2205双相不锈钢焊接、热处理、金相分析论文

1前言双相不锈钢发展应用开始于20世纪30年代，至今已发展了三代双相不锈钢。第一代双相不锈钢：(1)以美国在20世纪40年代开发的AISI329钢为代表，含高Cr、Mo，耐局部腐蚀性能好，但含碳量较高（C≤0.10%），焊接后其接头耐腐蚀性和韧性都较差，使钢在应用上受到限制，只适用于铸锻件。(2)日本在美国329钢基础上降低了含碳量，开发了SUS329J1钢，可作为焊接用钢。(3)60年代中期，瑞典开发了著名的3RE60钢，特点是超低碳，含Cr量为18%。焊接及成型性能良好，使之成为第一代双相不锈钢的代表钢种。第二代双相不锈钢：(1)20世纪80年代瑞典先开发了不含Mo的超低碳型双相不锈钢。代表钢种为SAF2304钢。(2)而后在第一代双相钢的基础上开发了含氮的超低碳型双相不锈钢。典型钢种是瑞典开发的SAF2205钢，使双相钢应用范围很广。第三代双相不锈钢：(1)20世纪50年代后期发展了超级双相不锈钢，其特点是含碳量低（≤0.03%）含Mo、N量高（Mo约为4%，N约为0.3%）；钢中铁素体含量达到40~45%；具有优良的抗点蚀能力，其PRE值大于40。代表钢种为SAF2507钢。双相不锈钢作为一种特殊的不锈钢材料，正在被日益广泛地应用于压力容器等相关的设备中。双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，在抗晶间腐蚀、腐蚀、点蚀、间隙腐蚀，特别是抗氯化物导致的应力腐蚀开裂方面具有绝对的优势。在石油、化工领域里应用前景非常远大。如表1-1所示为部分双相不锈钢的牌号与化学成分[1]。表1-1部分双相不锈钢的牌号与化学成分钢号国别CCrNiMoMnSiN第一代3RE60瑞典0.0318.54.92.7≤2.01.7--Uranus50芬兰0.0421.56.51.5------第二代SAF2205瑞典0.0322.05.53.0≤2.00.80.14DP-3日本0.0325.06.53.50.4--0.2008X21H6M2Ti俄罗斯≤0.0821.07.52.0------0Cr21Ni5Ti中国0.0622.05.8--≤0.80.8--第三代SAF2507瑞典0.0325.57.04.5----0.30DP-3W日本0.0325.57.63.02.5--0.320Cr21Ni5Mo3中国≤0.0826.55.03.0≤1.51.0--数据来源：2004年2月《焊接设备与材料[J].焊接技术》2双相不锈钢双相不锈钢系指不锈钢中既有奥氏体（α），又有铁素体（γ）组织结构的钢种，而且此二相组织要独立存在，且含量较大。一般认为，在奥氏体基体上有≥15%铁素体或在铁素体基体上有≥15%的奥氏体，均可称为奥氏体+铁素体双相不锈钢，本文简称为双相不锈钢。2.1双相不锈钢在中国的发展历史在国外发展双相不锈钢的基础上，中国自70年代中期也开始发展了双相不锈钢，主要是研制含氮钢，关注氮对钢性能和工艺的影响。至今已有包括5个钢种的系列牌号，但只有低铬的钢种纳入了国家标准，其余都按企标生产，目前钢板的国标正在修订，Cr22和Cr25型的双相不锈钢将考虑纳标。中国的双相不锈钢只是处于国外第二代双相不锈钢的发展水平，钢中的含氮量在0.2％以下。至于目前国外己步入市场的含氮在0.25％－0.35％的超级双相不锈钢，中国仍处于实验室开发阶段，AOD精炼工艺和双相不锈钢连铸工艺的成熟将有助于超级双相不锈钢板的工业试生产成功。目前国内双相不锈钢主要产品是管、板和复合板，也有锻件和铸件，产量都不大。φ219mm的无缝管和φ457mm薄壁等离子焊管都已研制成功，2205与Q345C的复合板也己用在长江三峡工程的排沙管，泄洪深孔衬砌等。据不完全统计，1999年双相不锈钢国内的消费量约2000t，近两年的年消费量达到4000t，翻了一番。随着应用的发展，国内产品满足不了要求，尤其一些工程项目，主要仍是靠进口。目前国内已具有制造双相不锈钢和超级双相不锈钢设备的实力和较好的水平。南京化工有限公司化工机械厂，上海石化机械制造公司，金州重型机器有限公司等近十家大中型机械制造公司已经制造了近百台的双相不锈钢设备，南京化工有限公司化工机械厂和金州重型机器有限公司也能按照国外标准制造不只一台设备，分别出口至印度和马来西亚。南京化工有限公司化工机械厂和上海石化机械制造公司不仅能制造普通双相不锈钢设备，还能制造超级双相不锈钢设备，当然所用的UNSS32750和UNSS32760超级双相不锈钢的管材都是进口。至于油气和石化所需的管线钢，国内近两年已开始制造和野外施工焊接，还有待积累这方面的经验[1]。2.2双相不锈钢的主要代表牌号双相不锈钢一般可分为四类：低合金型--代表牌号是UNSS32304（23Cr-4Ni-0.1N），PREN值24～25；中合金型--代表牌号是UNSS31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N），PREN值32～33；高合金型--标准牌号有UNSS32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），PREN值38～39；超级双相不锈钢型--标准牌号有UNSS32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N），PREN值＞40[7]。(※PREN耐孔蚀指数PREN=Cr%+3.3×Mo%+16×N%)低合金型UNSS32304不含钼,在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用。中合金型UNSS31803的耐蚀性能介于AISI316L和6%Mo+N奥氏体不锈钢之间。高合金型，一般含25%Cr，还含有钼和氮，有的还含有铜和钨,这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢。超级双相不锈钢型，含高钼和氮,有的也含钨和铜,可适用于苛刻的介质条件，具有良好的耐腐蚀与力学综合性能，可与超级奥氏体不锈钢相比美。代表牌号的主要化学成分如表2-1所示：表2-1代表牌号的主要化学成分类型UNS牌号化学成分,%CCrNiMoCuN低合金型S32304≤0.03234420.050.20低合金型S31803≤0.0322530.080.20低合金型S32205≤0.0322530.140.20低合金型S325500.0425630.100.25超级DSSS32750≤0.0325740.240.32数据来源：2004年2月《焊接设备与材料[J].焊接技术》2.3双相不锈钢的性能特点(1)含钼双相不锈钢低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。(2)含双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能，抗孔蚀当量PRE=Cr%+3.3xMo%+16xN%。(3)有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。(4)综合力学性能好，有较高的强度和疲劳强度。(5)可焊性良好，热裂倾向小，一般焊前不需预热，焊后无需热处理可与奥氏体不锈钢或碳钢等异种钢焊接。(6)含低铬（18%Cr）的双相不锈钢热加工温度范围宽，抗力小，不经过锻造，直接轧制开坯生产钢板。含高铬（25%）的双相不锈钢热加工比奥氏体不锈钢略显困难，可生产板、管和丝等产品。(7)冷加工时比18-8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，适合制作设备的衬里和生产复合板，也适合制作热交换器的管芯，换热效率比奥氏体不锈钢高。(9)高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜用在高于300℃的工作条件。双相不锈钢中含铬量愈低，σ等脆性相的危害性也愈小。2.4双相不锈钢的性能比较由于双相不锈钢两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的特点。(一)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：(1)屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，且具有成型需要的足够的塑韧性。采用双相不锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用的奥氏体减30-50%，有利于降低成本。(2)具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力，即使是含合金量最低的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中。应力腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的突出问题。(3)在许多介质中应用最普遍的2205双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的316L奥氏体不锈钢，而超级双相不锈钢具有极高的耐腐蚀性，再一些介质中，如醋酸、甲酸等甚至可以取代高合金奥氏体不锈钢，乃至耐蚀合金。(4)具有良好的耐局部腐蚀性能，与合金含量相当的奥氏体不锈钢相比，它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体不锈钢。(5)比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，和碳钢接近，适合与碳钢连接，具有重要的工程意义，如生产复合板或衬里等。(6)不论在动载或静载条件下，比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力，这对结构件应付突发事故如冲撞，爆炸等，双相不锈钢优势明显，有实际应用价值。(二)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：(1)应用的普遍性与多面性不如奥氏体不锈钢，例如其使用温度必须控制在250摄氏度以下。(2)其塑韧性较奥氏体不锈钢低，冷、热加工工艺和成型性能不如奥氏体不锈钢。(3)存在中温脆性区，需要严格控制热处理和焊接的工艺制度，以避免有害相的出现，损害性能。(三)与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：(1)综合力学性能比铁素体不锈钢好，尤其是塑韧性，不象铁素体不锈钢那样对脆性敏感。(2)除耐应力腐蚀性能外，其他耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢。(3)冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。(4)焊接性能也远优于铁素体不锈钢，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。(5)应用范围较铁素体不锈钢宽。(四)与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：(1)双相不锈钢元素含量高，价格相对高，一般铁素体不含镍。综上所述，可以概括地看出双相不锈钢的使用性能和工艺性能的概貌，它以其优越的力学与耐腐蚀综合性能赢得了使用者的青睐，已成为既节省重量又节省投资的优良的耐蚀工程材料。2.5双相不锈钢的应用2.5.1双相不锈钢在工业上的应用及范围(1)炼油工业（氯化物及硫化氢）A.原油脱盐装置中热交换器和管道。B.催化裂化装置。催化吸收解吸塔衬里，塔盘板、管等，汽油再热器。C.加氢劣化装置。空冷器，脱硫反应器，水冷器的热交换器。(2)石化工业（中性氯化物）A.聚氯乙烯（PVC）汽提塔和热交换器。B.氯乙烯装置中的盘管式氧氯化反应器、氯乙烯再沸器。C.甲醇合成反应器的催化剂管束、物料/流出物流浇花器，中压闪蒸罐顶冷凝器。D.羰基合成醇管道式环形反应器。E.醋酸等有机酸（甲醛、甲酸）的生产装置及管道。(3)陆上和海上油气工业（酸性油井井管及管线）。A.输送管道及集气管。B.海上石油平台的热交换器、水处理和供水系统，消防系统、喷水系统，稳水系统。(4)纸浆和造纸工业A.连续式硫酸蒸煮或间歇式蒸煮装置。如：木屑预热器、蒸煮器、冷凝器等。(5)化肥工业A.尿素工业。CO2压缩机冷却器管线。甲铵泵泵体。气提塔的气提管，高压冷凝器的冷凝管，高压分解塔的分解管及输送管道。B.磷肥工业。反应槽、料浆循环及料浆输送管线。(6)高强度结构件A.采用平台上钻井架的张拉系统、海底管道。蒸汽透过平叶片、驳船、槽车等。2.5.2中国双相不锈钢的应用业绩国外双相不锈钢己广泛地应用于各工业领域，诸如纸浆和造纸、陆上和海上的油气工业、化学加工工业、运输业（化学品船和槽车）、制药和食品工业以及建筑业等。大多用来制造反应容器，各种工业设备和输送管道等。在大多数应用中，双相不锈钢被认为是具有成本效益的材料，填补了普通奥氏体不锈钢如316和高合金奥氏体不锈钢之间的空白。以下是中国的双相不锈钢在有关工业领域应用的典型实例。(1)石油和天然气工业这是国外应用双相不锈钢的主要领域之一，目前铺设的油气输送管线已有1000km。国内只有南海油田少量使用，全部进口。另外，西气东输工程西起塔里木盆地的集气管线考虑要用双相不锈钢焊管，国内已有条件生产和制造。炼油工业是最早使用国产双相不锈钢的部门，在南京、镇海、天津、济南等炼化公司多集中用在常减压蒸馏塔的塔顶衬里（或复合板）、塔内构件、空冷器和水冷器等，最长的已使用20年。镇海炼化公司是我国最大的炼油基地，加工能力为1600万吨，进入世界百强，冷凝冷却系统中多套设