西安雙相不銹鋼管材及應(yīng)用

西安雙相不銹鋼管的異軍突起已成為過(guò)去數(shù)十年來(lái)不銹鋼管業(yè)的重大突破之一。雙相不銹鋼耐蝕性好，強(qiáng)度高，是傳統(tǒng)不銹鋼和結(jié)構(gòu)鋼的*佳替代材料。隨著鎳、鉬等重要合金的價(jià)格不斷上漲，價(jià)格穩(wěn)定的雙相不銹鋼逐漸受到用戶青睞。但是從技術(shù)層面分析，穩(wěn)定的價(jià)格可認(rèn)為是雙相不銹鋼給出的額外附帶優(yōu)點(diǎn)。低鎳雙相不銹鋼LDX2101?(奧托昆普商業(yè)牌號(hào)，EN1.4162,UNS S32101)成為雙相不銹鋼家族中的新秀。LDX2101?的耐蝕性、焊接性和強(qiáng)度等技術(shù)特性獨(dú)樹一幟，節(jié)約資源和低含鎳量使它更具經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。本文將對(duì)雙相鋼和傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼進(jìn)行比較，重點(diǎn)闡述雙相鋼可節(jié)約重量的特點(diǎn)及在高壓管材和圓、方形建筑管材中的應(yīng)用。同時(shí)還要介紹LDX2101?鋼種的使用情況。

1 引言 

雙相不銹鋼誕生于20世紀(jì)20年代末。奧托昆普阿維斯塔研究中心保存的試驗(yàn)記錄可追溯到1930年12月23日。阿維斯塔鐵廠1930年研制的**代雙相不銹鋼是典型的25Cr-5Ni，無(wú)鉬或1.5%Mo。其中的453S(25%Cr-5%Ni-1.5%Mo)是AISI 329的先驅(qū)。早期的雙相鋼鐵素體含量較高，固溶狀態(tài)下大約為60%～70%。而且碳含量也和當(dāng)時(shí)的不銹鋼一樣，高達(dá)0.1%。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的主要優(yōu)勢(shì)在于強(qiáng)度高，耐晶間腐蝕性更好。在普通奧氏體不銹鋼難免發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋的環(huán)境中，雙相不銹鋼卻能使用。20世紀(jì)70年代發(fā)明AOD工藝后，不銹鋼脫碳率提高，氮的添加更加。從而誕生了低碳富氮的現(xiàn)代雙相不銹鋼。與它們的前輩相比，現(xiàn)代雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性和焊接性都有所提高。

現(xiàn)代雙相不銹鋼的**個(gè)鋼種是2205，其力學(xué)強(qiáng)度和耐蝕性都明顯高于316L和317L。在眾多應(yīng)用領(lǐng)域充分體現(xiàn)出2205更好的性價(jià)比，長(zhǎng)期以來(lái)屢建戰(zhàn)功。被稱為超級(jí)雙相不銹鋼的2507問(wèn)世于20世紀(jì)80年代，用于2205無(wú)法滿足的更苛刻環(huán)境。同期問(wèn)世的還有合金含量更低的2304，不過(guò)用途有限。2007年，鎳價(jià)的快速上漲引起了人們對(duì)2304的興趣，具有高強(qiáng)度特點(diǎn)的2304可以替代316L滿足大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境的要求。現(xiàn)代雙相不銹鋼的化學(xué)成分見表1。
雙相不銹鋼適用于壓力容器、造紙行業(yè)的沖刷和磨耗設(shè)備、化學(xué)品船的液貨艙、工業(yè)貯罐以及橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施。目前，全球雙相不銹鋼的表觀消耗量在1997年7萬(wàn)噸的水平上翻了一番，本文介紹現(xiàn)代雙相不銹鋼的基本特性和研究案例，以此說(shuō)明它們的這些特性在焊管、管件和配件中的應(yīng)用。

2 現(xiàn)代雙相不銹鋼的基本特性 

2.1 力學(xué)性能

強(qiáng)度高是雙相鋼種的共性，比普通奧氏體不銹鋼高一倍，而且明顯高于鐵素體不銹鋼。強(qiáng)度高有利于減薄厚度，從而減輕結(jié)構(gòu)重量。現(xiàn)代雙相不銹鋼的力學(xué)性能見表2在固溶退火狀態(tài)，雙相鋼的硬度超過(guò)奧氏體和鐵素體不銹鋼。這正是大多數(shù)沖刷和磨耗應(yīng)用所需要的。在拉伸成型方面。雙相鋼介于高成型性?shī)W氏體和鐵素體鋼種之間。由于塑性較差，一般達(dá)不到普通奧氏體鋼種的幾何形狀，其高屈服強(qiáng)度要求提高成型的力度。

2.2 腐蝕特性

現(xiàn)有的雙相鋼種耐氯化物點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕能力在304至6Mo奧氏體不銹鋼之間，見表1中的PRE值。PRE值是衡量鋼種耐局部腐蝕性能的簡(jiǎn)單方法，不過(guò)，這和根據(jù)ASTM G150進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室CPT(臨界點(diǎn)蝕溫度)試驗(yàn)的排列結(jié)果基本相同。雙相不銹鋼耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能比奧氏體不銹鋼304和316好很多。圖2為雙相和奧氏體鋼種的點(diǎn)滴蒸發(fā)（DET）試驗(yàn)結(jié)果，DET試驗(yàn)是模擬水溶液滴從不銹鋼熱表面蒸發(fā)出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕裂紋的環(huán)境(通常被稱為“外表面SCC”)。
實(shí)驗(yàn)室沖蝕試驗(yàn)：

沖蝕試驗(yàn)在三種不同的液體中進(jìn)行，分為浸泡和無(wú)浸泡兩種，*后都要經(jīng)過(guò)磨損試驗(yàn)。所用試樣完全相同。雙試樣在無(wú)浸泡的24小時(shí)沖蝕試驗(yàn) (試驗(yàn)1)中，試驗(yàn)材料全部處于鈍化狀態(tài)，重量的缺損完全是被打磨掉的。但是，如果試驗(yàn)材料先在高氯化物溶液(1000mg/l)中浸泡一周，然后進(jìn)行5小時(shí)打磨(試驗(yàn)2環(huán)境2)，鈍化膜會(huì)發(fā)生局部破裂，出現(xiàn)點(diǎn)蝕和磨損。在1NH2SO4溶液中，試驗(yàn)材料均發(fā)生溶化腐蝕，而且在5小時(shí)的打磨期內(nèi)(試驗(yàn)3環(huán)境3)磨損速度極快，沖蝕率大約在1mm/年(見圖2)。在氯化物含量200mg/l(環(huán)境1)的輕度腐蝕環(huán)境下，316L的沖蝕率高出LDX2101?24%～30%。在氯化物含量1000mg/l(環(huán)境2)的環(huán)境下，兩個(gè)鋼種的沖蝕率相差16%～18%。在腐蝕性*嚴(yán)重時(shí)(環(huán)境3)，316L的沖蝕率僅比LDX 2101?高6%。實(shí)驗(yàn)室沖蝕試驗(yàn)表明材料的機(jī)械強(qiáng)度對(duì)綜合性能有很大影響，因?yàn)?/span>LDX 2101?在所有試驗(yàn)環(huán)境下的重量損耗*小。

圖2 沖蝕試驗(yàn)中的重量損耗/mg·(m2·h)-1

雙相不銹鋼正在逐步替代造紙行業(yè)中的304和316L。合金添加劑氮在提高雙相不銹鋼強(qiáng)度的同時(shí)還增強(qiáng)了耐點(diǎn)蝕性。另外，用雙相不銹鋼制作的較高溫度的部件，如：蒸汽箱，還具有耐應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)。

2.3 物理性能
雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼的物理性能基本相同，重要差別在熱膨脹系數(shù)(線性膨脹)，雙相不銹鋼較低。雙相不銹鋼和304的膨脹系數(shù)見表3。一般情況下，線性膨脹系數(shù)低是優(yōu)點(diǎn)，特別是在不銹鋼和碳鋼混合的結(jié)構(gòu)中，可以降低熱疲勞的風(fēng)險(xiǎn)。 鋼管和管件的挑選經(jīng)常會(huì)受到采購(gòu)總價(jià)的限制，一般是由所需管子的重量和長(zhǎng)度決定。所以，設(shè)計(jì)師和采購(gòu)經(jīng)理熱衷于有望降低管道造價(jià)的新鋼種。減輕重量就要用管壁較薄的鋼管，由此帶來(lái)的好處還有：運(yùn)輸和安裝成本降低，現(xiàn)場(chǎng)焊接量明顯減少。輕型支架也可以節(jié)省部分費(fèi)用。

壓力管壁厚能否減薄取決于幾種因素。ASME標(biāo)準(zhǔn)在壁厚設(shè)計(jì)方面比EN標(biāo)準(zhǔn)保守。但是,在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼LDX2101?的壁厚比304L都減薄了40%。實(shí)際設(shè)計(jì)厚度要參照ASME對(duì)照表。同時(shí)還要考慮設(shè)計(jì)壓力。壓力較低的管道，壁厚的縮減量較小，如果原設(shè)計(jì)的壁厚已經(jīng)很薄，就不能再減了。

設(shè)計(jì)管道時(shí)還要考慮其他因素。內(nèi)部壓力不是管道設(shè)計(jì)要考慮的惟一載荷。支撐間距也要合適。支撐間距取決于： 綜合考慮以上因素，周邊或管內(nèi)介質(zhì)溫度的變化會(huì)產(chǎn)生額外負(fù)載，選材或管道設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。

先看一個(gè)比較實(shí)際的例子，現(xiàn)有管道是按歐洲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)EN13480-3(8)設(shè)計(jì)的。研究中我們對(duì)304L和LDX 2101?進(jìn)行了對(duì)比，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見圖4。

圖3 (a) EN和ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果，40巴，外徑457mm的304L或LDX 2101? (b) DN范圍與實(shí)用厚度之間的對(duì)比曲線

圖4 等比例管道圖及主要設(shè)計(jì)參數(shù)

通過(guò)對(duì)比可以看出， 設(shè)計(jì)這種管道時(shí)，如果選用LDX 2101而不用304L，材料的理論厚度可以從5.6mm降到2.42mm。在實(shí)際中我們必須按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選材，所以，*終的實(shí)用厚度是6.0mm～3.2mm，重量可以減輕47%。

就DN450而言，高強(qiáng)材料意義重大。材料強(qiáng)度越高，管道支架不受影響，支架間距可以更遠(yuǎn)。而且支架和固定件都可以使用標(biāo)準(zhǔn)件。重量輕便于安裝，一次性吊運(yùn)量增加(例如：管橋+管道)。現(xiàn)場(chǎng)焊接量減少，從而節(jié)省大筆開支。

用304L，管道重量為196噸，選用LDX 2101?重量為113噸。這樣可以少用83噸不銹鋼，節(jié)省42.5%。除了節(jié)省管材帶來(lái)的直接好處，還有許多方面是間接受益，230個(gè)環(huán)縫的焊縫長(zhǎng)度為437米， 焊接304L鋼管大約需要2100小時(shí)，而焊接LDX 2101?只需要1325小時(shí)，因?yàn)樗墓鼙诒　９?jié)省775小時(shí)，縮短了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間。鋼管重量減輕可以節(jié)省吊裝過(guò)程中需要的能源，從而減少CO2的排放量。從生產(chǎn)廠到現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)費(fèi)也隨之降低。該項(xiàng)目中兩地的距離是1500km，電力火車運(yùn)輸，CO2減排125kg。如果用卡車運(yùn)輸，CO2的排放量將高出75倍。由于LDX2101用量少，煉鋼排放的CO2也比304L少。