西安雙相不銹鋼管材及應用

西安雙相不銹鋼管的異軍突起已成為過去數十年來不銹鋼管業的重大突破之一。雙相不銹鋼耐蝕性好，強度高，是傳統不銹鋼和結構鋼的*佳替代材料。隨著鎳、鉬等重要合金的價格不斷上漲，價格穩定的雙相不銹鋼逐漸受到用戶青睞。但是從技術層面分析，穩定的價格可認為是雙相不銹鋼給出的額外附帶優點。低鎳雙相不銹鋼LDX2101?(奧托昆普商業牌號，EN1.4162,UNS S32101)成為雙相不銹鋼家族中的新秀。LDX2101?的耐蝕性、焊接性和強度等技術特性獨樹一幟，節約資源和低含鎳量使它更具經濟競爭力。本文將對雙相鋼和傳統奧氏體不銹鋼進行比較，重點闡述雙相鋼可節約重量的特點及在高壓管材和圓、方形建筑管材中的應用。同時還要介紹LDX2101?鋼種的使用情況。

1 引言 

雙相不銹鋼誕生于20世紀20年代末。奧托昆普阿維斯塔研究中心保存的試驗記錄可追溯到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，無鉬或1.5%Mo。其中的453S(25%Cr-5%Ni-1.5%Mo)是AISI 329的先驅。早期的雙相鋼鐵素體含量較高，固溶狀態下大約為60%～70%。而且碳含量也和當時的不銹鋼一樣，高達0.1%。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的主要優勢在于強度高，耐晶間腐蝕性更好。在普通奧氏體不銹鋼難免發生應力腐蝕裂紋的環境中，雙相不銹鋼卻能使用。20世紀70年代發明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代雙相不銹鋼。與它們的前輩相比，現代雙相不銹鋼的耐點蝕性和焊接性都有所提高。

現代雙相不銹鋼的**個鋼種是2205，其力學強度和耐蝕性都明顯高于316L和317L。在眾多應用領域充分體現出2205更好的性價比，長期以來屢建戰功。被稱為超級雙相不銹鋼的2507問世于20世紀80年代，用于2205無法滿足的更苛刻環境。同期問世的還有合金含量更低的2304，不過用途有限。2007年，鎳價的快速上漲引起了人們對2304的興趣，具有高強度特點的2304可以替代316L滿足大多數應用環境的要求。現代雙相不銹鋼的化學成分見表1。
雙相不銹鋼適用于壓力容器、造紙行業的沖刷和磨耗設備、化學品船的液貨艙、工業貯罐以及橋梁等基礎設施。目前，全球雙相不銹鋼的表觀消耗量在1997年7萬噸的水平上翻了一番，本文介紹現代雙相不銹鋼的基本特性和研究案例，以此說明它們的這些特性在焊管、管件和配件中的應用。

2 現代雙相不銹鋼的基本特性 

2.1 力學性能

強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。強度高有利于減薄厚度，從而減輕結構重量。現代雙相不銹鋼的力學性能見表2在固溶退火狀態，雙相鋼的硬度超過奧氏體和鐵素體不銹鋼。這正是大多數沖刷和磨耗應用所需要的。在拉伸成型方面。雙相鋼介于高成型性奧氏體和鐵素體鋼種之間。由于塑性較差，一般達不到普通奧氏體鋼種的幾何形狀，其高屈服強度要求提高成型的力度。

2.2 腐蝕特性

現有的雙相鋼種耐氯化物點蝕和應力腐蝕能力在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單方法，不過，這和根據ASTM G150進行實驗室CPT(臨界點蝕溫度)試驗的排列結果基本相同。雙相不銹鋼耐氯化物應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滴蒸發（DET）試驗結果，DET試驗是模擬水溶液滴從不銹鋼熱表面蒸發出現的應力腐蝕裂紋的環境(通常被稱為“外表面SCC”)。
實驗室沖蝕試驗：

沖蝕試驗在三種不同的液體中進行，分為浸泡和無浸泡兩種，*后都要經過磨損試驗。所用試樣完全相同。雙試樣在無浸泡的24小時沖蝕試驗 (試驗1)中，試驗材料全部處于鈍化狀態，重量的缺損完全是被打磨掉的。但是，如果試驗材料先在高氯化物溶液(1000mg/l)中浸泡一周，然后進行5小時打磨(試驗2環境2)，鈍化膜會發生局部破裂，出現點蝕和磨損。在1NH2SO4溶液中，試驗材料均發生溶化腐蝕，而且在5小時的打磨期內(試驗3環境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(環境1)的輕度腐蝕環境下，316L的沖蝕率高出LDX2101?24%～30%。在氯化物含量1000mg/l(環境2)的環境下，兩個鋼種的沖蝕率相差16%～18%。在腐蝕性*嚴重時(環境3)，316L的沖蝕率僅比LDX 2101?高6%。實驗室沖蝕試驗表明材料的機械強度對綜合性能有很大影響，因為LDX 2101?在所有試驗環境下的重量損耗*小。

圖2 沖蝕試驗中的重量損耗/mg·(m2·h)-1

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

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(線性膨脹)，雙相不銹鋼較低。雙相不銹鋼和304的膨脹系數見表3。一般情況下，線性膨脹系數低是優點，特別是在不銹鋼和碳鋼混合的結構中，可以降低熱疲勞的風險。 鋼管和管件的挑選經常會受到采購總價的限制，一般是由所需管子的重量和長度決定。所以，設計師和采購經理熱衷于有望降低管道造價的新鋼種。減輕重量就要用管壁較薄的鋼管，由此帶來的好處還有：運輸和安裝成本降低，現場焊接量明顯減少。輕型支架也可以節省部分費用。

壓力管壁厚能否減薄取決于幾種因素。ASME標準在壁厚設計方面比EN標準保守。但是,在兩個標準中，經濟型雙相不銹鋼LDX2101?的壁厚比304L都減薄了40%。實際設計厚度要參照ASME對照表。同時還要考慮設計壓力。壓力較低的管道，壁厚的縮減量較小，如果原設計的壁厚已經很薄，就不能再減了。

設計管道時還要考慮其他因素。內部壓力不是管道設計要考慮的惟一載荷。支撐間距也要合適。支撐間距取決于： 綜合考慮以上因素，周邊或管內介質溫度的變化會產生額外負載，選材或管道設計中應予以考慮。

先看一個比較實際的例子，現有管道是按歐洲設計標準EN13480-3(8)設計的。研究中我們對304L和LDX 2101?進行了對比，主要設計參數見圖4。

圖3 (a) EN和ASME標準對比結果，40巴，外徑457mm的304L或LDX 2101? (b) DN范圍與實用厚度之間的對比曲線

圖4 等比例管道圖及主要設計參數

通過對比可以看出， 設計這種管道時，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。在實際中我們必須按標準規格選材，所以，*終的實用厚度是6.0mm～3.2mm，重量可以減輕47%。

就DN450而言，高強材料意義重大。材料強度越高，管道支架不受影響，支架間距可以更遠。而且支架和固定件都可以使用標準件。重量輕便于安裝，一次性吊運量增加(例如：管橋+管道)。現場焊接量減少，從而節省大筆開支。

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，節省42.5%。除了節省管材帶來的直接好處，還有許多方面是間接受益，230個環縫的焊縫長度為437米， 焊接304L鋼管大約需要2100小時，而焊接LDX 2101?只需要1325小時，因為它的管壁薄。節省775小時，縮短了現場作業時間。鋼管重量減輕可以節省吊裝過程中需要的能源，從而減少CO2的排放量。從生產廠到現場的運費也隨之降低。該項目中兩地的距離是1500km，電力火車運輸，CO2減排125kg。如果用卡車運輸，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。