Hastelloy C-276 合金管材冷作彎管工法分析與評估 (Analysis and Evaluation of Cold Bending Methods for Hastelloy C-276 Alloy Piping/Tubing)

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摘要

 

Hastelloy C-276 (UNS N10276) 作為一種高鎳-鉻-鉬-鎢合金，以其在極端腐蝕環境中的卓越性能，廣泛應用於化工、石化、核能及污染控制等核心產業的管路系統 。針對 C-276 合金管材的冷作彎管作業進行了全面的工藝分析與性能評估，旨在探討材料固有的高加工硬化特性對成形工藝的影響，以及如何透過精確的工藝參數控制、專用工具的使用、嚴格的污染預防，以及關鍵的固溶退火處理，來確保彎管組件在服役環境中維持最佳的耐應力腐蝕開裂 (SCC) 能力 。研究涵蓋了材料學基礎、冷成形力學、缺陷控制、熱處理要求及品質檢測標準，為 C-276 合金在關鍵應用中的冷彎管製造提供理論依據和工程指導。

 

1. 緒論

 

鎳基合金因其在極端條件下的耐久性，在工業中佔據了關鍵地位 。C-276 合金因其獨特的化學配比，尤其是在含氯化氫（HCl）、硫化氫（H₂S）等腐蝕性氣體的嚴苛環境（如焚化爐和煙氣脫硫設備）中的出色表現而備受青睞 。在這些應用中，熱交換器和管路系統常需要進行複雜的彎曲成形以適應設計佈局 1。相較於熱成形，冷作彎管作業能提高生產效率並維持更精確的尺寸公差，但同時也會對合金的機械性能及耐腐蝕性帶來顯著的影響，必須嚴格評估並控制 。

 

2. C-276 合金的材料學基礎

 

2.1 化學成分與耐蝕機理

C-276 合金的耐蝕性基於高含量的鎳 (約 57%)、鉬 (15–17%)、鉻 (14.5–16.5%) 及鎢 (3–4.5%) 。

  • 低碳含量特性： 碳含量極低（通常小於01%）。此特性成功抑制了在焊接熱影響區 (HAZ) 形成晶界碳化物析出物，使合金在焊接狀態下仍能保持優異的耐腐蝕性，避免晶間腐蝕的風險 。
  • 鉬與鉻的作用： 鉻賦予合金對氧化性環境的抵抗力，而高含量的鉬和鎢則顯著增強了對還原性酸性介質（如鹽酸、硫酸）的抵抗能力，同時極大提高了對點蝕和縫隙腐蝕的抵抗能力 。C-276 在高溫氯化物溶液下對 SCC 具有卓越的抵抗力 3。

 

2.2 機械性能與冷作硬化行為

C-276 合金在退火狀態下展現出優良的延展性，但其加工硬化速率遠高於多數奧氏體不銹鋼 。

表 1. C-276 合金典型機械性能（退火狀態）

 

性能 數值 單位 參考
抗拉強度 (Tensile Strength) 690 N/mm² (MPa) 5
屈服強度 (Yield Strength, 0.2% Offset) 283 N/mm² (MPa) 5
延伸率 (Elongation) ≥40 %
彈性模量 (Elastic Modulus) 205 GPa

 

冷作硬化機制： 由於 C-276 具有快速加工硬化的傾向 ，導致冷彎管作業必須考量以下因素：

  1. 成形力需求： 達到相同的冷變形量，C-276 需要比奧氏體不銹鋼施加更大的力量 。
  2. 回彈效應 (Springback)： 由於合金較高的屈服強度和應力水平 ，冷成形後的彈性應力釋放（回彈）更為顯著，需要對工具或彎曲角度進行精確補償以確保尺寸精度 。
  3. 多道次成形與中間退火： 對於要求高度變形的複雜彎曲，為防止開裂並達到最終形狀，應建議進行一系列連續成形操作，且每道成形後需伴隨中間退火處理以恢復延展性 3。

 

3. 冷彎管成形工法與缺陷控制

 

3.1 彎曲工藝參數與建議

C-276 管材可利用標準管材彎曲設備進行冷彎成形 。

  • 最小彎曲半徑： 從管中心線測量，大多數彎曲操作建議最小彎曲半徑為管徑的三倍 (3D) 。在特定的管徑和壁厚組合下，亦可嘗試達到兩倍管徑 (2D) 的彎曲半徑 。
  • 加工方法： 由於材料對加工硬化敏感，在後續機械加工中，建議採用「低切削速度和重進刀」以有效地切入已冷作硬化的表層之下 8。
  • 潤滑劑： 對於精細的芯棒彎管作業（如採用最小量潤滑 MQL），推薦使用透明、無油、低粘度的專業潤滑劑 。

 

3.2 工具與環境要求

在加工鎳基合金時，必須採取嚴格的污染控制措施，以維護材料的耐蝕性能 8。

  • 專用工具： 必須使用鎳基合金或鎳鉻鋼的專用工具。例如，鋼絲刷必須採用不銹鋼材料製成，嚴禁使用可能導致鐵污染的碳鋼工具 8。
  • 場地隔離： 冷加工區域應與碳鋼等材料的加工區域分開，保持清潔，以避免交叉污染 8。

 

3.3 典型成形缺陷

彎管過程中，若參數控制不當，易產生影響結構完整性的缺陷 10。

  • 缺陷類型： 主要包括皺褶不穩定性 (wrinkling instability)、管壁過度減薄 (over thinning) 和橫截面扭曲 (cross-section distortion) 11。
  • 回彈： 回彈是影響最終幾何形狀精度的關鍵因素，需要通過精確預測和補償來控制 。

 

4. 成形後性能完整性與熱處理

 

冷加工在合金中引入的殘餘應力和晶格缺陷是潛在的弱點，特別是在應力腐蝕開裂 (SCC) 環境中 。

 

4.1 固溶退火在應力緩解中的作用

高程度冷加工會降低 C-276 合金對 SCC 的抵抗力 。

  • 最終熱處理： 為了最大限度地恢復材料的最佳性能，尤其是在嚴苛的腐蝕環境中抵抗 SCC 和局部腐蝕的能力，建議在連續成形操作結束後，進行最終固溶退火處理 1。
  • 退火條件： 標準固溶熱處理溫度約為 2050°F (1121°C) ，隨後應進行水淬或快速冷卻 。
  • 應力消除： 不建議進行 1200°F (650°C) 範圍的焊後應力消除 (PWHT)，因為這可能影響材料性能；若需熱處理，應採用高溫固溶退火 。

 

4.2 低度冷作例外

對於冷加工變形程度極低（外纖維伸長率約小於 7% 至 10%）的部件，通常不建議進行退火 6。這是因為在低應變下進行退火，可能導致異常晶粒生長，產生表面「橘皮效應」 (orange peel) 6。

 

5. 品質保證與適用標準

 

5.1 無損檢測方法 (NDT)

彎管成形後的無損檢測是驗證產品品質和結構完整性的必要環節 11。

  • 檢測焦點： NDT 旨在識別成形過程中產生的缺陷，如壁厚過度減薄、開裂和皺褶 11。
  • 常用方法：
    • 超聲波檢測 (UT)： 適用於檢測表面及次表面不連續性，尤其對壓力容器等關鍵部件有效，且無輻射安全疑慮 。
    • 渦流檢測 (ECT)： 適用於導電材料，可有效檢測壁厚損失，如腐蝕或成形導致的減薄 。
    • 液體滲透檢測 (PT)： 用於檢測管材的表面開口不連續性 。
    • 射線照相檢測 (RT)： 可用於檢查銲件和組件內部缺陷，但涉及輻射安全管理 。

 

5.2 相關規範與應用限制

C-276 管材的製造和應用需符合嚴格的行業標準 12。

  • 管材標準： ASTM B622/ASME SB-622 (無縫管) 和 ASTM B626/ASME SB-626 (銲管) 12。
  • 尺寸標準： 適用於 ANSI/ASME B36.10 和19 12。
  • 壓力容器應用： C-276 (UNS N10276) 可用於符合 ASME 鍋爐和壓力容器規範（Section I, III, VIII, XII）的結構，其最高使用溫度限制為 1250°F (676°C) 。

 

6. 結論

 

Hastelloy C-276 合金管材的冷作彎管作業是可行的，但必須嚴密管理其高加工硬化的特性。成功實施的關鍵在於：

  • 應用比奧氏體不銹鋼更高的成形力並精確補償回彈
  • 對高應變變形採用多道次成形策略並搭配中間退火
  • 嚴格防止鐵污染
  • 在完成高程度冷加工後，必須進行最終固溶退火處理（約 2050°F / 1121°C，隨後快速冷卻），以消除殘餘應力，最大限度地恢復合金對應力腐蝕開裂 (SCC) 的抵抗力。

透過執行標準化的冷彎工法並結合適當的 NDT 檢測，可以確保 C-276 彎管組件在極端腐蝕環境中的長期穩定與安全服役。

參考文獻

  1. hastelloy c-276 technical data – High Temp Metals, https://www.hightempmetals.com/techdata/hitempHastC276data.php
  2. Springback – AHSS Guidelines, https://ahssinsights.org/forming/springback/
  3. HASTELLOY® C-276 alloy – Haynes International, https://haynesintl.com/wp-content/uploads/2024/08/c-276.pdf
  4. HASTELLOY® C276 Alloy Strip Coil | ASTM B575 – Elgiloy Specialty Metals, https://www.elgiloy.com/strip-hastelloy-alloy-c-276
  5. 哈氏合金c276耐腐蚀性, http://www.shkunpu.com/h-astelloy-alloy/c276/
  6. Cold-working – Haynes International, https://haynesintl.com/en/alloys/welding-and-fabrication/cold-working/
  7. Applicability of Hastelloy C-276(UNS N10276) Plate in ASME Code – Metals Piping, http://www.metalspiping.com/applicability-of-hastelloy-c-276-plate-in-asme-code.html
  8. Hastelloy C-276-上海康晟航材科技股份有限公司, http://www.kssuperalloy.com/product/Hastelloy-C-276-8.html
  9. Alloy C276 (Hastelloy®): Composition, Properties & Corrosion Resistance – NeoNickel, https://www.neonickel.com/technical-resources/hastelloy-c276
  10. “A Compilation of Special Topic Reports,” Waste Package Materials Performance Peer Review. – Nuclear Regulatory Commission, https://www.nrc.gov/docs/ML0401/ML040150676.pdf
  11. The interactive effects of wrinkling and other defects in thin-walled tube NC bending process, https://www.researchgate.net/publication/200775684_The_interactive_effects_of_wrinkling_and_other_defects_in_thin-walled_tube_NC_bending_process
  12. Hastelloy C276 Tube, Alloy C276 Seamless Tubing, N10276 Welded Tubo, https://www.metaltubeind.com/hastelloy-c276-tubes-supplier.html
  13. ASTM B622 UNS N10276 Hastelloy C276 Seamless Tube – Steel India Company, https://www.steelindiaco.net/hastelloy-alloy-c276-tube.html
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