西安双相不锈钢管材及应用

西安双相不锈钢管材及应用

西安双相不锈钢管的异军突起已成为过去数十年来不锈钢管业的重大突破之一。双相不锈钢耐蚀性好，强度高，是传统不锈钢和结构钢的*佳替代材料。随着镍、钼等重要合金的价格不断上涨，价格稳定的双相不锈钢逐渐受到用户青睐。但是从技术层面分析，稳定的价格可认为是双相不锈钢给出的额外附带优点。低镍双相不锈钢LDX2101?(奥托昆普商业牌号，EN1.4162,UNS S32101)成为双相不锈钢家族中的新秀。LDX2101?的耐蚀性、焊接性和强度等技术特性独树一帜，节约资源和低含镍量使它更具经济竞争力。本文将对双相钢和传统奥氏体不锈钢进行比较，重点阐述双相钢可节约重量的特点及在高压管材和圆、方形建筑管材中的应用。同时还要介绍LDX2101?钢种的使用情况。

1 引言 

双相不锈钢诞生于20世纪20年代末。奥托昆普阿维斯塔研究中心保存的试验记录可追溯到1930年12月23日。阿维斯塔铁厂1930年研制的**代双相不锈钢是典型的25Cr-5Ni，无钼或1.5%Mo。其中的453S(25%Cr-5%Ni-1.5%Mo)是AISI 329的先驱。早期的双相钢铁素体含量较高，固溶状态下大约为60%～70%。而且碳含量也和当时的不锈钢一样，高达0.1%。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的主要优势在于强度高，耐晶间腐蚀性更好。在普通奥氏体不锈钢难免发生应力腐蚀裂纹的环境中，双相不锈钢却能使用。20世纪70年代发明AOD工艺后，不锈钢脱碳率提高，氮的添加更加。从而诞生了低碳富氮的现代双相不锈钢。与它们的前辈相比，现代双相不锈钢的耐点蚀性和焊接性都有所提高。

现代双相不锈钢的**个钢种是2205，其力学强度和耐蚀性都明显高于316L和317L。在众多应用领域充分体现出2205更好的性价比，长期以来屡建战功。被称为超级双相不锈钢的2507问世于20世纪80年代，用于2205无法满足的更苛刻环境。同期问世的还有合金含量更低的2304，不过用途有限。2007年，镍价的快速上涨引起了人们对2304的兴趣，具有高强度特点的2304可以替代316L满足大多数应用环境的要求。现代双相不锈钢的化学成分见表1。
双相不锈钢适用于压力容器、造纸行业的冲刷和磨耗设备、化学品船的液货舱、工业贮罐以及桥梁等基础设施。目前，全球双相不锈钢的表观消耗量在1997年7万吨的水平上翻了一番，本文介绍现代双相不锈钢的基本特性和研究案例，以此说明它们的这些特性在焊管、管件和配件中的应用。

2 现代双相不锈钢的基本特性 

2.1 力学性能

强度高是双相钢种的共性，比普通奥氏体不锈钢高一倍，而且明显高于铁素体不锈钢。强度高有利于减薄厚度，从而减轻结构重量。现代双相不锈钢的力学性能见表2在固溶退火状态，双相钢的硬度超过奥氏体和铁素体不锈钢。这正是大多数冲刷和磨耗应用所需要的。在拉伸成型方面。双相钢介于高成型性奥氏体和铁素体钢种之间。由于塑性较差，一般达不到普通奥氏体钢种的几何形状，其高屈服强度要求提高成型的力度。

2.2 腐蚀特性

现有的双相钢种耐氯化物点蚀和应力腐蚀能力在304至6Mo奥氏体不锈钢之间，见表1中的PRE值。PRE值是衡量钢种耐局部腐蚀性能的简单方法，不过，这和根据ASTM G150进行实验室CPT(临界点蚀温度)试验的排列结果基本相同。双相不锈钢耐氯化物应力腐蚀性能比奥氏体不锈钢304和316好很多。图2为双相和奥氏体钢种的点滴蒸发（DET）试验结果，DET试验是模拟水溶液滴从不锈钢热表面蒸发出现的应力腐蚀裂纹的环境(通常被称为“外表面SCC”)。
实验室冲蚀试验：

冲蚀试验在三种不同的液体中进行，分为浸泡和无浸泡两种，*后都要经过磨损试验。所用试样完全相同。双试样在无浸泡的24小时冲蚀试验 (试验1)中，试验材料全部处于钝化状态，重量的缺损完全是被打磨掉的。但是，如果试验材料先在高氯化物溶液(1000mg/l)中浸泡一周，然后进行5小时打磨(试验2环境2)，钝化膜会发生局部破裂，出现点蚀和磨损。在1NH2SO4溶液中，试验材料均发生溶化腐蚀，而且在5小时的打磨期内(试验3环境3)磨损速度极快，冲蚀率大约在1mm/年(见图2)。在氯化物含量200mg/l(环境1)的轻度腐蚀环境下，316L的冲蚀率高出LDX2101?24%～30%。在氯化物含量1000mg/l(环境2)的环境下，两个钢种的冲蚀率相差16%～18%。在腐蚀性*严重时(环境3)，316L的冲蚀率仅比LDX 2101?高6%。实验室冲蚀试验表明材料的机械强度对综合性能有很大影响，因为LDX 2101?在所有试验环境下的重量损耗*小。

图2 冲蚀试验中的重量损耗/mg·(m2·h)-1

双相不锈钢正在逐步替代造纸行业中的304和316L。合金添加剂氮在提高双相不锈钢强度的同时还增强了耐点蚀性。另外，用双相不锈钢制作的较高温度的部件，如：蒸汽箱，还具有耐应力腐蚀的特点。

2.3 物理性能
双相不锈钢和奥氏体不锈钢的物理性能基本相同，重要差别在热膨胀系数(线性膨胀)，双相不锈钢较低。双相不锈钢和304的膨胀系数见表3。一般情况下，线性膨胀系数低是优点，特别是在不锈钢和碳钢混合的结构中，可以降低热疲劳的风险。 钢管和管件的挑选经常会受到采购总价的限制，一般是由所需管子的重量和长度决定。所以，设计师和采购经理热衷于有望降低管道造价的新钢种。减轻重量就要用管壁较薄的钢管，由此带来的好处还有：运输和安装成本降低，现场焊接量明显减少。轻型支架也可以节省部分费用。

压力管壁厚能否减薄取决于几种因素。ASME标准在壁厚设计方面比EN标准保守。但是,在两个标准中，经济型双相不锈钢LDX2101?的壁厚比304L都减薄了40%。实际设计厚度要参照ASME对照表。同时还要考虑设计压力。压力较低的管道，壁厚的缩减量较小，如果原设计的壁厚已经很薄，就不能再减了。

设计管道时还要考虑其他因素。内部压力不是管道设计要考虑的惟一载荷。支撑间距也要合适。支撑间距取决于： 综合考虑以上因素，周边或管内介质温度的变化会产生额外负载，选材或管道设计中应予以考虑。

先看一个比较实际的例子，现有管道是按欧洲设计标准EN13480-3(8)设计的。研究中我们对304L和LDX 2101?进行了对比，主要设计参数见图4。

图3 (a) EN和ASME标准对比结果，40巴，外径457mm的304L或LDX 2101? (b) DN范围与实用厚度之间的对比曲线

图4 等比例管道图及主要设计参数

通过对比可以看出， 设计这种管道时，如果选用LDX 2101而不用304L，材料的理论厚度可以从5.6mm降到2.42mm。在实际中我们必须按标准规格选材，所以，*终的实用厚度是6.0mm～3.2mm，重量可以减轻47%。

就DN450而言，高强材料意义重大。材料强度越高，管道支架不受影响，支架间距可以更远。而且支架和固定件都可以使用标准件。重量轻便于安装，一次性吊运量增加(例如：管桥+管道)。现场焊接量减少，从而节省大笔开支。

用304L，管道重量为196吨，选用LDX 2101?重量为113吨。这样可以少用83吨不锈钢，节省42.5%。除了节省管材带来的直接好处，还有许多方面是间接受益，230个环缝的焊缝长度为437米， 焊接304L钢管大约需要2100小时，而焊接LDX 2101?只需要1325小时，因为它的管壁薄。节省775小时，缩短了现场作业时间。钢管重量减轻可以节省吊装过程中需要的能源，从而减少CO2的排放量。从生产厂到现场的运费也随之降低。该项目中两地的距离是1500km，电力火车运输，CO2减排125kg。如果用卡车运输，CO2的排放量将高出75倍。由于LDX2101用量少，炼钢排放的CO2也比304L少。