双相不锈钢的特性及其在压力容器制造中的技术应用

(抚顺石油机械有限责任公司,辽宁 抚顺 113004） 

摘  要：双相不锈钢在耐腐蚀压力容器设备中被应用得越来越广泛，利用双相不锈钢制造压力容器的技术也逐渐成熟。压力容器是炼化等装置中一项非常重要的设备，它的性能关系到整个装置的生产效率，因此，制造压力容器的材料以及制造技术都是关键。本文主要对双相不锈钢压力容器在设计制造方面的技术应用进行分析，以推广双相不锈钢在压力容器设计制造方面的应用。

关键词：双相不锈钢；压力容器；设计制造；技术

以往压力容器的制造一般都是采用普通碳素钢和低合金钢制造，如Q245R,Q345R等，而利用这些钢材制造的压力容器的耐应力、耐腐蚀以及抗点蚀的性能都比较差，因此经常出现泄漏等现象，从而严重影响生产的正常进行，生产效率也不高。为了提高生产效率，对于介质腐蚀性较强的压力容器的制造逐渐采用了双相不锈钢。双相不锈钢的研制应用避免了含有离子等卤族元素所引起的电化学腐蚀。利用双相不锈钢制造的压力容器抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀的能力更强，并且在抗点蚀、缝隙腐蚀等方面也优于其他不锈钢。要保证压力容器的性能，除了拥有好的制造材料之外，还需要精湛的设计制造技术。双相不锈钢在压力容器的设计制造方面的技术应用是推广双相不锈钢在压力容器制造中广泛使用的关键。

1 双相不锈钢简介

近年来，由于中石油、中石化以及一些其他工业领域的发展，奥氏体不锈钢在含有氯离子、硫化氢等介质的压力容器、热交换器等设备中的使用也就受到了限制。因此，双相不锈钢在这些工业中使用的优越性就更加的突出，也被更加广泛的运用到了实际生产中。

奥氏体-铁素体不锈钢又称双相不锈钢，它是由体积分数为40%~60%的铁素体加体积分数为60%~40%的奥氏体组成的。双相不锈钢与铁素体和奥氏体不锈钢的不同之处是，在热处理过程中有相的转变，即改变了两相之间的比例关系。

双相不锈钢也具有铁素体不锈钢的不足之处，即有铁素体不锈钢的475℃脆性和在铁素体中析出σ相的脆化现象。双相不锈钢与铁素体和奥氏体不锈钢相比，具有无可比拟的优点，强度比奥氏体不锈钢高，对晶间腐蚀不够敏感，有较好的耐点腐蚀性能，特别是耐应力腐蚀性能更胜一筹。目前用它替代奥氏体不锈钢作为耐应力腐蚀设备的材料已成为趋势。但是它在焊接热循环的作用下，焊接热影响区多次受热，使之成为单一铁素体组织且晶粒粗大，直接影响焊接接头的力学性能和耐晶间腐蚀性能，成为焊接领域中亟需解决的问题

2 双相不锈钢的性能特点

针对奥氏体不锈钢抗应力腐蚀，点腐蚀及晶间腐蚀能力低的缺点，发展了奥氏体-铁素体双相钢。

奥氏体-铁素体双相钢不仅具有好的耐腐蚀性能，并降低了镍含量，具有比奥氏体不锈钢多得多的强度。铁素体含铬量高，容易补充晶界高铬碳化物形成所产生的贫铬，铁素体能阻隔奥氏体晶界贫铬连续成网及深入发展，因而提高了双相钢抗晶间腐蚀性能；双相钢往往加入了钼，氮等合金元素，与高的含铬量配合，对提高耐点腐蚀性能是最有效的；而双相钢优越的耐应力腐蚀性能一般认为是裂纹起源于奥氏体，但由于铁素体的阻止作用，裂纹扩展阻力大。

 奥氏体-铁素体双相钢综合力学性能好，不但有较高的屈服强度和疲劳强度，同时具有良好的韧性。其屈服强度是普通18-8型奥氏体不锈钢的两倍，这样可以节约材料，降低设备成本。

3 双相不锈钢在压力容器制造方面的应用

3.1 对制造压力容器的材料进行检测

压力容器用材料的质量及规格，应符合相应的国家标准，行业标准的规定。压力容器用钢应附有钢材生产单位的钢材质量证明书。压力容器制造单位应按质量证明书对钢材进行验收，必要时还应进行复验。对于用双相不锈钢制造的压力容器必须对材料进行复验，以保证容器的安全使用性能。

首先，对所选择材料的化学成分进行检测，例如：检测双相不锈钢中的碳，钼，硅，锰，磷 ，硫，铬，镍等元素的含量，并查看是否符合标准的要求，从而确定材料是否可以使用。如果需要热处理，只允许将原材料进行一次固溶处理，主要是在1040～1100的温度下将材料进行水淬。然后还要检测其相比例，主要是通过显微金相法测定管、板母材的面积百分含量来进行测试的，测量结果要符合GB6401标准；另外，我们一般要求双相不锈钢中铁素体相的含量在40%～60%的范围内。最后，我们还要根据标准对板材、管进行耐晶间腐蚀和耐点蚀性能测试，其中点蚀测试温度不得低于35。在设计中，除了上面所提到的各项要求之外，工程项目对管、板材的力学性能以及管材的几何尺寸的要求也较为严格，因此，设计人员也需要对这些方面进行测试，以确保其达到要求。

3.2 冷热加工

双相不锈钢虽然可以进行热加工，但是其允许的温度范围比较窄，而且在进行热加工的过程中容易产生碳化物和氮化物，从而改变金相组织，降低其耐腐蚀性。因此，双相不锈钢在进行热加工过后应该再进行固熔热处理。另外，我们也可以采用冷加工工艺对设备的零、部件进行加工。采用冷加工的双相不锈钢冷作硬化现象明显，但是采用冷加工工艺进行加工时应尽量减少变形次数，减少工序量，而且应该缩短工序的衔接时间。

3.3 焊接技术

压力容器的断裂和爆炸事故，大多源于其上的焊接接头。因此，焊接质量的控制，是确保压力容器安全可靠的关键。

奥氏体-铁素体双向钢，均具有其大致相同的焊接性与工艺，仅焊接材料视钢号不同而异。此处仅对00Cr18Ni5Mo3Si2焊接问题作简介。该钢中含碳量很低，铬的含量也不多，形成475℃脆性和σ相的脆化可能性不大，其双相组织的比例相对稳定。如果将它长期加热，因钢中含有钼和硅合金元素，仍出现475℃脆性和σ相的脆化的可能，可通过980℃固溶处理恢复到钢原来的相比例。该钢与奥氏体不锈钢相比，具有较低的焊接热裂纹倾向；与铁素体不锈钢相比，焊后脆化倾向较低，具有良好的焊接性。其主要问题是在焊接热影响区中会出现单相铁素体组织，对焊接接头耐应力腐蚀，晶间腐蚀和力学性能均有不利影响。

焊接工艺要点

a. 焊接方法和焊接材料 一般采用手工电弧焊或氩弧焊。手工电弧焊适用于中，厚钢板的焊接，选用A312和A022Si牌号的焊条。用这两种的焊条焊接00Cr18Ni5Mo3Si2钢时，无论是薄板，还是中厚钢板的焊接，焊前不需预热，焊后也不需进行热处理。

氩弧焊通常用于薄板的焊接，填充焊丝可采用母材金属，也可采用H00Cr19Ni12Mo2 和H00Cr20Ni14Mo3焊丝。

B.焊接时尽量选用小的热输入即在保证焊接质量的前提下采用小的焊接电流和较快的焊接速度；采用窄焊缝多焊道，层间温度小于100℃，施焊过程中焊条不允许作横向摆动。目的是为了减少和防止焊缝和热影响区产生单相铁素体组织和晶粒粗大。

 C.与奥氏体不锈钢焊缝相反，接触腐蚀介质的焊缝要先焊，使最后一道焊缝移至非接触介质一面。其目的是利用厚道焊缝对原先焊缝进行一次热处理，使原先焊缝和热影响区的单相铁素体组织部分转化为奥氏体组织。

D.如果要求接触介质的焊缝必须最后施焊，则在此焊缝上需加一道工艺焊缝，但是焊好的工艺焊缝焊后必须除掉，其目的也是给接触介质焊缝进行一次热处理。

总之，双相不锈钢手工钨极气体保护焊接的质量与母材、焊丝质量及焊接工艺有着极大的关系。双相不锈钢进行焊接时，焊接工艺的关键在于焊接丝的能量，对于换热管和管板的焊接，如果焊接丝的能量过小，热影响区冷却速度快，奥氏体来不及析出，那么高温热影响区就会出现高比例的铁素体相；如果焊接丝能量过大，冷却速度太慢，虽然可以得到足量的奥氏体，那么金相组织则会粗大，甚至产生碳化物和氮化物，造成接头脆化。因此，在利用双相不锈钢制造压力容器时，焊接技术是保证压力容器质量的关键。    

4  结语

双相不锈钢压力容器的设计是确保压力容器制造正常进行以及保证压力容器质量的关键，因此，压力容器设计中的很多技术要求一定要符合规定，避免因设计不当而影响压力容器的施工以及质量甚至影响工业生产。所以，让压力容器的各项指标符合设计要求是设计人员必须要做到的工作，但是压力容器的质量不仅需要设计符合要求，在制造的过程中制造技术同样也需要达到各项要求。

采用双相不锈钢制造压力容器，使压力容器的耐腐蚀性、耐应力以及抗点蚀等性能都得到了提高，减少了压力容器泄漏的现象。而压力容器的性能以及质量得到提高不仅仅是材料使用得当的原因，其设计和制造满足了工程的应用要求也是压力容器得以使用时间更长久的原因。但是，压力容器在使用的过程中仍需要对其中出现的一些情况进行关注，比如：压力容器管壁烧穿、管壁上有黑点等，从而延长压力容器的寿命。

参考文献

[1] 李卫东,顾永干.双相不锈钢压力容器设计制造技术[J].压力容器,2002,19(8): 27～30.

[2] 孙景荣.双相不锈钢2205压力容器的焊接[J].电焊机,2008,38(11):36～38.

[3] 常春梅,张延丰,郭志军等.2205型双相不锈钢在板式热交换器中的应用[J].石油化工设备,2009,38(3):73～77.

[4] 潘清泉,秦大秋,肖力等.压力容器管板双相不锈钢堆焊及管板与换热管管头焊接[J].中国化工装备,2009,11(2):33～36.

[5] 孙大超.316L压力容器管板与SAF2505型超级双相不锈钢钢管的焊接[J].石油化工设备,2009,38(5):65～68.

 [6] 冯星奎 过程设备焊接  化学工业出版社

来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第4期  在线投稿  >>