常適合壓製組件，例如 板式換熱器的板片。該材料還具有與其他奧氏體牌號相似的變形硬化率。<o:p></o:p> Ultra 654 SMO 也適用於熱加工。為保持其機械性能，熱加工後應在至少 1,150 °C 的溫度下進(jìn)行淬火，以去除熱加工操作過(guò)程中形成的金屬間相。<o:p></o:p> 對於常用的焊接工藝，Ultra 654 SMO 具有良好的可焊性。 <o:p></o:p> 與所有奧氏體不鏽鋼一樣，Ultra 654 SMO 加工硬化很快。這一點(diǎn)，連同其高韌性，意味著(zhù)從加工角度來(lái)看，它在車(chē)削、銑削和鑽孔等操作中具有挑戰性。但是，隻要選擇正確的刀具、刀具設置和切削速度，就可以成功加工。<o:p></o:p> 耐腐蝕性能<o:p></o:p> Ultra 654 SMO 具有非常好地抗均勻腐蝕的能力、優(yōu)異的抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕 (PRE 56) 以及非常好的抗應力腐蝕開(kāi)裂。實(shí)驗室測試結果表明，Ultra 654 SMO 在某些氯化物環(huán)境中的耐腐蝕性能高於合金625、與 C-276 相似。<o:p></o:p> 對於耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的相對性能，通過(guò)使用以不同方式測定的臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）和縫隙腐蝕溫度（CCT）來(lái)說(shuō)明。技術(shù)標準有：ASTM G48E (CPT)、ASTM G48F(CCT) 和ASTM G150 (CPT)。用120目砂紙乾磨表麵製備試件，表5 列出了CPT和CCT測試的結果。<o:p></o:p> 用320目砂紙乾磨表麵製備試件，表6列出了根據ASTM G150 測定的CPT結果。<o:p></o:p> 替代鈦的應用<o:p></o:p> 雖然我們主要關(guān)注 Ultra 654 SMO 作為合金 625 的替代品，但應該注意的是在某些應用中，尤其是熱交換器，它也可以作為一種有效和有成本效益的鈦的替代品。<o:p></o:p> 事實(shí)上，它在任何暴露於氟離子的應用中都優(yōu)於鈦，因為氟離子對鈦有害。<o:p></o:p> 現場(chǎng)測試<o:p></o:p> Ultra 654 SMO 已在各種應用中獲得了廣泛的現場(chǎng)測試經(jīng)驗。<o:p></o:p> 板式換熱器<o:p></o:p> 對暴露於鹽度為 3.3%-3.6% 的北海海水中的板式換熱器進(jìn)行了重要的現場(chǎng)測試。參見(jiàn)圖 2。測試是在 45、50、60和 70 °C 下進(jìn)行的，在3 個(gè)月內施加2ppm連續氯化。在 45 °C 時(shí)，254 SMO 出現縫隙腐蝕，而C276 出現淺的縫隙腐蝕和過(guò)鈍化腐蝕。相比之下，Ultra 654 SMO 在 70 °C 下可耐縫隙腐蝕。<o:p></o:p> 冷凝管<o:p></o:p> 約94,000米Ultra 654 SMO焊管（外徑24 x 0.7 x 7.815 mm）*早用於1995年，用於替換瑞典Forsmark 1 和 2 核電站的鈦冷凝器管，如圖 3 所示。<o:p></o:p> 緊隨其後的是瑞典 Ringhals 的 56,000米鋼管和芬蘭TVO的 58,000米鋼管。這些裝置安裝的冷凝器鋼管總共超過(guò)200公裡。<o:p></o:p> 製藥廠(chǎng)<o:p></o:p> 製藥廠(chǎng)的通風(fēng)係統可能會(huì )暴露在腐蝕性很強的氣體中，例如氯化氫。在該工廠(chǎng)中測試了多種活性物質(zhì)，包括 pH 值範圍為 0 到 14 的含氯化物溶液。測試結果完全令人滿(mǎn)意。<o:p></o:p> 煙氣脫硫<o:p></o:p> Babcock Noells 在 2017 年為吸收塔選擇了 Ultra 654 SMO 鋼板。<o:p></o:p> Ultra 654 SMO 還為船用煙氣脫硫裝置的洗滌器入口提供了良好的耐腐蝕性能。作為熱煙氣的入口處，這是一個(gè)特彆苛刻的應用。<o:p></o:p> 傳統上，Alloy 31 一直是優(yōu)選材料。它是一種添加了氮的鐵鎳鉻鉬合金。這填補了特殊合金奧氏體不鏽鋼和鎳合金之間的空白。然而，Ultra 654 SMO 比Alloy 31 具有更高的機械強度。如果入口的設計能夠利用這種更高的強度，那麼它可以減輕15% 到 25% 的重量。此外，Ultra 654 SMO 較低的鎳含量也使其具有成本效益且價(jià)格更穩定。<o:p></o:p> 垃圾焚燒<o:p></o:p> 由於垃圾中含有 PVC 和 PTFE 等塑料，城市垃圾焚燒廠(chǎng)的煙氣可能含有氯化氫和氟化氫。<o:p></o:p> 1995年，比利時(shí)澤布呂赫的一座城市垃圾焚燒廠(chǎng)安裝了一臺由 Ultra 654 SMO 鋼板製成的洗滌器。*具腐蝕性區域的使用條件包括 pH 0.5、80 °C 的溫度和35,000 ppm 的氯化物。**次檢查是在連續服務(wù)近15 個(gè)月後停機時(shí)進(jìn)行的，發(fā)現洗滌器處於良好狀態(tài)。<o:p></o:p> 溶劑回收<o:p></o:p> 在某些過(guò)程中從空氣中回收溶劑時(shí)，它們會(huì )被捕獲在活性炭過(guò)濾器中。飽和後，過(guò)濾器用100-120 °C 的蒸汽反衝洗，蒸汽冷凝溶劑混合物隨後冷卻並分離。<o:p></o:p> 在這個(gè)過(guò)程中，氯化物或鹽酸會(huì )導致過(guò)濾器的不鏽鋼外殼腐蝕。據報道，當溶劑為二氯甲烷時(shí)，316L在使用很短的時(shí)間後會(huì )發(fā)生嚴重腐蝕。<o:p></o:p> Ultra 654 SMO 在該工藝中的**工業(yè)應用是 1992 年在英國普利茅斯的一家工廠(chǎng)的兩個(gè)活性炭過(guò)濾器。<o:p></o:p> 紙漿漂白<o:p></o:p> 造紙工業(yè)中的紙漿漂白使設備暴露於強氧化性和含氯化物的溶液中，有時(shí)在低 pH 值下。比較材料選擇，傳統不鏽鋼牌號在基於氯/二氧化氯的漂白過(guò)程中容易受到點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕，但對基於過(guò)氧化物的漂白具有抵抗力。鈦耐氯/二氧化氯，但在過(guò)氧化物溶液中容易受到均勻腐蝕。鎳基合金耐過(guò)氧化物，但在二氧化氯溶液中會(huì )發(fā)生過(guò)鈍化均勻腐蝕。<o:p></o:p> 作為一種鐵基合金，Ultra 654 SMO 可抵抗過(guò)氧化物中的均勻腐蝕和二氧化氯中的過(guò)鈍化腐蝕。它還具有非常高的抗點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕能力。這種組合使其成為漂白廠(chǎng)設備組件的理想材料。<o:p></o:p> 使用 654 SMO 的一個(gè)例子是瑞典紙漿廠(chǎng) D 級漂白塔中的噴嘴，取代了僅持續4 周的 316L。環(huán)境中含有 3,000 ppm 二氧化氯，pH 值為 3–3.5，溫度為 70 °C。它還被用於加拿大、美國和印度尼西亞工廠(chǎng)的D 級過(guò)濾器洗滌器。<o:p></o:p> 苛刻環(huán)境的理想選擇<o:p></o:p> 作為合金 625 的替代品，Ultra 654 SMO 的多種優(yōu)勢和特性包括：<o:p></o:p> ? **的耐腐蝕性，使其非常適合高溫、高氯化物含量和低 pH 值的苛刻環(huán)境。 其主要應用包括熱交換器、管道和泵。<o:p></o:p> ? Ultra 654 SMO 是一種**成本效益的鎳基合金替代品，尤其是對合金625，可節省 30%-40% 的潛在成本。<o:p></o:p> ? 較低的合金含量使 Ultra 654 SMO 的價(jià)格更加穩定。<o:p></o:p> ? 較低的密度可節省材料成本並減輕成品結構的重量，以便於搬運和安裝。<o:p></o:p> ? Ultra 654 SMO 具有良好的機械性能和成型性。<o:p></o:p> ? Ultra 654 SMO 可提供*大寬度為 1,000 mm和厚度為 0.5mm~6 mm的卷材和板材。<o:p></o:p>

不鏽鋼材料能否替代鎳合金？

許多設計師對於*苛刻的應用默認地選擇鎳合金，例如：板式換熱器 (PHE)、接觸海水的管道和泵，以及用於化工、石化和紙漿造紙工業(yè)的設備。他們的理由是鎳合金在苛刻腐蝕環(huán)境中具有**的耐腐蝕性能。然而這可能並不是*好的解決方案，鎳基合金很貴。他們想到了選擇不鏽鋼Ultra 654 SMO，能夠提供與鎳合金625相當的性能，但是節約了30%-40%的成本，並且價(jià)格穩定。

Ultra 654 SMO化學(xué)成分的特征是它含有耐局部腐蝕性能非常重要的合金元素，如：鉻（Cr）、鉬(Mo)和特彆重要的氮（N）。這使得它耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的性能都優(yōu)於合金625。這還不是全部，Ultra 654 SMO比普通奧氏體不鏽鋼和耐腐蝕鎳合金更強，同時(shí)具有與常規奧氏體合金相當的成形性能。

價(jià)格比較

在定價(jià)方麵，Ultra 654 SMO 介於 316L 和合金625 之間。以 316L 作為基準，如表 1 所示，很明顯，Ultra 654 SMO 比合金 625 便宜得多，同時(shí)可提供相當的性能。

由於較低的 Ni 和 Mo 含量，更好的價(jià)格穩定性

Ultra 654 SMO 的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它提供比合金 625 更好的價(jià)格穩定性，因為它的鎳和鉬成分百分比較低，鎳和鉬容易受到商品價(jià)格變化的影響（見(jiàn)表2）。

較低的密度是一個(gè)重要的附帶好處

表 3 中顯示的物理特性表明， Ultra 654 SMO 的密度8.0 kg/dm3低於合金 625的密度8.5 kg/dm3。這種差異可能看起來(lái)並不大，但是由於不鏽鋼和鎳合金是按噸購買(mǎi)的，在購買(mǎi)大量材料時(shí)噸位減少6%，這通常直接轉化為可觀(guān)的成本節約。

Ultra 654 SMO 的較低密度也意味著(zhù)整個(gè)係統更輕，便於搬運和安裝，這對於海底和海上結構尤其重要。

強度更高，規格更薄，重量減輕更多

表 4 顯示 Ultra 654 SMO 比合金625 更強。這意味著(zhù)可以使用更薄的規格製造組件，從而減輕重量和成本。

易於製造

r值，也稱(chēng)為塑性應變比，是材料具有良好拉伸性能的重要指標。r 值越高越好。此外，測量不同拉伸方向的r 值顯示了板材在成型過(guò)程中如何承受變薄。

Ultra 654 SMO 在不同方向上顯示出出色的 r 值，如圖 1 所示。這使其非常適合壓製組件，例如板式換熱器的板片。該材料還具有與其他奧氏體牌號相似的變形硬化率。

Ultra 654 SMO 也適用於熱加工。為保持其機械性能，熱加工後應在至少 1,150 °C 的溫度下進(jìn)行淬火，以去除熱加工操作過(guò)程中形成的金屬間相。

對於常用的焊接工藝，Ultra 654 SMO 具有良好的可焊性。

與所有奧氏體不鏽鋼一樣，Ultra 654 SMO 加工硬化很快。這一點(diǎn)，連同其高韌性，意味著(zhù)從加工角度來(lái)看，它在車(chē)削、銑削和鑽孔等操作中具有挑戰性。但是，隻要選擇正確的刀具、刀具設置和切削速度，就可以成功加工。

耐腐蝕性能

Ultra 654 SMO 具有非常好地抗均勻腐蝕的能力、優(yōu)異的抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕 (PRE 56) 以及非常好的抗應力腐蝕開(kāi)裂。實(shí)驗室測試結果表明，Ultra 654 SMO 在某些氯化物環(huán)境中的耐腐蝕性能高於合金625、與 C-276 相似。

對於耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的相對性能，通過(guò)使用以不同方式測定的臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）和縫隙腐蝕溫度（CCT）來(lái)說(shuō)明。技術(shù)標準有：ASTM G48E (CPT)、ASTM G48F(CCT) 和ASTM G150 (CPT)。用120目砂紙乾磨表麵製備試件，表5 列出了CPT和CCT測試的結果。

用320目砂紙乾磨表麵製備試件，表6列出了根據ASTM G150 測定的CPT結果。

替代鈦的應用

雖然我們主要關(guān)注 Ultra 654 SMO 作為合金 625 的替代品，但應該注意的是在某些應用中，尤其是熱交換器，它也可以作為一種有效和有成本效益的鈦的替代品。

事實(shí)上，它在任何暴露於氟離子的應用中都優(yōu)於鈦，因為氟離子對鈦有害。

現場(chǎng)測試

Ultra 654 SMO 已在各種應用中獲得了廣泛的現場(chǎng)測試經(jīng)驗。

板式換熱器

對暴露於鹽度為 3.3%-3.6% 的北海海水中的板式換熱器進(jìn)行了重要的現場(chǎng)測試。參見(jiàn)圖 2。測試是在 45、50、60和 70 °C 下進(jìn)行的，在3 個(gè)月內施加2ppm連續氯化。在 45 °C 時(shí)，254 SMO 出現縫隙腐蝕，而C276 出現淺的縫隙腐蝕和過(guò)鈍化腐蝕。相比之下，Ultra 654 SMO 在 70 °C 下可耐縫隙腐蝕。

冷凝管

約94,000米Ultra 654 SMO焊管（外徑24 x 0.7 x 7.815 mm）*早用於1995年，用於替換瑞典Forsmark 1 和 2 核電站的鈦冷凝器管，如圖 3 所示。

緊隨其後的是瑞典 Ringhals 的 56,000米鋼管和芬蘭TVO的 58,000米鋼管。這些裝置安裝的冷凝器鋼管總共超過(guò)200公裡。

製藥廠(chǎng)

製藥廠(chǎng)的通風(fēng)係統可能會(huì )暴露在腐蝕性很強的氣體中，例如氯化氫。在該工廠(chǎng)中測試了多種活性物質(zhì)，包括 pH 值範圍為 0 到 14 的含氯化物溶液。測試結果完全令人滿(mǎn)意。

煙氣脫硫

Babcock Noells 在 2017 年為吸收塔選擇了 Ultra 654 SMO 鋼板。

Ultra 654 SMO 還為船用煙氣脫硫裝置的洗滌器入口提供了良好的耐腐蝕性能。作為熱煙氣的入口處，這是一個(gè)特彆苛刻的應用。

傳統上，Alloy 31 一直是優(yōu)選材料。它是一種添加了氮的鐵鎳鉻鉬合金。這填補了特殊合金奧氏體不鏽鋼和鎳合金之間的空白。然而，Ultra 654 SMO 比Alloy 31 具有更高的機械強度。如果入口的設計能夠利用這種更高的強度，那麼它可以減輕15% 到 25% 的重量。此外，Ultra 654 SMO 較低的鎳含量也使其具有成本效益且價(jià)格更穩定。

垃圾焚燒

由於垃圾中含有 PVC 和 PTFE 等塑料，城市垃圾焚燒廠(chǎng)的煙氣可能含有氯化氫和氟化氫。

1995年，比利時(shí)澤布呂赫的一座城市垃圾焚燒廠(chǎng)安裝了一臺由 Ultra 654 SMO 鋼板製成的洗滌器。*具腐蝕性區域的使用條件包括 pH 0.5、80 °C 的溫度和35,000 ppm 的氯化物。**次檢查是在連續服務(wù)近15 個(gè)月後停機時(shí)進(jìn)行的，發(fā)現洗滌器處於良好狀態(tài)。

溶劑回收

在某些過(guò)程中從空氣中回收溶劑時(shí)，它們會(huì )被捕獲在活性炭過(guò)濾器中。飽和後，過(guò)濾器用100-120 °C 的蒸汽反衝洗，蒸汽冷凝溶劑混合物隨後冷卻並分離。

在這個(gè)過(guò)程中，氯化物或鹽酸會(huì )導致過(guò)濾器的不鏽鋼外殼腐蝕。據報道，當溶劑為二氯甲烷時(shí)，316L在使用很短的時(shí)間後會(huì )發(fā)生嚴重腐蝕。

Ultra 654 SMO 在該工藝中的**工業(yè)應用是 1992 年在英國普利茅斯的一家工廠(chǎng)的兩個(gè)活性炭過(guò)濾器。

紙漿漂白

造紙工業(yè)中的紙漿漂白使設備暴露於強氧化性和含氯化物的溶液中，有時(shí)在低 pH 值下。比較材料選擇，傳統不鏽鋼牌號在基於氯/二氧化氯的漂白過(guò)程中容易受到點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕，但對基於過(guò)氧化物的漂白具有抵抗力。鈦耐氯/二氧化氯，但在過(guò)氧化物溶液中容易受到均勻腐蝕。鎳基合金耐過(guò)氧化物，但在二氧化氯溶液中會(huì )發(fā)生過(guò)鈍化均勻腐蝕。

作為一種鐵基合金，Ultra 654 SMO 可抵抗過(guò)氧化物中的均勻腐蝕和二氧化氯中的過(guò)鈍化腐蝕。它還具有非常高的抗點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕能力。這種組合使其成為漂白廠(chǎng)設備組件的理想材料。

使用 654 SMO 的一個(gè)例子是瑞典紙漿廠(chǎng) D 級漂白塔中的噴嘴，取代了僅持續4 周的 316L。環(huán)境中含有 3,000 ppm 二氧化氯，pH 值為 3–3.5，溫度為 70 °C。它還被用於加拿大、美國和印度尼西亞工廠(chǎng)的D 級過(guò)濾器洗滌器。

苛刻環(huán)境的理想選擇

作為合金 625 的替代品，Ultra 654 SMO 的多種優(yōu)勢和特性包括：

? **的耐腐蝕性，使其非常適合高溫、高氯化物含量和低 pH 值的苛刻環(huán)境。其主要應用包括熱交換器、管道和泵。

? Ultra 654 SMO 是一種**成本效益的鎳基合金替代品，尤其是對合金625，可節省 30%-40% 的潛在成本。

? 較低的合金含量使 Ultra 654 SMO 的價(jià)格更加穩定。

? 較低的密度可節省材料成本並減輕成品結構的重量，以便於搬運和安裝。

? Ultra 654 SMO 具有良好的機械性能和成型性。

? Ultra 654 SMO 可提供*大寬度為 1,000 mm和厚度為 0.5mm~6 mm的卷材和板材。

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不鏽鋼材料能否替代鎳合金？