4.4.7.7 雙相不銹鋼的應力腐蝕

雙相不銹鋼是中等合金化的不銹鋼，其固淬組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半，其具有奧氏體不銹鋼的優點，對脆性也不敏感。2205型雙相不銹鋼導熱系數比S31603導熱系數高約30%，屈服強度高1倍以上。

雙相不銹鋼中加入適量的氮不僅改善了鋼的耐點蝕和耐SCC性能，而且不會由于焊接熱影響區晶粒嚴重粗化而使塑韌性大幅降低，對焊接熱裂紋也不敏感，因而焊接熱影響區的耐蝕和力學性能有所提高，在許多介質中的耐SCC、耐磨損腐蝕和腐蝕疲勞性能都優于奧氏體不銹鋼[1-5]，特別是在含Cl-的環境中抗SCC的性能尤為優異[6]，在抗H2S SCC性能優于S30403和S31603[5]。

20世紀80年代后，雙相不銹鋼被廣泛用于制造腐蝕環境中的換熱器、洗滌器、干燥器、分離器、攪拌器、離心機、泵、閥及緊固件等。2205型雙相不銹鋼波紋板片換熱器已工業化生產和應用，在常減壓裝置已有大量的2205型雙相不銹鋼板式空冷器產品代替原來的奧氏體不銹鋼板式換熱器或2205型雙相不銹鋼管式換熱器[5]；塔里木油田使用了大量2205型雙相不銹用于分離器、集輸管線襯里來抗CO2腐蝕，設備已安全運行10a以上。雙相不銹鋼一般可分為4類:

低合金型-代表牌號UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N），PREN(16N)值24～25；

中合金型-代表牌號UNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N），PREN(16N)值32～ 33；

高合金型-代表牌號UNS S32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），PREN(16N)值38～39；

超級雙相不銹鋼-代表牌號UNS S32750(25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N)，PREN(16N)值＞40。

超級雙相不銹鋼型，含高Mo和N，有的含Cu和W，可用于苛刻的介質條件，有良好的耐腐蝕和力學性能，可與超級奧氏體不銹鋼相比美。低合金型UNS S32304不含鉬，在耐SCC方面可代替S30408或S31608使用；中合金型UNS S31803的耐蝕性能介于S31603和6%(mass)Mo+N奧氏體不銹鋼之間；高合金型一般含Cr25%(mass)，還含有Mo和N，有的還含有Cu和W，這類鋼的耐蝕性能高于22%(mass)Cr的雙相不銹鋼。

表4-50為幾種代表牌號的雙相不銹鋼主要合金化學成分。從表中可以看出S32205是由S31803派生出的鋼種，1999年 ASTM A 240/240M[7]納入，我國對應的牌號為GB/T 20878[8]中的022Cr22Ni5Mo3N，并且其板材已納入GB/T 4237[6]和GB/T 3280[9]，管材已納入GB/T 21833.2[10]和GB/T 21832.2[11]。它的Cr、Mo和N元素的區間都比較窄，容易達到相的平衡(即兩相約各占一半)，改善了鋼的強度、耐腐蝕性和焊接性能，多用于性能要求較高和需要焊接的材料，如油氣管線等。

表4-50 代表牌號的主要化學成分[6]  mass%

雙相不銹鋼的連續使用溫度范圍為-50～250 ℃，下限取決于鋼的脆性轉變溫度，上限受到475℃脆化的限制，因此需嚴格控制熱處理和焊接工藝，以免出現有害相，導致其抗腐蝕和力學性能下降 ，其使用溫度必須控制在300℃以下[12]。雙相不銹鋼的塑韌性、焊接性和成型性能不如奧氏體不銹鋼，價格較奧氏體不銹鋼高，也制約了它的應用。

盡管雙相不銹鋼有較好的耐局部腐蝕性能，但從文獻中獲取的數據很多是實驗室的腐蝕試驗結果，往往與工程實際條件有差距。因此在必要時需要進行實際介質中的腐蝕試驗或現場條件下的掛片試驗，甚至模擬裝置的試驗。

在中性氯化物環境中，300系奧氏體不銹鋼有產生點蝕和SCC的危險，而雙相不銹鋼正好可以解決這一問題。多年來，國內外有關雙相不銹鋼在中性氯化物介質中，尤其大量用作接觸含Cl-冷卻水的熱交換器的管材損壞事例的報道不多，但是在高溫下，Cl-富集處或含有H2S的酸性氯化物溶液中也會出現SCC現象。在高塑性的形變區，如彎管時的強烈冷變形導致殘余拉應力過高，硬度急劇升高，在高溫含Cl-環境中也可能發生SCC。所以控制雙相不銹鋼變形部位的硬度和使用環境是其成功應用的前提。

2205型雙相不銹鋼有在100℃以下，含Cl-和H2S數百mg?L-1的近中性環境中成功使用數年的經驗[5]。文獻[13]通過U形彎曲恒應變SCC試驗、點蝕試驗和全面腐蝕試驗系統研究了雙相不銹鋼材料在高含Cl-、H2S和CO2復雜環境下的腐蝕特性，結果表明，在復雜環境下，中合金雙相鋼在復雜環境中，6O℃以下全面腐蝕速率極低，點蝕和SCC敏感性較低，可以用于溫度低于60℃的復雜環境；但在有Cl-濃縮的情況下，80℃以上有SCC和點蝕風險。隨著溫度和pH值上升，2205的自然腐蝕電位和點蝕電位明顯下降。隨著介質中Cl-含量、H2S和CO2分壓下降，自然腐蝕電位和點蝕電位明顯上升。從極化曲線上看，2205母材和焊接接頭經熱處理后，在復雜介質中，120℃下耐全面腐蝕性能優異，耐晶間腐蝕性能良好，常溫下抗SCC和點蝕性能良好，但在100℃以上有SCC的風險。在復雜介質中綜合耐蝕性能與2205相比較，沒有優勢。

文獻[14]雙相不銹鋼選用說明和設計規范對2205型和2507型雙相不銹鋼的化學成分、力學性能、熱處理焊接、顯微組織、沖擊試驗、硬度測量和腐蝕試驗做了詳細說明，認為該鋼種還是存在SCC和SSCC風險，選用時，應對其在使用環境下的SCC和SSCC風險按 NACE TM0175[15]進行評價，在設計上應限制使用溫度S31803為-40～280℃、S32704為-30～250℃。雙相不銹鋼的熱處理較奧氏體不銹鋼要更敏感，存在雙相鋼中由于有害相的析出導致材料的韌性和耐蝕性下降風險，由于熱處理保溫時間不足，析出的有害相未能完全溶解，或者在高載荷作用下材料長時間暴露在有害相析出的溫度范圍。熱處理溫度和時間對材料沖擊強度的影響見圖4-165[4]，適宜的熱處理溫度見表4-51，要求冷卻速度盡可能的快。

圖4-165  固溶退火條件下沖擊強度下降50%溫度與時間曲線

表4-51  雙相不銹鋼板和管熱處理溫度  ℃

文獻[18]研究了雙相鋼冶金和焊接、熱處理等因素對耐蝕性的影響。認為，焊接接頭的化學成分、焊接和熱處理過程決定了其特性，添加N可以提高抗點蝕能力，但熱處理后鐵素體含量下降其抗SCC能力下降，當鐵素體含量小于30%時，有發生SCC的風險。

雙相鋼的顯微組織即奧氏體和鐵素體的相平衡是影響其性能的重要因素，對于雙相鋼中的鐵素體含量，取決于其化學成分和熱循環史，研究認為材料和焊接接頭的相比例對其耐蝕性有重要影響，相比例的評定應執行GB/T 13305[19]。對于母材，鐵素體含量控制應在40～50%，大多數情況下是母材鐵素體含量40～60%，焊縫金屬30～60%。當鐵素體含量大于70%時，其抗點蝕性能下降；當鐵素體含量小于30%，抗SCC性能惡化。

文獻[20，21，22]按ISO 15324[23]（GB/T 20122[24]） 采用滴落蒸發試驗（drop evaporation test，DET）研究了雙相鋼在海水和不同含量的NaCl介質中的SCC敏感性與溫度的關系。結果表明22Cr和25Cr雙相鋼發生SCC的溫度低于105℃。在工程上，避免雙相鋼襯里腐蝕推薦的臨界溫度還應向下修正到70℃。在90%Rp0.2的應力作用下，發生SCC的臨界溫度為70℃和80℃。產生SCC主要原因是因為化學品的沉積，在鹽垢下試樣上發現有點蝕坑，導致沉積物下金屬腐蝕和微觀塑性的降低，試驗SCC形貌見圖4-166。22Cr雙相鋼在70%Rp0.2的應力作用下，100℃時未觀察到腐蝕和SCC，試驗結果見表4-52。文獻[25]研究 2205在42%(mass) MgCl2溶液中，沸點溫度下（145℃）有強烈的SCC傾向，而在25%(mass) MgCl2溶液中，沸點溫度下（110℃）母材和焊接接頭試樣均未發生開裂。

表4-52  滴落蒸發試驗結果

a.滴落試驗的典型失效（22Cr試樣 88%Rp0.2 100℃）

b.在沉積層下的微裂紋

c.在沉積層下邊緣位置的大裂紋

圖4-166  22Cr試樣DET斷裂形貌

文獻[99]對比了奧氏體不銹鋼和2205、2507雙相鋼抗氯化物點蝕、縫隙腐蝕和SCC的性能，結果見圖4-167～169，結果表明，雙相鋼的耐蝕性大大優于奧氏體不銹鋼。

圖4-167  幾種不銹鋼在1M NaCl溶液中CPT的典型值 

圖4-168  幾種不銹鋼在6%(mass)FeCl3溶液中CCT的典型值

載荷200℃  Rp0.2%

圖4-169  幾種材料在強蒸發條件下500h斷裂的相對應力門檻值

對雙相鋼的抗SCC性能，取決于環境因素和材料的冶金狀態，還沒有一個簡單的實驗室試驗能劃分含氯環境的等級來預測發生SCC的可能性，不推薦用某些項目問卷調查的方式來指定試驗。對于油氣生產上的SSCC敏感性，取決于環境的H2S分壓和材料因素，其使用范圍應符合NACE MR0175[15] 規定，2205型雙相不銹鋼限制使用環境的H2S分壓應小于10kPa。

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