雙相不銹鋼（ ＤＳＳ ）是固溶組織中鐵素體相和奧氏體相各占約一半的雙相組織的不銹鋼。由于其獨(dú)特的組織特點(diǎn)，通過正確控制化學(xué)成分和熱處理工藝，將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性與鐵素體不銹鋼所具有的較高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能相結(jié)合，使得雙相不銹鋼兼具兩相的優(yōu)點(diǎn)，在全世界范圍內(nèi)獲得越來越廣泛的應(yīng)用 。目前世界雙相不銹鋼的產(chǎn)量為 １５ 萬 ～４０ 萬 ｔ ，雖只占不銹鋼總產(chǎn)量的１％ ～３％ ，但 最 近 １０ 年 年 均 增 長 迅 猛，僅２００５年到２００８年期間即增長了６倍，目前廣泛用于油氣、化工、淡水凈化、造紙和紙漿、食品和輕工業(yè)以及建筑、樓房等結(jié)構(gòu)件方面。

    當(dāng)前雙相不銹鋼的發(fā)展已經(jīng)歷經(jīng)３代：第１代 ＤＳＳ以２０世紀(jì)６０年代中期瑞典開發(fā)的３ＲＥ６０鋼為代表，該鋼可用作耐氯離子應(yīng)力腐蝕環(huán)境，但有焊接熱影響區(qū)的問題；第２代 ＤＳＳ為２０世紀(jì)７０年代后，結(jié)合 ＡＯＤ 、 ＶＯＤ 精煉技術(shù)的發(fā)展，具有超低碳和含氮的特征，其代表牌號為瑞典開發(fā)的 ＳＡＦ２２０５ ，點(diǎn)蝕當(dāng)量指數(shù)（ ＰＲＥ ）為 ３２～３９ ；第 ３ 代 ＤＳＳ為２０世紀(jì)８０年代后期發(fā)展的超低碳、高鉬、高氮含量的超級雙相不銹鋼（ ＳｕｐｅｒＤＳＳ ，ＳＤＳＳ ），其代表牌號有 ＳＡＦ２５０７ 、 ＵＲ５２Ｎ＋ 、ＺＥＲＯＮ１００等， ＰＲＥ 值大于４０ 。

    自第３代超級雙相不銹鋼開發(fā)以來，由于它們在兼具優(yōu)良的力學(xué)性能和高耐蝕性的同時(shí)，與擁有相近性能的超級奧氏體不銹鋼和鎳基合金材料相比，又具有成本優(yōu)勢，因此在諸如油氣田、石化及化學(xué)處理等工業(yè)中的應(yīng)用迅速增長。盡管如此，在腐蝕環(huán)境更為苛刻的領(lǐng)域，如熱海水中長期服役的工況環(huán)境，以及對耐蝕／力學(xué)性能的綜合性能有更高要求的海洋及深海領(lǐng)域，如改良油氣回采方法的井口控制系統(tǒng)和深海海底管道和管道纜等工況環(huán)境，雙相不銹鋼的耐蝕性能和力學(xué)性能仍無法完全滿足使用要求。另外，從成本控制角度來講，通過設(shè)計(jì)厚度的減薄，終端用戶可以降低成本，這就對更高強(qiáng)度的材料提出了需求。

    因此，隨著近年來人們不斷提高的要求及雙相不銹鋼的發(fā)展，強(qiáng)度更高、耐蝕性能更優(yōu)的新一代雙相不銹鋼材料———特超級雙相不銹鋼應(yīng)運(yùn)而生并得到發(fā) 展 應(yīng) 用。 本 文 概 述 了 世 界 范 圍 內(nèi) 以 ＵＮＳＳ３２７０７和 ＵＮＳ　Ｓ３３２０７ 為代表的特超級雙相不銹鋼的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，重點(diǎn)對特超級雙相不銹鋼的成分設(shè)計(jì)思路、組織特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并結(jié)合其性能優(yōu)勢介紹了國外在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用范例，以期為國內(nèi)雙相不銹鋼的發(fā)展提供思路和幫助。

    1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)和組織特點(diǎn)

    雙相不銹鋼的性能，尤其是其塑韌性及耐腐蝕性能與兩相平衡比例和有害相控制有著密切的關(guān)系 ，而相構(gòu)成與相比例主要決定于鋼的化學(xué)成分和固溶處理工藝。特超級雙相不銹鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝同樣遵循這個(gè)基本原則。

    １.１　 成分設(shè)計(jì)

    為了滿足日益提高的應(yīng)用性能要求，高合金化是特超級雙相不銹鋼的設(shè)計(jì)思路。但在成分設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到幾個(gè)原則：穩(wěn)定的兩相平衡組織、良好的熱穩(wěn)定性和盡量少的有害析出相。這就要求在進(jìn)一步提高鋼中鉻、鉬、氮含量以提高強(qiáng)度和耐蝕性的同時(shí)，還要調(diào)節(jié)合理的其他元素成分配比，以獲得優(yōu)異的綜合性能。

    強(qiáng)度更高、耐蝕性更優(yōu)的特超級雙相不銹鋼牌號，其 ＰＲＥ 值接近 ５０ （ ＰＲＥ＝ ｗ Ｃｒ ＋３。３× （ ｗ Ｍｏ ＋０。５ ｗ Ｗ ） ＋１６ ｗ Ｎ ），可滿足更加苛刻的腐蝕介質(zhì)環(huán)境 ［７ ］ 和近代工業(yè)發(fā)展的需求。表１例舉了幾種目前主要的 ＨＤＳＳ 牌號的化學(xué)成分和對應(yīng)的 ＰＲＥ 值，另外還包括 Ｓ３２２０５和Ｓ３２７５０等雙相鋼作為對比  。

    １.２　 相比例調(diào)控

  當(dāng)鋼的化學(xué)成分一定時(shí)，主要通過合適溫度下的固溶處理，調(diào)控合適的奧氏體相／鐵素體相相比例 。圖１列舉了經(jīng)過不同固溶溫度處理后的ＵＮＳ　Ｓ３２７０７鋼組織中的各相比例。可見在較低溫度固溶，組 織 中 有 一 定 量 的 有 害 相 σ 相，該 相 在１　１００ ℃以上時(shí)可以基本固溶。在較高溫度固溶時(shí)，隨固溶溫度的提高鋼中鐵素體相比例逐漸提高，而奧氏體相比例相應(yīng)下降 ［１９ ］ 。

    圖２為ＵＮＳ　Ｓ３２７０７經(jīng)１１００ ℃固溶處理后的組織照片。其中呈孤島狀分布的較亮部分為奧氏體相，較暗部分則為鐵素體相。這時(shí)鐵素體相和奧氏體相大約各占一半，特超級雙相不銹鋼的成分平衡。

    另外為了防止較弱相被優(yōu)先腐蝕，鋼的奧氏體及鐵素體兩相各自的耐點(diǎn)蝕指數(shù)（ ＰＲＥ ）設(shè)計(jì)相當(dāng)，以ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 為例，兩相各自的 ＰＲＥ 值平均相差不到１。

    ２　 耐腐蝕性能

    在含有氧化劑的氯化物溶液中，點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕一般是不銹鋼中最常見的失效形式。雙相不銹鋼中加入鉻、氮及鉬元素，可以提高耐此類局部腐蝕的能力  。特超級雙相不銹鋼的研發(fā)中也充分借鑒了此 經(jīng) 驗(yàn)。根 據(jù) 表 １ 數(shù) 據(jù) 顯 示， ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 和ＵＮＳ　Ｓ３３２０７ 的理論抗點(diǎn)蝕當(dāng)量達(dá)到 ５０ 左右。按照ＡＳＴＭ　Ｇ４８Ａ 修訂版標(biāo)準(zhǔn)對雙相不銹鋼的臨界點(diǎn)蝕溫度（ ＣＰＴ ）進(jìn)行測試顯示，ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 和 ＵＮＳ　Ｓ３３２０７的臨界點(diǎn)蝕溫度均高于 ９０ ℃，而ＵＮＳ　Ｓ３２７５０ 則約為 ８０ ℃ 。

    臨界縫隙腐蝕溫度（ ＣＣＴ ）提高對材料的使用也非常重要，這將大 大提 高材 料 在 低 氧 化 還 原 電 位的含氯化 物介質(zhì)中 的服 役溫 度，例如在精煉廠的工業(yè)蒸汽、海水、尤其是在低ｐＨ值和高濃度的氯化物溶 液 這 類 介 質(zhì) 中， ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 的 耐 蝕 性 要 比ＵＮＳ　Ｓ３２７５０ 和超級奧氏體不銹鋼 ２５４ＳＭＯ 好得多，如圖 ３ 所示。 在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)力腐蝕開裂（ ＳＣＣ ）是最嚴(yán)重的一種腐蝕形式，其可能導(dǎo)致材料的快速失效。同其他雙相不銹鋼一樣，由于具有奧氏體和鐵素體雙相結(jié)構(gòu)， ＵＮＳ　Ｓ３２７０７可以應(yīng)用于氯離子腐蝕環(huán)境，避免發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。特超級雙相不銹鋼和超級雙相鋼、雙相不銹鋼、３００系奧氏體不銹鋼在１　０００ｈ耐氯離子ＳＣＣ試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)對比如圖４所示。從圖４可以看出，特超級雙相不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能更加優(yōu)異。 均勻腐蝕影響在介質(zhì)中服役的不銹鋼部件的使用壽命，而 ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 在諸如甲酸和乙酸等有機(jī)酸中具有很好的耐蝕性。在標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼腐蝕較快的使用環(huán)境中，特超級雙相不銹鋼甚至可以很好地替代高合金奧氏體不銹鋼和鎳基合金。

    ３　 力學(xué)性能

    特超級雙相不銹鋼的雙相組織使其屈服強(qiáng)度是與其耐點(diǎn)蝕性能相當(dāng)?shù)膴W氏體不銹鋼的２倍。更高的強(qiáng)度可以顯著降低材料厚度、質(zhì)量及安裝成本。

    與此同時(shí)，其仍然保持較好的塑性，且制造工藝和奧氏體鋼相近。熱交換器管用 ＵＮＳ　Ｓ３２７０７材料的屈服強(qiáng)度一般為８００ＭＰａ ，抗拉強(qiáng)度為１０００ＭＰａ ，淬火熱處理態(tài)下的伸長率大于２５％ 。而 ＵＮＳ　Ｓ３３２０７具有更高的抗拉強(qiáng)度，在淬火熱處理狀態(tài)下，抗拉強(qiáng)度比超級雙相鋼 ＵＮＳ　Ｓ３２７５０高２０％ 。

    雙相不銹鋼的使用溫度范圍在－５０～３００ ℃ ，依據(jù)鋼種及標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)定的不同而有一些差別。

    由于含有鐵素體相，低溫時(shí)材料將會脆化；在鐵素體分解速率達(dá)到最大的較高溫度時(shí)，鐵素體相發(fā)生轉(zhuǎn)變而脆化（４７５ ℃脆性）。而 ＵＮＳ　Ｓ３２７０７具有很好的沖擊韌性，其脆性轉(zhuǎn)變溫度低于－５０ ℃ 。

    ４　 特超級雙相不銹鋼的應(yīng)用

    ４.１　 海洋／深海環(huán)境

    特超級雙相不銹鋼具有超高強(qiáng)度和耐蝕性能，非常適合用于海洋環(huán)境，尤其是深海的油田開采。

    作為一種可以在苛刻腐蝕條件下使用的高合金雙相鋼， ＵＮＳ　Ｓ３２７０７尤其適用于苛刻的、酸性或者氯離子腐蝕環(huán)境，比如熱帶海水中。 Ｓａｎｄｖｉｋ公司開發(fā)了用 于 氯 離 子 腐 蝕 環(huán) 境 下 的 海 洋 油 井 用 ＳＡＦ２７０７ＨＤ 線材，能在 －５０～２８０ ℃ 的溫度范圍內(nèi)使用，能夠耐高溫氯離子點(diǎn)腐蝕。經(jīng)過 ６ 個(gè)月的測試，ＳＡＦ　２７０７ＨＤ 材料的使用壽命長，縮短油井停工期，降低成本和維護(hù)費(fèi)用，是油井使用的理想材料，目前已成功應(yīng)用于近海岸深水油井。

    該材料的抗拉強(qiáng)度和破壞載荷比大多數(shù)不銹鋼和高合金線材都高，高的強(qiáng)度以及耐磨、耐機(jī)械破壞和良好的抗疲勞強(qiáng)度可以有效延長材料的預(yù)期壽命。在印度尼西亞海岸的一項(xiàng)應(yīng)用測試結(jié)果顯示，ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 材 料的 使用 壽命是 ＵＮＳ　Ｓ３２７６０ 的２.５ 倍。該材料可以在： Ｃｌ－質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 １５０００×１０^_－６ 、１５３ ℃ 、 ３４ＭＰａ 的條件下使用。經(jīng)過長期的使用， ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 線材的延展性仍保持良好，成為超級奧氏體不銹鋼和鎳基合金的低成本替代材料。

    海底臍帶用于連接海面鉆井控制平臺和海底油井，起到傳輸信號和向海底油氣井運(yùn)送化學(xué)品的作用，是海洋、尤其是深海油氣開采的關(guān)鍵部件。海底臍帶管材料不僅需要更加苛刻的強(qiáng)度和耐蝕性能要求，還需承受高周和低周疲勞。之前廣泛使用超級雙相不銹鋼 ＵＮＳ　Ｓ３２７５０作為臍帶管用材，但隨著鉆井深度的增加，有些新項(xiàng)目水深達(dá)到２　５００ｍ 、水壓達(dá)到１０３ＭＰａ時(shí)，雖然仍可使用超級雙相不銹鋼材料，但必須增加管壁厚度以及涂層來滿足強(qiáng)度和抗腐蝕性能設(shè)計(jì)要求。增加管壁厚度后，超級雙相不銹鋼材料甚至不能承受自重，且安裝成本大幅增加。而新一代的特超級雙相不銹鋼 ＵＮＳ　Ｓ３３２０７的應(yīng)用使超深海底油田的開發(fā)成為可能。與超級雙相鋼相比，Ｓａｎｄｖｉｋ 公司開發(fā)的 ＳＡＦ　３２０７ＨＤ 具有更高的強(qiáng)度（９８０～１　１８０ＭＰａ ）和相似的伸長率，并具有很高的疲勞周期壽命，可在９０ ℃左右溫度工作。

    其良好的力學(xué)性能使得管壁厚度和設(shè)備質(zhì)量大幅降低，安裝成本也隨之降低。相對ＳＡＦ　２５０７材料，臍帶管壁厚度可減薄２１％ ，質(zhì)量減輕２２％ ，這使得開發(fā)深度超過２　５００ｍ 的深海油田成為可能。

    ４.２　 海水淡化／海水熱交換器

    早在２０世紀(jì)７０年代日本開始使用３２９Ｊ１和ＮＴＫＲ － ４ （ ００Ｃｒ２５Ｎｉ５Ｍｏ１.５ － ２.５ 含氮或不含氮）鋼制造化工廠用或船用海水熱交換器或海水冷卻器管束，部分代替鋁黃銅管。目前使用的主要 材料是ＵＮＳ　Ｓ３２７５０超級雙相不銹鋼。但特超級雙相不銹鋼則性能更加優(yōu)異，和超級雙相不銹鋼（其最高使用溫度５０ ℃ ）相比，特超級雙相鋼材料可在７０ ℃溫度使用，運(yùn)行效率更高。例如地中海的一家化工廠的海水熱交換器，殼程是含有少量氟化物的丁烷，入口溫度８０ ℃ ，出口溫度 ３０ ℃ ，管程是海水。先前采用不耐氟離子腐蝕的鈦管，只能用 ３ 個(gè)月，該工廠最終選擇 Ｓａｎｄｖｉｋ 公司的 ＳＡＦ２７０７ＨＤ 特超級雙相不銹鋼制作海水冷卻交換器，其性能比 ＳＡＦ　２２０５ 更為可靠，從 ２００５ 年底開始使用至今。

    因此，在海水淡化或者海水熱交換器環(huán)境下，特超級雙相不銹鋼具有巨大的優(yōu)勢。如果考慮采用特超級雙相不銹鋼帶來的維護(hù)費(fèi)用大幅降低、運(yùn)行時(shí)間延長、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)更為高效安全，特超級雙相鋼具備真正意義上的低壽命周期成本。

    ４.３　 石油和天然氣工業(yè)

    ２０ 世紀(jì) ８０ 年代以來，雙相不銹鋼在酸性氣和油的生產(chǎn)中用量逐漸增多，主要用作生產(chǎn)管襯里、岸上和近海的管道系統(tǒng)以及熱交換器等。尤其在天然氣的生產(chǎn)中，雙相不銹鋼多數(shù)面臨的是含有大量 Ｃｌ－ 、ＣＯ ２ 和 Ｈ ２ Ｓ 這類酸性環(huán)境。 ２００３ 年底，一家美國石油精煉廠由于使用的原油品位低，容易造成氯離子腐蝕，以前通常采用超級雙相不銹鋼 ＵＮＳ　Ｓ３２７５０ ，但在苛刻的使用環(huán)境下，管材還會發(fā)生點(diǎn)蝕甚至是開裂，而該廠將其常壓蒸餾器的頂泵及循環(huán)交換器的換熱器管材料完全用 ＵＮＳ　Ｓ３２７０７材料替代后，到目前為止運(yùn)行得非常好。

    歐洲一家精煉廠也有類似的問題，他們在常壓蒸餾裝置塔頂?shù)目諝饫淠髦惺褂玫奶间搲勖艿停鴮⒉捎?ＵＮＳ　Ｓ３２７０７材料的冷凝器管安裝到空氣冷凝器最惡劣環(huán)境下使用一年后觀察，服役良好。

    ４.４　 紙漿和造紙工業(yè)

    雙相不銹鋼在紙漿和造紙工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)有４０年 的 歷 史 了， ３ＲＥ６０ 鋼、 ＵＮＳ　Ｓ３２２０５ 、 ＵＮＳＳ３２７５０等雙相不銹鋼都已獲得了應(yīng)用。其主要是利用雙相不銹鋼優(yōu)良的力學(xué)性能、耐磨損腐蝕、耐腐蝕疲勞以及耐應(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)勢，在制造紙漿和造紙工業(yè)用的木屑預(yù)蒸器、間歇式和連續(xù)式紙漿蒸煮器，造紙壓力滾筒和回收設(shè)備等方面都取得了良好的使用效果。此外，在北美、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家，（超級）雙相不銹鋼還成功地在煉油工業(yè)、化肥工業(yè)、能源與環(huán)保工程、輕工和食品工程以及高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。目前特超級雙相不銹鋼的使用成為一種趨勢。如南美一家生產(chǎn)硼酸和硼鹽的化工廠，原先使用６Ｍｏ超級奧氏體不銹鋼，因存在含氯化物較高的高溫環(huán)境，有腐蝕問題，２００５年該廠采用了 ＵＮＳ　Ｓ３２７０７管將其替代。

    ５ 結(jié)論

    特超級雙相不銹鋼在國外已經(jīng)歷經(jīng)多年的研發(fā)與應(yīng)用，在生產(chǎn)企業(yè)、協(xié)會等多方面的推動下，正在獲得越來越多用戶的親睞，使用范圍越來越廣泛。

    中國目前主流的牌號仍為 ２２０５ 類傳統(tǒng)雙相不銹鋼，超級雙相不銹鋼有少量的生產(chǎn)，而特超級雙相不銹鋼則剛剛起步，處于研發(fā)階段。考慮到中國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，諸如深海油氣開采、海水淡化、煙氣脫硫、新能源等領(lǐng)域的開發(fā)迫在眉睫，而這些恰恰都是特超級雙相不銹鋼發(fā)揮其優(yōu)勢的用武之地。因此國內(nèi)需要就特超級雙相不銹鋼的成分設(shè)計(jì)、熱加工性能、焊接性能等關(guān)鍵技術(shù)，組織生產(chǎn)企業(yè)與使用單位上下游結(jié)合及產(chǎn)學(xué)研的聯(lián)合攻關(guān)，并加強(qiáng)國內(nèi)外技術(shù)的交流，利用多種手段加大宣傳力度，推廣應(yīng)用領(lǐng)域，推進(jìn)中國特超級雙相不銹鋼的發(fā)展。

(來源：知網(wǎng)  作者：豐涵 ，周曉玉 ， 劉虎 ，宋志剛）

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