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雙相不銹鋼知識的詳解

2024-03-07 13:28:42 作者：阿斯米來源：阿斯米分享至：

雙相不銹鋼（Duplex Stainless Steel，簡稱DSS），指鐵素體與奧氏體各約占50%，一般較少相的含量最少也需要達到30%的不銹鋼。在含C較低的情況下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。

1、不銹鋼為什么不會生銹？

不銹鋼的耐腐蝕性能一般隨著鉻含量的增加而提高，當鋼中的鉻含量Cr≥12%，會在鋼的表面形成一層非常薄，但很致密的氧化膜(通稱鈍化膜)，保護基體不再被氧化或腐蝕，不銹鋼因此具有優良的耐蝕性能。

2、雙相不銹鋼的組成

雙相不銹鋼（Duplex Stainless Steel，簡稱DSS），指鐵素體與奧氏體各約占50%，一般較少相的含量最少也需要達到30%的不銹鋼。在含C較低的情況下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。

圖:雙相不銹鋼的組成

圖：雙相不銹鋼的微觀組織

3、雙相不銹鋼的分類

第一類屬低合金型

代表牌號UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N），鋼中不含鉬，PREN值為24-25，在耐應力腐蝕方面可代替AISI304或316使用。

第二類屬中合金型

代表牌號是UNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N）,PREN值為32-33，其耐蝕性能介于AISI 316L和6%Mo+N奧氏體不銹鋼之間。

第三類屬高合金型

一般含25%Cr，還含有鉬和氮，有的還含有銅和鎢，標準牌號UNSS32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），PREN值為38-39，這類鋼的耐蝕性能高于22%Cr的雙相不銹鋼。

第四類屬超級雙相不銹鋼型

含高鉬和氮，標準牌號UNS S32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N）,有的也含鎢和銅,PREN值大于40,可適用于苛刻的介質條件,具有良好的耐蝕與力學綜合性能，可與超級奧氏體不銹鋼相媲美。

4、雙相不銹鋼 VS 奧氏體 & 鐵素體不銹鋼

由于兩相組織的特點，通過正確控制化學成分和熱處理工藝，使雙相不銹鋼兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優點。

與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的優勢如下：

（1）屈服強度比普通奧氏體不銹鋼高一倍多，且具有成型需要的足夠的塑韌性。采用雙相不銹鋼制造儲罐或壓力容器的壁厚要比常用的奧氏體減少30-50%，有利于降低成本。

（2）具有優異的耐應力腐蝕破裂的能力，即使是含合金量最低的雙相不銹鋼也有比奧氏體不銹鋼更高的耐應力腐蝕破裂的能力，尤其在含氯離子的環境中。應力腐蝕是普通奧氏體不銹鋼難以解決的突出問題。

（3）在許多介質中應用最普遍的2205雙相不銹鋼的耐腐蝕性優于普通的316L奧氏體不銹鋼，而超級雙相不銹鋼具有極高的耐腐蝕性，在一些介質中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奧氏體不銹鋼，乃至耐蝕合金。

（4）具有良好的耐局部腐蝕性能，與合金含量相當的奧氏體不銹鋼相比，它的耐磨損腐蝕和疲勞腐蝕性能都優于奧氏體不銹鋼。

（5）比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數低，和碳鋼接近，適合與碳鋼連接，具有重要的工程意義，如生產復合板或襯里等。

（6）不論在動載或靜載條件下，比奧氏體不銹鋼具有更高的能量吸收能力，這對結構件應付突發事故如沖撞，爆炸等，雙相不銹鋼優勢明顯，有實際應用價值。

與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的弱勢如下：

（1）應用的普遍性與多面性不如奧氏體不銹鋼，例如其使用溫度必須控制在250攝氏度以下。

（2）其塑韌性較奧氏體不銹鋼低，冷，熱加工工藝和成型性能不如奧氏體不銹鋼。

（3）存在中溫脆性區，需要嚴格控制熱處理和焊接的工藝制度，以避免有害相的出現，損害性能。

與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的優勢如下：

（1）綜合力學性能比鐵素體不銹鋼好，尤其是塑韌性，不像鐵素體不銹鋼那樣對脆性敏感。

（2）除耐應力腐蝕性能外，其他耐局部腐蝕性能都優于鐵素體不銹鋼。

（3）冷加工工藝性能和冷成型性能遠優于鐵素體不銹鋼。

（4）焊接性能也遠優于鐵素體不銹鋼，一般焊前不需預熱，焊后不需熱處理。

（5）應用范圍較鐵素體不銹鋼寬。

與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的弱勢如下：

合金元素含量高，價格相對高，一般鐵素體不含鎳。

5、雙相不銹鋼的應用

雙相不銹鋼不管是在高度腐蝕環境還是在不銹鋼結構的工程材料方面都是一種萬能的材料。其用途包括：

● 造紙工業；

● 化學和石油化學工業；

● 濕法冶金；

● 有機酸和苛性堿介質；

● 污染控制設備；

● 化學品貯槽；

● 海上和海岸應用；

● 釀酒廠的管道裝置；

● 建筑物。

雙相不銹鋼是集優良耐腐蝕性、高強度和易于制造加工等諸多優異性能于一身的鋼類。其物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，但更接近于鐵素體不銹鋼和碳鋼。

雙相不銹鋼歷史

雙相不銹鋼已有近80年的歷史，其顯微組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半。早期的牌號是鉻、鎳和鉬的合金。第一批鍛軋雙相不銹鋼于1930年在瑞典生產，并用于亞硫酸鹽造紙工業。這些鋼種是高碳雙相不銹鋼，其最初的開發目的是為了減少晶間腐蝕問題。1930年芬蘭生產出雙相不銹鋼鑄件，1936年法國獲得專利鋼種，就是后來著名的Uranus50。二戰后，AISI329不銹鋼成為成熟的牌號并廣泛用于硝酸裝置的熱交換器管道。3RE60是專為提高耐氯化物應力腐蝕斷裂（SCC）性能而開發的第一代雙相不銹鋼牌號之一；后來，鍛造和鑄造雙相不銹鋼牌號均用于各種加工工業，包括容器、熱交換器和泵。

第一代雙相不銹鋼具有良好的性能，但在焊接狀態下有局限性。焊縫的熱影響區（HAZ）由于鐵素體過多而韌性低，并且耐腐蝕性明顯低于母材。這些局限性限制了第一代雙相不銹鋼的應用，通常僅限于非焊接狀態使用。1968年不銹鋼精煉和氬氧脫碳（AOD）工藝的發明，使一系列新不銹鋼鋼種的產生成為可能。AOD所帶來的諸多進步之一便是氮作為合金元素的刻意添加。雙相不銹鋼的氮合金化使得焊接狀態下HAZ的韌性和耐腐蝕性接近于母材成為可能。隨著奧氏體穩定性的提高，氮也降低了有害金屬間相的形成速率。

第二代雙相不銹鋼具有氮合金化的特征。這一新的商品化進展始于上世紀70年代后期，正好與北海海上油氣田的開發以及對具有優異耐氯離子腐蝕性能、良好的加工性能和高強度的不銹鋼的需求相吻合。2205成為第二代雙相不銹鋼的主要牌號并廣泛用于海上石油平臺集氣管線和處理設施。由于這類鋼的強度高，允許在平臺上進行減小壁厚和減重，使其應用有很大的吸引力。

雙相不銹鋼一直在不斷發展，雙相不銹鋼包含一系列腐蝕特性各不相同的牌號，其腐蝕性能取決于它們的合金成分。現代雙相不銹鋼可分為五種類型：

* 不添加鉬的經濟型雙相不銹鋼如2304；

* 標準雙相不銹鋼如2205，是主要的鋼種，占雙相鋼用量的80%以上；

* 25Cr雙相不銹鋼如合金255，PREN值小于40；

* 超級雙相不銹鋼（PREN值40～45），含25％～26%Cr，比25Cr雙相不銹鋼更高的鉬和氮的含量，如2507；

* 特超級雙相不銹鋼，PREN值超過45的高合金化雙相不銹鋼。

雙相不銹鋼的應用

煙氣脫硫

燃煤電力設施為進一步降低SO₂的排放，而煙氣脫硫（FGD）是達到SO₂低排放的一種方法。利用石灰或石灰石泥漿 "濕法洗滌"煙氣中的SO₂是一種成熟技術，自從上世紀70年代以來就作為基本方法用于電站鍋爐系統。

現代化洗滌裝置目前能去除廢氣中90%的SO₂。現代化FGD裝置由具有不同溫度、氯化物含量和pH的幾個區組成。2205不銹鋼（S32205）由于與奧氏體不銹鋼相比成本更低，耐腐蝕性更好，已經在歐洲和亞洲用于FGD裝置。最近，北美已經接受雙相不銹鋼的應用，由于其焊后的高強度、良好的耐腐蝕性能和高韌性，已成為最受歡迎的FGD吸收塔選材。

海水淡化

海水淡化由于其高氯化物含量、高溫的腐蝕性工藝環境，使材料經受了最嚴格的一種考驗。海水淡化的歷史基本上是材料發展的歷史，因為海水淡化業的客戶需要在滿足耐腐蝕性要求與將投資控制在可承受范圍的要求之間尋求平衡。早期的海水淡化項目中，多級閃蒸（MSF）和多效（MED）海水淡化設備的蒸發器使用碳鋼制造。后來，MSF蒸發器一般用316L（EN1.4404）奧氏體不銹鋼包覆。MED蒸發室先是采用環氧樹脂涂層，后來用不銹鋼包覆。

使用雙相不銹鋼的好處是，它的高強度是傳統奧氏體鋼種的兩倍與高耐腐蝕性能相結合。因此，雙相不銹鋼蒸發器可用更薄的鋼板制造，所需的材料和焊接較少。更多的好處包括容易處理，對環境的綜合影響較少。

石油和天然氣

在石油天然氣工業中，雙相鋼在幫助抵抗惡劣條件方面發揮了至關重要的作用。雙相不銹鋼主要應用在流體管、工藝管線系統和設備，如分離裝置、洗滌裝置和泵。在海下，這些材料用于井下生產管道、管件和集合管、流體管和運輸腐蝕性油氣的管線。超級雙相不銹鋼（25％Cr），因其對設計應力的有效抵抗能力，經常用于以下幾個方面：圓棒、鍛件、鑄件、薄板、厚板、管材、緊固件等。

超級雙相鋼還具有優良的抗疲勞性能以及與其他高合金不銹鋼良好的電偶相容性。臍帶纜是用來使用液壓線進行井口操作控制的，也可用于化學品注入。從鋼臍帶纜被引入市場以來，雙相不銹鋼一直是最常用的材料。最近幾年，開發深海油氣田的趨勢，需要更長的臍帶纜。提高材料的強度可降低臍帶纜的重量，可使長度更長。

生物燃料

生物燃料工業（尤其是乙醇）是雙相鋼應用不斷增長的一個領域。2205不銹鋼已用于新加坡生物質制油NExBTL工藝設備。在阿姆斯特丹港的一個大型生物燃料工程中，荷蘭儲罐制造商Oostwouder Tank-&SilobouwBV為Noba VetveredelingBV制造的油庫選用了S32101。在瑞典Händelö島的Agroetanol乙醇裝置擴建工程中，S32101還被指定用于制造容器和管道。在許多乙醇裝置用途中，經濟型雙相鋼已被用來替代300系列奧氏體不銹鋼。

食品和飲料

在食品和飲料工業中經濟型雙相鋼也證明了其價值。這種材料在西班牙的兩個項目中得到應用，一個食品儲存庫和一個酒品儲存庫。在巴塞羅那港，Emypro SA全部采用S32101修建食品儲存罐，取代了EN1.4301 /1.4307 （304/304L）。在西班牙南部的代米耶爾，由西班牙儲罐制造商Martinez Sole為GarciaCarrion建造的酒品儲存庫，第一次使用了雙相不銹鋼。

建筑工業

雙相鋼不斷在橋梁建造中發揮重要作用，橋梁在腐蝕和含鹽環境使用，同時要求較高的承載強度。近期的兩個實例均來自于亞洲，分別是香港的昂船洲大橋和新加坡的雙螺旋步行橋，它們均使用了2205雙相不銹鋼。2006年昂船洲大橋使用了2000噸2205雙相鋼板材和管材，其表層部分由中國的制造廠用定制尺寸的板材建造。板材經過拋光和噴丸處理，以便在白天和晚上均能有最佳的反射性。

此外，雙螺旋步行橋使用了570噸雙相不銹鋼。這座橋令人驚嘆的設計包含了類似于DNA結構的兩個螺旋形管狀不銹鋼部分，其雙螺旋支撐結構分別使用2205雙相鋼管材和板材。不銹鋼表面通過反射燈光來提供晚間照明，反射燈光被用來增強設計效果。

位于卡塔爾多哈新國際機場的世界最大的不銹鋼屋面使用含鉬的經濟型雙相不銹鋼（S32003）建造。航站樓最突出的特點是它的波浪形屋頂，據說是世界上最大的不銹鋼屋頂。屋頂面積約為195000平方米，使用了約1600噸雙相不銹鋼。選擇不銹鋼牌號時考慮幾個因素，其中最重要的是機場離大海的距離。屋頂不僅要抵抗中東地區的高溫和濕度，還必須能經受鹽的腐蝕。與其他鋼種相比，雙相不銹鋼材俱有成本和良好的強度重量比。

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