（材料学专业论文）22cr双相不锈钢组织与性能关系研究.pdf

中文摘要 论文题目：2 2 c r 双相不锈钢组织与性能关系研究 专业：材料学 硕士生：雒设计( 签名) 塑垒丝盐 指导教师：王荣( 签名) ：j 趁 摘要 本文采用o p m 、s e m 、e d s 等方法，研究了热处理工艺( 固溶处理、固溶处理+ 时效处理) 对2 2 c r 双相不锈钢板材的显微组织、脆性析出相形态的影响；并采用拉伸、 冲击、化学浸泡和电化学试验，分析了材料组织变化对力学性能和点腐蚀性能的影响。 研究结果表明：2 2 c r 双相不锈钢的显微组织取决于固溶处理温度。在9 5 0 - - 1 1 5 0 c 固 溶处理，口、，两相含量与固溶温度呈良好的直线关系：经1 0 5 0 c 固溶处理后，组织为 典型的口相和，相相间分布的条状组织；经1 1 5 0 c 固溶处理后，相已基本变成块状分 布；经9 5 0 1 2 固溶处理后，组织中出现盯相。经1 0 5 0 c 固溶处理后，在8 5 0 c 进行时效 处理，从口相中析出脆性相，随着时效时间的延长，析出相含量增加，该析出相以盯相 为主。经1 0 5 0 。c 固溶处理后，在4 7 5 c 进行时效处理，口相调幅分解出口7 相，在光学显 微镜下难以辨别。 8 5 0 c 时效处理后，材料的强度有所提高，塑性明显降低；随着时效时间的延长，冲 击韧性显著降低，冲击功由6 0 j 下降到5 j ，微观断口由准解理变为解理。4 7 5 c 时效处理 后，材料的强度明显升高，塑性略有降低：随着时效时间的延长，冲击韧性降低，冲击 功由1 4 0 j 下降到6 0 j ，微观断口由韧窝变为解理。 板材、1 0 5 0 c 和1 1 5 0 固溶处理的试样，具有高的抗点腐蚀能力。经9 5 0 固溶处 理后，材料具有低的抗点腐蚀能力。经8 5 0 c 时效处理的试样，在6 f e c l 3 溶液产生点 腐蚀的温度为2 3 c ，并且随着时效时间的延长，点腐蚀速率增加。经4 7 5 c 时效处理的 试样，在6 f e c l 3 溶液产生点腐蚀的温度为4 5 c 。板材和固溶处理的试样在n a c l 、h c l 溶液中具有明显的保护电位，保护电位和点蚀电位相近：8 5 0 。c 时效处理的试样没有保护 电位。 关键词：2 2 c r 双相不锈钢热处理析出相强度冲击韧性点腐蚀 论文类型：应用基础 i i 英文摘要 s n b j e c t ：r e s e a r c he nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f2 2 c rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l s p e c i a l i t y ：m a t e r i a ls c i e n c e n a 呲：s h e j il 。( s i g a t l l r e ) 五纽五丝 i n s t r u c t o r ：r o n gw a n g ( s i g n a t u r e ) 星竺# 螳： a b s t r a c t e f f e c t so fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e si n c l u d i n gs o l u t i o nt r e a t m e n t ，s o l u t i o na n da g e i n g t r e a t m e n t ，o nt h em i c r o s t r u c t u r ca n di n t e r m e t a l l i ep h a s eo f2 2 c rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e lw e t e s t u d i e db ym e a n so fo p m ，s e m ，e d se ta 1 b yt e n s i l et e s t s ，i m p a c tt e s t s ，t h ef e r r i cc h l o r i d e c o r r o s i o n i e s t sa n de l e c t r o c h e m i c a lt e s t s e f f e c t so f d i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r eo nm e c h a n i c s 锄如 p i a i n gc o r r o s i o np r o p e r t i e so f 2 2 c rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e lw e r ea l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r 1 1 帕s t u d yr e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo f2 2 c rs t e e ld e p e n do nt h es o l u t i o n t e m p e r a t u r e t h ec o n t e n to f 口m a d ，p h a s e sh a sal i n e a rc o r r e l a t i o nw i t ht h es o l u t i o n t e m p e r a t u r ei nt h er a n g eo f9 5 0 1 1 5 0 m e l lt h es o l u t i o nt e m p e r a t u r ei s1 0 5 0 c t h e m i c r o s t r u c t u r eo f2 2 c rs t e e li st y p i c a ls t r i ps t r u c t u r eo f 口p h a s ea n d y p h a s e 1 1 1 es h a p eo f y p h a s et u r n si n t oi s o m e t r i cs t r u c t u r e 鹊t h es o l u t i o nt e m p e r a t u r ei su pt o1 1 5 0 t h e 盯p h a s ei sf o u n d i nt h es a m p l eo fs o l u t i o nt r e a t m e n ta t9 5 0 c a d d i t i o n a l l y , t h ei n t e r m e t a l l i c p h a s eb e g i n st oc o m ef r o m 口p h a s ei nt h ea g e i n gt r e a t m e n ta t8 5 0 。ca f t e rt h es o l u t i o n t r e a t m e n ta t1 0 5 0 a n dt h ec o n t e n to f i n t e r m e t a l l i cp h a s ew h i c hm a i n l yc o n s i s t so ft r p h a s e i n c r e s s e sw i t l lt h ea g e i n gt i m e a sa g e i n ga t4 7 5 a f t e rt h es o l u t i o nt r e a t m e n ta t1 0 5 0 c 口p h a s ea r i s i n gf r o m 口p h a s e w h i c hi sd i f f i c u l tt ob ef o u n db yo p m a f t e ra g e i n ga t8 5 0 c ，t h es t r e n g t ho f 2 2 c rs t e e li n c r e a s e ，y e tt h ep l a s t i c i t yo f 2 2 c rs t e e l d e c r e a s eo b v i o u s l y a tt h es a m et i m e ，t h ei m p a c tp r o p e r t i e ss i g n i f i c a n td e c r e a s ew i t ht h e a g e i n gt i m e t h ei m p a c te n e r g yd e c r e a s e sf r o m6 0 jt o5 j ，a n dt h ef r a c t u r ec h a r a c t e r i s t i c c h a n g e sf r o mq u a s i - c l e a v a g et oc l e a v a g e a f t e ra g e i n ga t4 7 5 c ，t h es t r e n g t ho f2 2 c rs t e e l o b v i o u s l yi n c r e a s ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gp l a s t i c i t yd e c r e a s es m o o t h l y 蚴p r o l o n g i n go f a g e i n gt i m e ，t h ei m p a e tp r o p e r t i e sc l e a r l yd e c r e a s e ，t h ei m p a c te n e r g yd e c r e a s e sf r o m1 4 0 jt o 6 0 j ，a n dt h ef r a c t u r ec h a r a c t e r i s t i cc h a n g e sf r o md i m p l e st oc l e a v a g e c o m p a r e dw i t l it h es a m p l es o l u t i o nt r e a t m e n ta t9 5 0 c , t h eo r i g i n a l2 2 c rs t e e la n d s a m p l e ss o l u t i o nt r e a t m e a ta t1 0 5 0 ( 2a n d11 5 0 ce x h i b i tb e t t e rp i t t i n gc o r r o s i o nr e s i s t a n c e a f t e ra g e i n ga t8 5 0 。c , t h ep i t t i n gc o r r o s i o nt e m p e r a t u r eo f 2 2 c rs t e e li s2 3 ci n6 f e e l 3 s o l u t i o n ，a n dp i u i n gc o r r o s i o nr a t ei n c r e a s e s 埘t l lt h ea g e i n gt i m e a f t e ra g e i n ga t4 7 5 * ( 3 ，t h e p i t t i n gc o r r o s i o nt e m p e r a t u r eo f 2 2 c rs t e e li s4 5 t h eo r i g i n a l2 2 c rs t e e la n dt h es a m p l e s a f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n ts h o we x c e l l e n tp r o t e c t i n gp o t e n t i a l si ns o l u t i o no fn a c la n dh c i w h i c ha r ev e r yc l o s e dt ot h e i rp i t t i n gc o r r o s i o np o t e n t i a l h o w e v e r , i tc a nn o tt e s tt h e 1 英文摘要 p r o t e c t i n g p o t e n t i a l so f 2 2 c rs t e e ls a m p l e sa f t e ra g e i n ga t8 5 0 。c k e yw o r d s ：2 2 c rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ；h e a tt r e a t m e n t ；i n t e r m e t a l l i cp h a s e ；s t r e n g t h ； i m p a c tp r o p e r t y ；p i t t i n gc o r r o s i o n t h e s i s ：f u n d a m e n ta p p l i c a t i o n i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：壁毽望丝日期：曼堕垄幽 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 幽垒丝泣 乏釜 日期：兰型酸幽 日期：猃笪! 乡 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 双相不锈钢是由铁素体( 口相) 和奥氏体( ，相) 组成，其两组成相的相对含量约 各占一半，对单相的要求至少占到3 0 川。双相不锈钢综合了单相口相不锈钢和单相， 相不锈钢的优点，具有较高的力学性能、良好的韧性及优良的耐腐蚀性能，得到广泛的 应用。2 2 c r ( 2 2 0 5 ) 双相不锈钢是一种中合金型的双相不锈钢，因其含有2 2 的c r 和 铁索体与奥氏体，也常被称作2 2 c r 双相不锈钢【2 】。它被认为是当今世界上最先进的高 级耐腐蚀管材，由于克拉2 气田天然气中的氯粒子，对普通碳钢管材有较强的腐蚀性， 普通碳钢管材容易腐蚀而穿孔。而2 2 c r 双相不锈钢有很强的抗氯粒子应力腐蚀和点腐 蚀的能力，因此，克拉2 气田产能建设大批量引进和使用了2 2 c r 双相不锈钢管材。 2 2 c r 双相不锈钢在正常的交货状态( 固溶处理) 下，其组织中口相和，相的含量 各约占5 0 ，以保证双相钢的高强度、高耐腐蚀性能和优良的焊接性能，决定了2 2 c r 双相不锈钢是一种具有优良的耐c l 和c 0 2 腐蚀性能和高的机械性能的钢种。 双相不锈钢的高性能总是相对的，在制造和焊接过程中往往会因为热处理工艺不当 或因慢速加热和冷却导致金属间化合物的析出，使钢的性能恶化，直接影响材料的质量 和安全可靠的应用。 双相不锈钢的性能，同铁素体( 口相) 和奥氏体( y 相) 的平衡比例有很大关系， 而两相比例在很大程度上取决于钢的化学成分、热处理温度等因剥3 1 。在化学成分己定 的情况下，双相不锈钢的两相比例和组织形态取决于热处理工艺。2 2 c r 双相不锈钢在 不同的热处理状态下两组成相的比例有很大差别，而且其腐蚀性能也有很大差异。当它 在1 0 0 0 固溶处理后a 相约占4 7 5 ；经二次热处理n 3 0 0 加热空冷，再进行1 0 0 0 固溶处理) ，其口相含量降为3 5 2 4 1 ；经1 2 0 0 固溶处理后组织为块状特征1 5 一，与不 锈钢2 5 4 8 c r - 1 5 4 9 n i 一3 0 8 c u 2 0 9 m o 组织相似，在1 0 5 0 - - 1 3 0 0 固溶处理的组织 形态以块状组织为主要特征【7 】。这些组织形态的差异，会直接影响双相钢的使用性能。 双相不锈钢因热处理工艺不当或其它原因会导致脆性相析出，脆性析出相的存在会 影响双相不锈钢的力学性能，降低耐腐蚀性能。因此，分析和检测析出相己成为双相不 锈钢验收标准的重要内容【8 l 。通常所谓双相不锈钢的析出相是指在光学显微镜下可观察 到的析出相和在光学显微镜不可观察到的析出相，前者包括在8 5 0 温度范围时效处理 的析出相，后者是指在4 7 5 温度范围时效处理的析出相，定义为双相不锈钢的8 5 0 和4 7 5 脆性1 1 , 9 1 。 在机械性能方面，由于双相不锈钢存在脆性相的析出，直接影响双相不锈钢的机械 性能，尤其是降低钢的韧性【i , 9 1 ，其冲击功a 。可由固溶处理的2 5 0 j 左右降低到脆性相析 出后的4 0 j 。当脆性相析出后，除了影响机械性能外，还会影响材料的抗腐蚀性能，这 西安石油大学硕士学位论文 是2 2 c r 双相不锈钢在克拉2 气田使用特别关心的问题。因为脆性相沿晶界析出，可能 是c 、n 化合物、盯相( f e c r ) 等析出相，析出相的存在会在口y 晶界形成贫c r 区， 产生严重的局部腐蚀，造成管线的腐蚀穿孔、油气泄漏、引发爆炸等事故，造成巨大的 经济损失和人身伤亡。点腐蚀是局部腐蚀最主要的腐蚀形式，由于其比较隐蔽、破坏性 大，因此是腐蚀与防护工作者的主要研究对象。双相不锈钢的抗孔蚀性能采用孔蚀抗力 当量( p r e = c r + 3 3 m o + 1 6 n ) 来衡量【l 】，p r e 仅是宏观的衡量指标。临界点蚀温 度( c p t ) 是另一个评价不锈钢等材料耐点蚀能力的参数。材料在特定环境中，当温度 低于c p t 时，不能产生稳定的点蚀，当温度超过c p t 时，点蚀开始出现。双相不锈钢 由于组织形态变化引起抗点蚀能力的改变，需要通过试验来确定。脆性析出相与点腐蚀 性能间有无定量的关系，需要大量的试验研究。因此，2 2 c r 双相不锈钢在克拉2 气田 的使用，必须弄清组织变化对材料力学性能及抗腐蚀性能的影响规律，建立脆性析出相 与材料力学性能和抗腐蚀性能之间的关系，为2 2 c r 双相不锈钢在克拉2 气田的安全使 用提供技术依据。 1 2 课题来源 本课题所研究内容来源于科研项目 1 3 文献综述 1 3 1 双相不锈钢概述 双相不锈钢是固溶组织中含有铁素体和奥氏体两种结构的不锈钢，由于它结合了铁 素体不锈钢耐氯离子腐蚀和高强度及奥氏体不锈钢的优良韧性和易焊接的优点，具有独 特的机械和化学性能，因而广泛应用于存在氯离子的加工业、石油化工、造纸、化肥以 及海水的环境等1 5 j 。 双相不锈钢是在它的固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般较少相的含 量最少也需要达到3 0 t ”。 根据两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，将奥氏体不锈钢所具 有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结 合在一起，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。正是这些优越的性 能使双相不锈钢作为可焊接的结构材料发展十分迅速，8 0 年代以来已成为和马氏体型、 奥氏体型和铁素体型不锈钢并列的一个钢类。双相不锈钢有以下性能特点d , 1 0 q 2 ： ( 1 ) 含m o 的1 8 - - 2 2 c r 双相不锈钢在低应力下有良好的耐中性氯化物应力腐蚀 性能。一般应用在7 0 。c 以上中性氯化物溶液中的1 8 8 型奥氏体不锈钢容易发生应力腐 蚀破裂，在微量氯化物及硫化氢的工业介质中用这类不锈钢制造的热交换器、蒸发器等 第一章绪论 设备都存在着产生应力腐蚀破裂的倾向，而双相不锈钢却有良好的抵抗能力。例如含 1 8 c r 的0 0 c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 钢耐应力腐蚀的典型介质条件是：( 1 ) c l 1 0 0 0 p p m ， 1 5 0 ，p h 7 ；( 2 ) h 2 s 5 0 0 0 p p m ，c l - 3 0 p p m ， 一7 。 ( 2 ) 含m o 双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。在具有相同的孔蚀当量值 ( p r e = c 针3 3 + 1 6 n ) 时，双相不锈钢与奥氏体不锈钢的i i 每界孔蚀电位相仿。含 1 8 c r 的双相不锈钢的耐孔蚀性能与a i s l 3 1 6 l 相当。含2 5 c r 的，尤其是含氮的高铬 双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了a i s l 3 1 6 l 。 ( 3 ) 有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。在某些腐蚀介质条件下使用于制作泵、 阀等设备。 ( 4 ) 综合力学性能好，有较高的强度和疲劳强度，屈服强度是1 8 8 型奥氏体不锈 钢的2 倍。 ( 5 ) 可焊性良好，热裂倾向小。一般焊前不需预热，焊后不需热处理，可与1 8 8 型奥氏体不锈钢或碳钢等异种钢焊接。 ( 6 ) 含低铬( 1 8 c r ) 的双相不锈钢热加工温度范围比1 8 8 型奥氏体不锈钢宽， 抗力小，可不经过锻造，直接轧制开坯生产钢板。含高铬( 2 5 c r ) 的钢则比奥氏体不 锈钢热加工困难。 ( 7 ) 冷加工时比1 8 8 型奥氏体不锈钢加工硬化效应大，在管、板承受变形初期， 需施加较大应力才能变形。 ( 8 ) 与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小，适合用作设备的衬里和 生产复合板，也适用制热交换器的管芯。 ( 9 ) 仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜用在高于3 5 0 c 的工作条件下 使用。双相不锈钢中含c r 量愈低，盯相脆性的危害性也愈小。 双相不锈钢的缺点： ( 1 ) 与奥氏体不锈钢比较，耐热性较低，一般控制在3 0 0 c 以下的工作环境中使 用。 ( 2 ) 冷加工时比1 8 8 型奥氏体不锈钢的加工硬化效应大。在管、板承受变形初期， 需施加较大的力才能变形，管、板所产生的内应力也较大。 ( 3 ) 存在中温脆性区( 如盯相、4 7 5 ( 2 脆性) ，对热处理及焊接不利。 ( 4 ) 含2 5 c r 的双相不锈钢比奥氏体不锈钢热加工困难。 1 3 2 双相不锈钢研究现状 双相不锈钢的发展开始于3 0 年代，法国在1 9 3 5 年获得第一个专利。双相不锈钢已 经发展了三代，第一代双相不锈钢以美国4 0 年代开发的3 2 9 钢为代表【1 , 1 0 。含高铬、钼， 耐局部腐蚀性能好，但含碳量较高( c 0 1 ) ，因此焊接时失去相的平衡，沿晶界析出 西安石油大学硕士学位论文 碳化物导致耐蚀性及韧性下降，焊后必须经过热处理，一般用于铸锻件，在应用和发展 上受到限制。前苏联5 0 年代发展了含稳定元素的钛0 8 x 2 1 h s t 和0 8 x 2 1 h 6 m 2 t 钢，德 国也有1 4 5 8 2 ，法国有u r a n u s 5 0 ，英国有f e r r a l i u m 2 5 5 ，日本在美国3 2 9 钢基础上降碳， 提出了3 2 9 j ，钢种，这些钢都可作为可焊接的结构件使用。随后至6 0 年代中期瑞典开发 了著名的3 r e 6 0 钢，它是第一代双相不锈钢的代表钢种，特点是超低碳，含铬量为1 8 ， 焊接及成型性能良好，广泛代替a i s l 3 0 4 l 、3 1 6 l 用作耐氯离子应力腐蚀的材料，该钢 的问题是在焊接热影响区易出现单相铁素体组织，导致耐应力腐蚀及晶问腐蚀性能下 降。7 0 年代以来，随着二次精炼技术a o d 和v o d 等方法的出现与普及以及连铸技术 的发展，容易炼出超低碳( c 蜘0 3 ) 的钢，同时发现氮作为奥氏体形成元素对双相不 锈钢有重要作用：在焊接接头热影响区快速冷却时，氮促进了高温下形成的铁素体逆转 变为足够的二次奥氏体以维持必要的相平衡，提高了接头的耐蚀性；氮可以提高富氮奥 氏体相的耐孔蚀能力，与富铬、钼的铁素体相取得平衡，提高了材料整体耐孔蚀性能； 氮能减轻铬、镍等元素在两相中分布的差异，降低选择腐蚀的倾向性。正是利用氮元素 的独特效果，以及钢中容易获得超低碳，改进了第一代双相不锈钢的缺点，从而开创了 第二代新型的含氮双相不锈钢，开发了新的应用领域。第二代双相不锈钢不论是1 8 c r 型，还是2 2 c r 和2 5 c r 型大多数属干超低碳型，并且含有钼、铜或硅等提高耐蚀性的元 素。针对酸性油井管及管线用钢瑞典开发出s a f 2 2 0 5 ，已纳入美国的a s t m a 7 8 9 和a 7 9 0 标准。日本有近1 0 个厂家都在生产双相不锈钢，应用范围很宽，包括工业用水及海水 热交换器、尿素高压设备和硝酸设备等。法国有u r a n u s 系列，英国有z e r o n 铸钢 系列，德国也有纳标的系列牌号。8 0 年代后期发展的超级双相不锈钢( s u p e r d s s ) 是 属于第3 代双相不锈钢，牌号有s a f 2 5 0 7 ，u r 5 2 n + ，z e r o n l 0 0 等，这类钢的特点是含 碳量低( c o 0 1 - - 0 0 2 ) ，含高相和高氮( m 叶4 ，n - q ) 3 ) ，钢中铁素体含量4 0 一4 5 ， 此类钢具有优良的耐孔蚀性能，孔蚀抗力当量值( p r e = c r + 3 3 m o 1 6 n ) 大 于4 0 。中国自7 0 年代中期开始发展双相不锈钢，冶金部钢铁研究总院最早从事这方面 的工作，0 0 c r l 8 n i 5 m 0 3 s i 2 双相不锈钢己纳入国家标准g b l 2 2 0 ，g b 3 2 8 0 ，g b 4 2 3 7 。 8 0 年代初期在分析国外双相不锈钢发展的基础上，研究了氮元素在改善双相不锈钢耐 应力腐蚀和孔蚀的机制，并且结合国内各特殊钢厂生产含氮不锈钢的成熟经验，确定了 以发展含氮双相不锈钢为主的研究方向，至今已有耐应力腐蚀、耐孔蚀与缝隙腐蚀，耐 腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀的简单双相不锈钢系列牌号。国内外双相不锈钢的主要代表牌号 如表1 1 。 1 3 3 双相不锈钢主要应用领域的发展动向 双相不锈钢的实用化已有2 0 年的历史了。在其未进入市场前，对于a i s l 3 0 4 和3 1 6 不能适用的苛刻腐蚀环境使用的都是含高镍的奥氏体不锈钢。2 0 年来的使用经验表明 4 第一章绪论 双相不锈钢不仅比常用奥氏体不锈钢更耐蚀，而且节镍，再加上又有好的综合性能：强 度、韧性和可焊性，因此，双相不锈钢适于多种用途，尤其在含氯的介质中应用更为广 泛。当然，在某一单一性能方面，其他类型钢种可能超过双相不锈钢，但是从综合性能 来考虑，双相不锈钢往往是最突出的。 表1 - 1 国内外双相不锈钢的主要代表牌号 塑些壁呈生主 窒型型握造担当主亘监呈! 丛! 丛基基丝 3 r e 6 0s a n d v i k a v e s t a $ 3 1 5 0 00 0 c r l 8 n i s m 0 3 s i 21 8 52 750 0 71 5 n i s a f 2 2 0 5 s a n d v i k , a v e s t a $ 3 1 8 0 0 0 0 c r l 2 2 n i 5 m 0 3 n2 235 30 1 7 c u r 4 5 n ) ( c r e u s o t - l o i r e ) ( a m 2 )( m a n n e s m m n ) 1 0 r e 5 1sandvik$32900 0 2 5 c r n i 5 m 0 2 2 51 54 5 d p 3s u m i t o m os 3 1 2 6 0 0 0 2 5 c r n i t m 0 3 w c u n2 536 50 1 6 f e r r a l i u 2 5 6 l a n g l e ya l l o y s s 3 2 5 5 00 2 5 c r n i 5 m 0 3 c u n2 536 5o 1 8 c o r s 2 n ) ( c r e u s o t - l o i r e ) s a f 2 5 0 7 s a n d v i k , a v e s t a $ 3 2 7 5 0 2 5 3 870 2 7 z e r o n l 0 0m o t h e ra n dp l a u l t d $ 3 2 7 6 02 53 27 o 2 5 在化工、石油化工、造纸、能源及油，气等工业中的应用，双相不锈钢都赢得一席 之地。利用他的特长，最多还是在氯化物环境中的应用，近年来耐酸、高强度及耐磨损 腐蚀的用途也不少。近年还发现高p r e 值双相不锈钢的生物相容性，可用于人体内移 植的不锈钢材料。下面介绍一下双相不锈钢在石油化工方面和不同工作环境中的应用。 ( 1 ) 早在7 0 年代瑞典3 r e 6 0 钢就用在炼油厂原油脱盐、加氢脱硫( h d s ) ，废水 处理、蒸汽重整、脱蜡等装置上，主要用制热交换器、塔顶冷却器、废水冷却器等设备。 此外，也用在其他石化装置上如氯乙烯预冷凝器，甲醇反应器触媒管，生产苯的冷却盘 管等。8 0 年代又采用3 r e 6 0 和s a f 2 2 0 5 钢用作加氢裂化和加氢处理装置中空冷器 ( r e a c ) 的管、管板和封头，如美国石油公司几台空冷器( 6 5 一8 5 h 2 ，碳氢化物， h 2 s ，5 8 m p a ，1 1 0 - - 2 0 5 ) 已应用8 1 0 年之久，但1 9 9 4 年美国另一炼油厂加氢裂解 的3 r e 6 0 热交换器( 7 0 h 2 ，碳氢化物，h 2 s ，管程入口2 8 5 c ，1 1 5 m p a ) 使用3 年后 泄漏，裂纹出现在近管板处的管子上，其他在中东、东欧个别炼油厂的空冷器运转几年 后也出现类似问题。看来双相不锈钢尽管有多年的使用经验，但在加氢系统中尚未建立 起安全可靠的使用介质的上限条件。 近l o 年来双相不锈钢在石油化工领域的应用显著增加。尤其是超级双相不锈钢的 问世更拓宽了这类钢的应用范围。在氯乙烯生产中腐蚀环境苛刻，各种级别的双相不锈 钢用制容器、热交换器和管线等。超级z a r o n l 0 0 ( u n s s 3 2 7 6 0 ) 耐h c i 性能较好，可 用制氯氧反应器，h c l 冷却器和氯乙烯塔；在合成橡胶生产中也可用制聚合反应器( 氯 甲烷加a 1 c 1 3 触媒) 回路中的泵及管线，温度在1 2 0 8 2 区间循环，1 2 0 时4 值 仍有4 0 j ：此外，在对苯二甲酸二甲醋生产中用制第一冷却器( h a c 浓度高达9 0 ，1 2 5 ) 和触媒再生设各( 含b r ) ，能代替9 0 4 l 和a l l o y 8 2 5 。 s 西安石油大学硕士学位论文 ( 2 ) 低浓度氯化物的环境 含有少量氯化物工业用水的环境引起不锈钢的应力腐蚀事例是相当多的，双相不锈 钢代替3 0 4 l 、3 1 6 l ，解决这方面的腐蚀问题，尤其适用于由孔蚀引起应力腐蚀的介质 条件。其中以3 r e 6 0 ( 加氮) 和s a f 2 2 0 5 为代表的应用实例最多，多数用于化工和石 化厂的热交换器管材。一组高压釜中的试验( 通氧6 8 - 1 0 p p m ) 在1 0 0 p p m c l 。，p h 4 5 5 9 条件下3 种钢引起应力腐蚀的临界温度( 1 ：o 盯) ： 3 0 48 0 t c o r r 2 0 0 3 r e 6 01 5 0 t c o n 2 0 0 s a f 2 2 0 52 0 0 t c o r r 可以看出含2 2 c r 的双相不锈钢比含1 8 c r 的钢更能适应较高的温度。3 r e 6 0 钢 积累2 0 年的使用经验，损坏事例是很少的，但是值得注意的是在有高氯化物沉积处或 用在含有h ：s 的酸性氯化物溶液中也会出现应力腐蚀破裂现象。 ( 3 ) 海水环境 海水是自然环境中腐蚀性最强的一种，尤其在有海洋生物附着的表面上。3 0 4 ，3 1 6 不锈铜很容易产生缝隙腐蚀，对于热海水介质，要求材料具有更高的耐孔蚀、缝隙腐蚀 性能。双相不锈钢由于含有高铬、铝、氮的耐局部腐蚀特点在海水介质中有不乏的应用 实例。 2 5 c r 类型的双相不锈钢还其有较高的强度和耐冲刷腐蚀的特性，适用于制造海水 泵、轴、船用推进器等。f e r r a l i u m 2 5 5 作推进器及轴使用1 0 年都没有损坏，各种类型 的海水泵在北海和中东取代了3 1 6 l 和k - 5 0 0 m o n e l 合金。z e r o n 2 5 和z e r o n l 0 0 的泵重 比3 1 6 l 要减轻一倍，可铸造近l o t 的大型泵。z e r o n l 0 0 是英国在8 0 年代中期开发的铸 钢品种。类似日本的d p 3 ，在8 0 海水中的孔蚀电位与奥氏体不锈钢2 5 4 s m o ( 0 0 c r 2 0 n i l 8 m 0 6 n ) 相同。 日本在7 0 年代初期开始使用3 2 9 j l 钢制造化工厂用或船用海水热交换器或海水冷 却器管子，部分代替铝黄铜管，但它的耐蚀性还是不足。8 0 年代又开发出以d p 3 为代 表的含有提高耐缝隙腐蚀的钨、铜、钒等多种元素的新材料。有许多用d p 3 钢制造海 水热交换器的实例，它的使用温度受海水流速等因素的制约。海水流速大于等于1 0 m $ 条件下，d p 3 的使用温度可达8 0 。c 在上海石化总厂的一台0 0 c r 2 5 n i 7 m 0 3 w c u n 海水热 交换器，出口海水温度夏天最高达4 0 * ( 2 至今使用已8 年多，效果良好。 ( 4 ) 酸性油气井用 酸性油气井用不锈钢在c i - h 2 s c 0 2 环境下的腐蚀机制和耐蚀性尽管有不少研究报 道，但仍有许多不明之处，由于油气井的介质环境随地貌不同而异，因此选择耐蚀材料 是相当不易的。8 0 年代以来发表不少有关双相不锈钢在酸性油井介质试验条件下h 2 s 多应力腐蚀破裂的时间与温度、h 2 s 分压、c 1 + ，p h 值等的工程图及破裂、机制的报道， 为双相不锈钢的实际应用提供了可参考的依据。s a f 2 2 0 5 自8 0 年初开始用于油、气井 6 第一章绪论 生产，例如用作生产天然气的空冷器，油井口的输送管道，还有酸性气井的摇臂支杆( 含 9 c t h ，2 0 p p m h 2 s ，2 0 0 3 0 0 p p m c l ，井深6 1 0 0 m ) 等。总之，双相不锈钢在复杂的 不同油、气井生产条件下的应用还不够成熟。随着超级双相不锈钢的发展，近年陆续有 关于这方面应用的报道。例如o r 5 2 n 4 超级双相不锈钢用于北海油田的集油、集气和水 混合物的输送管线以及海岸设施等s a f 2 5 0 7 超级双相不锈钢用在阿拉斯加、墨西哥湾 等地的油气井生产及海上采油平台设施等。 ( 5 ) 高耐蚀环境 近年来双相不锈钢在硝酸、尿素、磷酸、醋酸等要求高耐蚀材料的环境中开拓应用， 取得了成效。 日本开发了耐中等浓度硝酸( 4 0 o - - - 6 0 ) 的n a r - s n - 5 ( 2 7 c r - 8 n i - n ) 双相不锈钢， 己在化工厂生产硝酸的设备上使用，并且被确认为一类压力容器用材，随后又对耐高氧 化性硝酸( 4 0 h n 0 3 加o 2 9 l c r 6 + ) 的双相不锈钢进行了开发，该钢的特点是含有高 硅( s i 2 8 - - 3 8 ) ，钢表面生成含硅的钝化膜，提高了钢在硝酸中的耐蚀性。 在尿素介质中高铬低镍的双相不锈钢具有良好的耐蚀性。日本东洋工程公司开发的 a c e s 尿素新工艺，就是采用d p l 2 ( 2 5 c r - 7 n i 3 m o n ) 双相不锈钢制作汽提塔，高压冷 凝器和高压分解塔等尿素生产的关键设备，已出口至南朝鲜、西班牙等地。我国渭河新 建的大型化肥厂就是采用a c e s 工艺，引进全套双相不锈钢的装置。 3 2 9 j 1 ( 2 5 c r 5 5 n i 1 7 m o ) 可用在醋酸介质制造容器、配管等。在沸腾( 1 0 0 1 1 8 ) 醋酸溶液( 5 0 h a c ) 中，3 2 9 j l 的耐蚀性优于3 1 6 l ，但在沸腾无水醋酸( h 2 0 1 3 5 p p m ) 中，3 2 9 j 1 腐蚀速率显著，达到7 8 m m ( d m 3 d ) 。 在湿法磷酸生产中，一般多用非金属材料橡胶、石墨等，但搅拌桨和泵选用耐磨损 腐蚀的金属材料，多用高合金奥氏体不锈钢，双相不锈钢的应用有限，美国在以佛罗里 达矿为原料时，半水法生产装置也有选用c d 4 m c u ( 铸) 作料浆泵。俄国也有 0 3 x 2 4 h 6 a m 3 钢用于磷酸装里的报道，该钢耐磨性能优于奥氏体不锈钢。 德国也研制成了含锰量6 ，含氮量达o 3 0 的高强度双相不锈钢v e w a 9 0 5 ( x 3 g r m n n i - m o n 2 5 6 4 ) ，强度t l r = 8 1 0 m p a ，o o ，= 5 9 0 m p a ，盯。= 3 7 ，可用制低压蒸 汽透平叶片以代替耐腐蚀疲劳性能不够好的x 2 0 c r l 3 常用叶片材料。 ( 6 ) 在国内的应用 o o c r 2 2 n t 5 m 0 3 n ( 2 2 0 5 ) 简称2 2 c r 双相不锈钢，是中合金型双相不锈钢的代表品 种，它是瑞典s a n d v i k 公司于2 0 世纪7 0 年代针一对油井井管及管线要求开发的其耐综 合腐蚀性能优越，所以它一面世即迅速被美、英、日、法、德引用，并陆续形成了产品 标准。除油、气井外还成功应用于化工换热器，蒸发器等设备，在国外该牌号双相不锈 钢使用量己占双相不锈钢的8 0 ，并且以每年1 7 的速度递增。我国于2 0 世纪8 0 年 代末期，以北京钢铁总院及有关大型钢铁企业为主对该合金进行了开发研制，主要就有 关熔炼，可加工性及耐蚀性能进行了系统研究，并能生产少量管板产品，但未形成大规 7 西安石油大学硕士学位论文 模生产及标准系列，所以化工装备的应用主要以进口为主，而以2 2 0 5 双相不锈钢作为 复材的复合板在生产工艺上没有大的突破，从而限制了其应用领域，据报道国内的太原 钢铁公司，宜宾复合板厂近几年为三峡工程及其它化工企业提供了部分复层为2 - - 4 m m 2 2 0 5 双相不锈钢复合板，其生产方法为爆炸复合法，其产品中一张面积约为1 5 m 2 。随 着国内设备的大型化，其设计要求也越来越高，尤其是薄复层、大而面积的复合板采用 爆炸复合法生产单张面积很难增大，工艺难以保证，无法满足市场需要，而爆炸一轧制 工艺技术的开发研制，有效地克服了工艺上的不足，极大的满足了市场需求。宝鸡有色 金属加工厂了( 集团) 金属复合板公司在此工艺基础上己经为江苏金坛6 0 万吨真空制 盐工程，湖北长江盐化3 0 万吨真空制盐工程，湖南湘衡盐矿环保盐硝联产工程提供了 1 3 0 0 吨2 2 0 5 双相钢复合板，使用效果良好。 ， 2 2 0 5 双相不锈钢( 成分见表1 2 ， 度约为1 8 8 型奥氏体不锈钢的2 5 倍， 力学性能见表1 3 ) 具有较高的强度，其屈服强 抗拉强度约为1 8 8 型不锈钢的1 5 倍。 表1 - 20 0 c r 2 2 n i 5 m 0 3 化学成分( ) 钢种 c ( m a x ) s i ( m a x ) m n ( m a x ) s ( m a x ) p ( m a x ) c r n im on 0 0 2 5 c r n i 5 m 0 3 n0 0 31 01 。00 0 30 0 3 52 1 - 2 35 5 6 0 2 5 - 3 50 1 - 0 2 s a f 2 2 0 50 0 31 02 00 0 20 0 3 2 25 53 20 1 8 l q s s 3 1 8 0 30 0 31 02 00 0 20 0 32 1 2 3 4 5 - 6 52 5 - 3 50 0 1 - 4 ) 2 w n r l 4 4 6 20 0 3 1 o2 0 0 0 1 50 0 3 5 2 1 - 2 34 5 - - 6 52 5 - 3 ，50 1 棚2 表1 - 3 双相不锈钢和1 8 8 型不锈钢性能对比 塑壁! 鲤尘12 ：篷丝1 21 丝 2 2 0 56 8 04 5 02 5 3 1 6 l4 8 01 7 74 0 3 0 44 8 01 7 74 0 2 2 c r 双相不锈钢是一种中合金型双相不锈钢，因其含有2 2 的c r 和铁素体与奥氏 体，它是当今世界最先进的高级耐腐蚀管材，这种管材在国内使用还是一个空白【2 l ”。 由于克拉2 气田天然气中的氯粒子，对普通碳钢管材有极强的腐蚀性，普通碳钢管材容 易因腐蚀而穿孔。而2 2 c r 双相不锈钢有很强的抗氯粒子应力腐蚀和点腐蚀能力，克拉 2 气田产能建设大批量引进和使用2 2 c r 双相不锈钢管材，用在内部集输管道和站内接 触原料气的部分设备及容器阀门和管线阀门，用量达到2 7 0 0 吨，占了全球当年2 2 c r 双相不锈钢产量