双相不锈钢在压力容器中的应用 (1)

第 5 1 卷第 5期 2 0 1 4年 1 0月 化工设备与管道 P R O C E S S E QU I P ME NT&P I P I NG 、 ， 0 1 51 No 5 0c t 2 01 4 双相不锈钢在压力容器中的应用 郑 宝 山 ( 中国昆仑工程公 司，北京1 0 0 0 3 7 ) 摘要双相不锈钢制压力容器设计制造技术，是我国压力容器建造标准中需要完善的部分。结合 多年来 双相不锈钢的设计使用经验，对双相不锈钢压力容器的设计、制造检验和验收提 出系统的技术要 求，供 双相不锈钢设备的设计 、制造参考。 关键词双相不锈钢；压力容器；设计制造；技术要求 中图分类号 ：T Q 0 5 0 4 ；T H 1 4 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 9 3 2 8 1( 2 0 1 4 )0 5 0 0 1 1 - 0 0 5 双相不锈钢是固溶状态铁素体相和奥氏体相大 约各占一半，兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢优点 于一身的特殊钢种。与传统的奥氏体不锈钢相比，双 相不锈钢耐氯化物应力腐蚀能力明显高于 3 0 0 系列的 奥氏体不锈钢，而且强度大大高于奥氏体不锈钢；与 铁素体不锈钢相比，双相不锈钢具有韧塑性好、抗腐 蚀能力强、焊接性能好等优点。由于双相不锈钢优秀 的抗腐蚀性能， 已经被广泛应用到石油化工、 天然气、 造纸、 化肥、 制盐、 能源环保、 食品、 海水环境等领域。 另一方面，双相不锈钢强度高，可以有效降低以强度 控制 的压力容器 的设计厚度 ；同时， 良好 的韧塑性 和 焊接性能 ，便于加工制造 ，因此 ，双 相不锈钢正在被 广泛地用于各种压力容器的建造。 我 国双相不锈钢的发展起步 比较晚，设备制造 方面尚处于研究发展阶段，还存在许多不成熟 的地 方 。在 G B 1 5 0 2 2 0 1 1 材 料篇 中给 出 了 3 种 双相 钢 材料，但是 ，并没有在 G B 1 5 0 4 2 0 1 1 制造篇 中给 出相应的制造要求 。近几年 ，一些科研院校在双相 不锈钢焊接方面进行了大量的研究 2 - 6 制造单位也 是更多地关注焊接工艺 7 - 1 0 由于缺少相应的设计制 造标准 ， 目前 国内双相不锈钢设备的制造质量 ，缺 乏 系统的、全面的控制，制造单位对质量的控制更多地 依赖于设计文件的要求。因此，本文根据多年来对双 相不锈钢的设计使用经验，对双相不锈钢压力容器的 设计、制造检验和验收提出系统的技术要求，供双相 不锈钢设备的设计、制造参考。 1 材料要求 1 1 化 学成分 双 相 不 锈 钢 的优 秀 特 点 主 要 基 于 材 料 中奥 氏 体和铁素体相的平衡 比例。一般认为相平衡比例在 3 0 7 0 时，可以获得 良好 的性 能，目前，双相 不锈钢材料 中铁素体和奥氏体大致各占一半，但由 于焊接和热加工等原因，通常铁素体的含量控制在 3 5 5 0 范 围内。从 F e C r - Ni 三元金相 图 中可 以 看出，镍和铬含量的微小变化都会带来双相不锈钢 中奥氏体和铁素体相平衡 比例 的明显变化。研究表 明，双相不锈钢化学成分范围控制越 严格 ，材料 的耐 腐蚀性能提高，同时，减少金属间有害相析 出。比 如在 P T A装置中，在溴离子的醋酸介质中，多采用 改 进 型 的 S 3 1 8 0 3 双 相 不锈 钢 ( $ 3 2 2 0 5 ) ，对 比发现 $ 3 2 2 0 5 就是将 s 3 1 8 0 3的Mo 、N含量控制在标准允 许范围的中上限，材料表现出更优的性能 ( 表 1 ) 。 双相不锈钢 的抗点腐蚀 和缝 隙腐蚀 能力 主要 取决于 C r 、Mo 、N元素的含量，采用抗点蚀 当量 P R E N表示 ： PREN=Cr wt + 3 - 3 M o wt + 1 6 N wt 通 常 ，国 内牌 号 S 2 2 2 5 3 、S 2 2 0 5 3 ，AS ME牌 号 S 3 1 8 0 3 、 $ 3 2 2 0 5钢不小于 3 4 ， AS ME牌号 $ 3 2 7 5 0( 超 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 2 2 7 基金项 目：某 几 类 石 油 化 工 装 置 中 特 殊 材 料 的 应 用 研 究 ( 2 01 3 K【 TC一 8 8 0 1) 。 作者简介：郑宝山 ( 1 9 7 2 一 ) ，男，河北邯郸人，高级工程师。主 要从事压力容器设计及管理工作。 2 0 1 4年 1 0月 郑 宝山 双相 不锈铜在压 力容 器中的应 用 多相似之处，但是，双相不锈钢的高合金含量和高强 度等特点，使二者在制造工艺上又存在重要的区别。 奥氏体不锈钢的制造已经非常成熟，因此，这里仅对 双相不锈钢制造过程中的特殊要求进行说明。 2 1 成形方法 双相不锈钢的塑性与奥氏体不锈钢相比有所降 低。相关材料标准要求 S A3 1 8 0 3 、S A 3 2 2 0 5的断后延 伸率 2 5 ，超级不锈钢 S A3 2 5 0 7的断后延伸率 1 5 ，而奥氏体不锈钢的断后延伸率要求4 0 ，最 低值的比值关系大概在 0 4 0 6 左右。根据 G B 1 5 0 4 ， 当奥氏体不锈钢 的冷加工变形率 1 5 时需要进行 热处理 的要 求 ，对 比确 定 ，不 同牌号 的双相不 锈钢 ， 当冷加工成型后变形率超过 6 1 0 时需要进行 固 溶处理和除锈 。 变形率的计算： 单向拉伸e = 5 0 1一 f o ) R f 1 0 0 双向拉伸e = 7 0 fi 1一 r R 0 ) R f 1 0 0 式中 r钢板变形率，； 钢板 名义厚 度 ，mm； R f-一 钢板弯曲后的中线半径，mm； 钢 板弯 曲前 的中线半径 ，m n ；对 于平板 R n =o o ，m m。 双相不锈钢与奥氏体不锈钢相 比具有高强度， 所以，要求提高成形设备的功率，即使这样还要考虑 高强度 造成 的回弹 ，成型过程 中 留一定 的成形裕度 。 有些资料也提出采用温成型的方法，减少成型回弹的 影响，但是，对大尺寸工件加热温度、加热均匀度的 控制非常困难，这样加热过程中势必存在局部温度过 高 的情况 ，造成相间有害组分的析 出，影 响材料 的力 学性能和耐蚀性能，所以，不推荐采用温成型。采用 热成型后，必须进行固溶处理和除锈。 使用双相不锈钢建造的设备，由于强度高，设 计厚度较薄，固溶处理需要很高的加热温度，在制造 厂进行地恢复力学性能热处理 的过程 中，如果 热处理 工艺中工装设计不好，热处理工艺不合适，容易出现 变形。某工程双相不锈钢封头成形后固溶处理过程 中，出现封头扁塌。另外，对于较大工件，加热、冷 却的均匀性控制比较困难，对材料的力学性能、抗腐 蚀性能会产生无法预计的影响。尤其对于冷成形的工 件， 应根据材料的断后延伸率， 编制合理的成形工艺， 并严格执行 ，必要时可 以进行模拟实验 ，对成形过程 中可能出现的最小、最大变形率做出预期 ，并进行评 估，完善成形工艺，尽量避免成形后的热处理。 2 2焊接工艺评定和产 品焊接试板 双相不锈钢设备能否安全使用，焊接是关键。 由于焊接基材、 热影响区、 焊缝的降温曲线各不相同， 有可能落人 中间相析 出区，从而影响焊缝的力 学性 能 和腐蚀性能，所以，必须通过焊接工艺评定 ，编制 合理的焊接工艺规程，并制备一定数量的产品试板。 下列焊缝必须制备至少一块产品焊接试件： ( 1 )纵 向焊缝 ； ( 2 )由成形的瓣片和顶 圆板拼接制成的凸型封 头径 向焊缝 ； ( 3 )椭圆型或碟型封头的拼接焊缝。 有害 相 的析 出可 以通 过显 微方 式进行 查 看 ，但 对于l生能的影响需要通过力学性能、弯曲和冲击试验 值进行间接的判定，故需要做包括金相和铁素体检测 在内的力学性能、冲击试验，还应按照 AS T M A 9 2 3 C法进行腐蚀试验，检测焊缝的抗腐蚀性能。 焊接 工艺 评定 、产 品焊接 试件 的检 测 ，还 应包 括对同一个样品焊缝、热影响区和基材的断面进行 的硬度测定和铁素体含量测定。对该断面进行微观 检查，应显示一个平衡的结构，铁素体相与奥氏体相 约各 占一半，不允许有害的晶粒边界沉淀或二次相 存在 。沿平行 于内、外表 面 2 mm直线和 中心线进行 l 0 k g 维氏硬度试验。试验点应分布于热影响区和熔 合区附近，最大允许硬度值不超过 3 2 0 HV1 0 。 2 3焊接方法 双相不锈钢的焊接可以采用钨极氩弧焊、手工 焊 、 埋弧焊等多种焊接方法 ， 但是 ，不同的焊接 材料 、 线能量、焊接速度、层间温度都会不同的焊接结果， 有时甚至一些参数稍微的调整都会产生完全不同的 结果 2 - 6 所以，双相不锈钢压力容易一定要采用合 适的、成熟的焊接工艺，并接在施焊过程中严格控制 焊接参数。 虽然，埋弧 自动焊等焊接方法效率高、成本低， 但是，焊接接头很难形成理想的相平衡比例、力学性 能和耐蚀性能， 因此， 很少用于压力容器焊接。目前， 双相不锈钢制压力容器的焊接主要采用手工焊和钨 极氩弧焊。大量的对比试验表明，钨极氩弧焊与手 工焊相比，焊接接头可以获得更优的两相平衡比例、 力学性能和耐腐蚀性能 。因此，对于腐蚀性要求严 1 4 化工设备与管道 第 5 1 卷第 5期 格的场合，以腐蚀介质接触的焊缝表面必须采用钨极 氩弧焊。如果焊缝采用手_T焊，与介质接触的焊缝需 要进行氩弧焊盖面时 ，应在此 焊缝上增加一道工艺焊 缝 ，工艺焊缝焊后必须 除掉， 目的是对介质焊缝进行 一 次热处理 。 2 4 焊后热处理 双相不锈钢不需要进行焊后消除应力热处理， 因为热处理过程，会导致双相不锈钢析出金属间相 或 4 7 5脆性相，降低韧性和耐腐蚀性。双相不锈 钢 的固溶处理 温度很高 ，考虑到制造 厂 的设备 水平 ， 且受到产品结构的限制，很难实现均匀一致的处理 过程 ，造 成局 部材料 性 能的恶 化 ，影 响整 台设备 的 使用 ，所 以，双相不锈钢设备、工件尽量避免所有 形式 的热处理 。 2 5 焊后清理 双相不锈钢设备的焊后清理也至关重要，焊接 的飞溅 、焊接氧化色 、焊渣 、色笔印迹 、起 弧点 、咬 边等缺陷都会影响设备耐腐蚀性能。清理最好采用机 械方法，然后再使用化学方法进行清理，这样可以达 到更好的效果，具体的操作方法与奥氏体不锈钢设备 要求相 同。 3 双相不锈钢复合板 双相不锈钢的线膨胀系数 比奥 氏体不锈钢低 ， 更接近于碳钢，因此，双相不锈钢与碳钢、低合金钢 之间表现出更优的爆炸复合效果。许多采用双相不锈 钢的场合，多是利用其优秀的抗腐蚀性能，随着设备 大型化以后，设备厚度主要取决于设备的制造刚度， 并不能充分利用双相不锈钢的高强度性能，这时候 ， 采用 双相不 锈钢 复合板 是 降低 设 备采 购成本 的有 效 方法 。 目前 ，双相 不锈钢 复合板 已经在真空制盐 、石 油化工、造纸、化肥等行业被广泛使用 。 双相不锈钢爆炸复合过程 中，炸药在复层表面 的燃爆不能保证完全的均匀，另一方面，为了消除复 合过程 中的参与应力 ，需要进行 消除应力热处理 ，因 此， 复合板的热处理工艺， 包括加热温度、 加热时间、 冷却速度等参数，对双相不锈钢复合板的力学性能、 耐蚀性会产生很大的影响。目前 ，对于双相不锈钢复 合板热处理l T = 艺的研究还不够深入。 另外，双相不锈钢复合板的焊接包括基层、过 渡层 、覆层 的焊接 。一般情况下 ，基层 的焊接 线能量 比较大 ，会对厚度较小的覆层产生一定的影响；其 次，过渡层焊接线能量控制不当也会造成覆层与过渡 层材料的混在一起 ，大大降低焊缝的耐腐蚀性。 综上，除非有成熟的双相不锈钢复合板使用经 验，应谨慎使用双相不锈钢复合板，尤其对腐蚀性能 要求严格的场合。为了保证双相不锈钢复合板设备 的可靠性：( 1 )需要谨慎选择材料复合供应商；( 2 ) 制定合理的焊接工艺，充分考虑基层、过渡层焊接对 覆层材料的影响；( 3 )设计过程中，采用合适的结 构设计，设备设计厚度应避免焊后热处理 ；( 4 )制 造过 程 中，尽量 避免 热成 型及 焊后热 处理 ；( 5 )根 据需要 ，设计单位应对材料爆炸复合、设备加工制 造的试板数量、位置、检验项 目提出具体要求。 4结束语 双相不锈钢具有良好的韧塑性、焊接性能，加T 制造难度不是很大，但是，制造过程中的成形、焊接、 热处理等工序必须控制在较小的操作区间内，避免加 T对材料两相的平衡比例的破坏，进而影响材料的力 学、耐蚀性能，降低设备的使用寿命。为了保证双相 不锈钢设备的性能，在建造过程中需要注意一些问题： ( 1 )对材料的化学成分、力学性能、腐蚀试验 提出要求 ； 2 )设 计 过程 中，优化 结构 设计 ，避免 焊 后热 处理 ； ( 3 )制造过程中，制定各工序合适的加工T艺， 并加强过程控制 ； ( 4 )谨慎使用双相不锈钢复合板。 参 考 文 献 1】 G B 1 5 O 1 4 2 叭1 压力容器 2】 赵爱彬 ， 张莹 莹 S AF 2 2 0 5双相不锈钢对接焊焊接T 岂的评 定 热加工工艺 ，2 0 1 0 ，3 9 ( 9 ) ：1 2 5 1 2 7 3 岳斌 ， 马鹏 举 ， 王大治 ， 等 2 2 0 5双相 不锈钢 的焊接T 岂研 究 I J 1 化工机 械，2 0 0 9 ，3 6 ( 1 ) ：5 - 8 4】 贾强 ， 刘艳 ， 张志 昌 S AF 2 2 0 5双相 不锈钢焊接 r r 艺及 耐蚀 性的研究 J l 科技信息，2 0 1 3 ( 2 3 ) ：2 3 - 2 4 ， 2 9 51 徐玉 强 ， 杨 尚玉 ， 许 可望 ， 等 超级双相不锈钢 2 2 0 7及其焊 接工艺 电焊机 ，2 0 1 3 ，4 3 ( 3 ) ：6 - 1 2 f 6】 张莹莹 ， 高磊 焊接方法对 双相不 锈钢焊接接头力学性 能的 影 响 r J 石油化工设备 ，2 0 0 6 ，3 5 ( 6 ) ：5 3 5 5 f 7 】 宜飞远 ， 郭春 义 双相不锈钢压 力容器 的制 造 J 1 化 工装备 技 术，2 0 0 7 ，2 8 ( 6 ：1 9 2 1 8 李海山 ， 张文杰 ， 张斌 双相钢在压力容器制造中的应用 J l 铸 造技术 ，2 0 1 3 ，3 4 ( 5 ) ：6 1 9 - 6 2 1 f 9 】 孙晓刚 ， 李 国平 超级双相不锈钢 $ 3 2 7 5 0 板材的研制及在 郑宝山 双相不锈钢在压力容器中的应用 1 5 煤调湿干燥机中的应用 J 1 压力容器 ， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 6 ) ： 7 5 7 9 1 0 崔丽娜 ， 徐科 ， 王耀明 P T A装置中双相不锈钢设备结构优 化设计 J 】 压力容器 ， 2 0 1 1 , 2 8 ( 2 ) ： 5 1 - 5 3 1 1 AS T M A9 2 3 S t a n d a r d T e s t Me t h o d s f o r D e t e c t in g De t r i me n t a l I n t e r me t a l l i c Ph a s e i n Du pl e x Au s t e n i t i c Fe r r i t i c St a i nl e s s S t e e l s 2 0 0 6 1 2 王秀芝 ， 胡艳芳 ， 郁辉 双相钢的特性及其在压力容器中的 制造技术 J 化学工程与装备 ，2 0 1 2 ( 4 ) ：1 1 7 1 1 9 App l i c a t i o n o f Dupl e x St a i nl e s s S t e e l i n Pr e s s ur e Ve s s e l ZHENG Ba os han ( C h i n a K u n l u n C o n t r a c t i n gE n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n B e i i n g 1 0 0 0 3 7 C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e t e c h n o l o g y o f p r e s s u r e v e s s e l ma n u f a c t u r e b y u s i n g d u p l e x s t a i n l e s s s t e e l i s s t i l l n e e d e d t o p o l i s h i n Ch i n e s e p r e s s u r e v e s s e l c o n s t r u c t i o n s t a n d a r d I n t h i s a r t i c l e ， c o mb i n e d wi t h t h e e n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e s o b t a i n e d i n y e a r s ， t h e t e c h n i c a l s p e c i fic a t i o n s i n d e s i g n ， f a b r i c a t i o n ， i n s p e c t i o n a n d a c c e p t a n c e o f t h e p r e s s u r e v e s s e l s ma d e o f d u p l e x s t a i n l e s s s t e e l we r e p r e s e n t e d ， wh i c h i s h o p e d a s t he r e f e r e nc e t o t h e d e s i g n a nd ma nuf a c t u r e o f t h i s ki nd o f ve s s e l s Ke y W o r d s ：d u p l e x s t a i n l e s s s t e e l ；p r e s s u r e v e s s e l ；d e s i g n a n d ma n u f a c tur e ；t e c h n i c a l s p e c i fi c a t i o n 封 面 介 绍 5UL ZER 苏尔寿GS G导叶式简袋泵 优秀的设计，提高您的运行效率 GS G 系列泵符合最新版本I S O 1 3 7 0 9 ( AP I 6 1 0 ) B B 5 结构形式 ， 是卧式、径向剖分、导叶式、多级筒袋 泵