不同耐蚀等级的双相不锈钢在海洋工程中的应用进展

2019-11-27 00:40:55 hualin 49

导 语

双相不锈钢是固溶组织中铁素体和奥氏体相各占约一半的一类不锈钢,其具有优良的韧性、较高的强度和优异的耐氯化物腐蚀性能,在海洋工程等领域获得了越来越广泛的应用。本文回顾了双相不锈钢的发展,介绍了近年来不同耐蚀等级的双相不锈钢在海洋工程中的应用案例。


拯救豪华战舰

瓦萨号是世界上最著名的古船之一,这艘十七世纪的瑞典战舰在处女航时不幸沉没。上世纪60年代人们把它打捞上来,永久陈列在斯德哥尔摩的瓦萨博物馆里,目前这艘瑰丽无比的战舰吸引了超过三千万的游客前来参观(图1)。


由于瓦萨号已经在海底沉睡长达近四百年,木质船体造成了独特的腐蚀环境,如何抵抗不断出现的腐蚀,保持船体的完整性一直困扰着博物馆保管部门。尤其是那些在打捞阶段修复船体用的五千多个铁质的螺栓,基本都已经生锈,瓦萨号随时可能解体。博物馆保管部门和材料厂商开展了多轮材料筛选,最终评估决定采用双相不锈钢作为替代螺栓材料,用于修复战舰,免遭腐蚀。

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图1. 瑞典“瓦萨号”古战船


三大优势

为什么选择双相不锈钢?这是由于和其它几种材料相比,双相不锈钢的优势体现在更高的强度、优良的韧性、优异的耐蚀性能这些综合性能。而这些恰恰是船体螺栓所需要的几个关键性能。首先,在材料强韧性方面,固溶条件下的双相不锈钢的屈服强度大概是奥氏体不锈钢的两倍,同时其韧性不会有太大的下降,这些为实现紧固件性能、甚至减小紧固件的尺寸提供了可能。其次,在耐腐蚀性方面,双相不锈钢一般含有较高的铬、钼和氮元素,具有更高的抗点蚀当量,耐点蚀性能更好;另外,由于是铁素体-奥氏体两相组织(图2),其抗应力腐蚀破裂性能一般也要优于奥氏体不锈钢;氮的加入还可以提高焊接处热影响区的韧性,而基本不降低强度,也进一步拓宽了其应用领域。最后值得一提的是,双相不锈钢通常具有较低的镍含量,材料成本比奥氏体不锈钢更低。

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图2.典型的双相不锈钢两相组织


双相不锈钢的前世今生

双相不锈钢是如何开发出来的呢?其实早在上世纪30年代,人们就发现具有铁素体-奥氏体两相组织的不锈钢比纯奥氏体不锈钢耐腐蚀性更好,但限于当时的冶金生产水平,这种不锈钢的研究、生产、应用几乎停滞不前。直到50年代18-8型奥氏体不锈钢出现大量的局部腐蚀事故报道,人们重新认识到这种双相组织不锈钢所具有的其它钢类无法比拟的优势。加之AOD、VOD精炼技术等冶金生产水平的不断提升,双相不锈钢化学成分、相比例难以控制,冷、热加工成型和焊接困难等技术难点逐渐解决,尤其是70年代开始含氮的铬-镍系双相不锈钢的出现,双相不锈钢开始获得突飞猛进的发展。


目前世界双相不锈钢(Duplex Stainless Steel, DSS)的产量约为15~40万吨/年,虽然只占不锈钢总产量的1%左右,但近年来年均增长迅猛,仅2005年~2008年期间就增长了6倍。其中,2205型热轧产品是目前产量最大、用途最广的一类双相不锈钢产品。其典型的代表牌号是022Cr22Ni5Mo3N,基本等同于S31803、SUS329J3L、EN 1.4462或SAF 2205商业牌号,超低碳、高铬、氮合金化是它的显著特点,点蚀当量指数在32~39之间。


在2205型双相不锈钢的基础上,通过进一步提高铬、钼或钨、氮含量的水平,人们相继开发出了超级双相不锈钢(Super DSS)和特超级双相不锈钢(Hyper DSS),如SAF 2507、UR52N+、ZERON100、SAF2707HD、SAF 3207HD等,这些双相不锈钢的PRE值大于40,甚至达到50!此类双相不锈钢的强度更高,耐蚀性能可以达到超级奥氏体不锈钢,甚至达到镍基合金材料的水平,而且与这些材料相比,双相不锈钢又具有成本优势,因此应用得以迅速增长。


在另外一个方向,人们通过以氮代镍,降低钼、镍贵金属元素含量水平,开发出了经济型双相不锈钢,其镍含量一般低于4%、铬含量约为21%、氮含量大于0.15%,如LDX 2101/UNS S32101、UNS S32001、UNS S32003等。这些双相不锈钢耐点蚀性能等同或者优于304奥氏体不锈钢,但强度是其两倍,原材料成本更是显著降低。


可以说,经过近30年的发展,双相不锈钢已经发展成为一类重要的、具有自身显著特点的不锈钢,材料牌号已经涵盖从经济型双相不锈钢、典型双相不锈钢到超级双相不锈钢、特超级双相不锈钢,产品牌号也已经系列化、标准化。随着双相不锈钢在越来越广泛领域的成功应用,终端用户也越来越认可双相不锈钢的价值。


海洋工程领域如鱼得水

海洋环境复杂,海洋工程设计中除考虑承受各种自然因素引起的各种力的作用外,还需考虑海水腐蚀、微生物腐蚀等因素,因此包括近海岸建筑、围海、海港等的海岸工程和包括海上平台、人工岛、石油和天然气勘探开采平台等的近海工程这些领域中,大量采用钢铁材料,用于制造各种结构件和装备。双相不锈钢具有的高强度、富氯离子介质中的优异耐点蚀性能、优异耐应力腐蚀性能等材料特点,决定了其尤其适合用于海洋工程领域。特别是随着近年来深海工程的蓬勃发展,人们的目光逐渐投向深水、超深水环境,双相不锈钢成为了设计人员面前极具吸引力的备选材料之一。


海岸建筑和桥梁

海岸建筑面临着高湿、高盐的自然条件。对于波斯湾国家卡塔尔新建的新多哈国际机场来说,还要遭受紫外线强、高温、磨蚀等影响。传统的建筑材料耐点蚀性能不足,施工方最初建议使用钛合金来建造机场屋顶,但由于其施工困难、成本高昂,不得不放弃使用该材料,转而考虑采用经久耐用、全寿命周期成本更有优势的双相不锈钢。最终人们选用了ATI 2003 经济型双相不锈钢,高达1500多吨的双相不锈钢薄板经过表面亚光处理,建造出了世界上最大的波浪形不锈钢屋顶(图3)!双相不锈钢与生俱来的成本和高的强度重量比优势展现无疑。

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图3. 采用了双相不锈钢屋顶的多哈新国际机场


我国香港的昂船洲大桥(图4),设计寿命120年并免维修。这座连接香港和深圳的跨海湾高速公路大桥共使用了约2000吨2205钢板制造桥塔上部的外表面结构,另外还使用了约1250吨2205和316作为高速路钢筋。今年全线贯通的世界上总体跨度最长的跨海大桥——港珠澳大桥(图5)中采用了8200吨双相不锈钢钢筋,主要应用在大桥的承台、塔座及墩身等多个部位。


另外,得益于良好的强韧性,经济型双相不锈钢UNS 32304在海洋平台已用于建造抗风和防火建筑。

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图4. 采用双相不锈钢作为外表面结构和钢筋的香港昂船洲大桥 

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图5. 采用双相不锈钢钢筋的港珠澳大桥


油气开采

双相不锈钢在油气开采中,主要用于井下生产管道、油田气井的喷射装置、海上离心分离器、海底油气输送管道系统、海底缆线管道、海底深井柔性管线和补给管线、岸上和近海的管道系统以及热交换器、水面操作系统等,尤其适合应用在含Cl-、CO2、H2S的没有缓蚀剂的酸性环境中。


挪威Statoll工程中采用了2500吨UR45N双相不锈钢从而实现了设备减重,英国北海油田工程中采用UR52N 超级双相不锈钢用于制造油气集合管和输送管线,美国阿拉斯加、墨西哥湾等地的油气井生产、海上采油平台设施以及油气输送管线等采用了SAF2507超级双相不锈钢。


随着世界油气需求的增长和油气资源的匮乏,油气开采逐渐走向更深和更远的海底油田(图6)。深海暴露环境,意味着海底管道需具有更高的力学性能、抗内部和外部腐蚀性能和抗应力腐蚀破裂性能,首选材料就是双相不锈钢。作为深海开采系统“生命线”的脐带缆(图7)是其中一个典型应用,从钢脐带缆被引入市场以来,双相不锈钢一直是最常用的材料。从1991年开始,仅Sandvik公司就已提供了70000公里长的SAF 2507脐带管,且从未见过钢管腐蚀失效的报道。采用超级和特超级双相不锈钢后,材料强度进一步提高,还可降低脐带缆重量,可用于制造长度更长的脐带缆。如SAF 3207HD的开发,可以在深达2500米的水域使用,为超深井的开发提供了可能。


另外,得益于铜的加入进一步提高了强度和耐蚀性,Ferralium225-SD50双相不锈钢更已用于制造7000米深海底设备和电缆的容器,还用于制造海底定位仪和可控深海声学释放应答器的压力外壳和承载部件。


考虑到价格和制造问题,经济型双相不锈钢也是一种选择,非常适合用作海底深井柔性管线和补给管线,以及在海上平台工艺管道和结构应用,如低镍的经济型双相不锈钢AL 2003于2006年用于东马来西亚Kikeh 油田项目中,用在工作深度超过1200米的海底输送无硫或轻度含硫油气的高压管道系统。

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图6. 海上油气开采

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图7. 用于海上油气开采的双相不锈钢脐带缆


海水淡化

由于海水氯离子浓度高,海水淡化系统(图8)设备、管路都将面临较严重的腐蚀,传统的奥氏体不锈钢经常发生点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等局部腐蚀破坏,双相不锈钢恰好在上述腐蚀类型中表现优异,成为主要材料之一。其中多级闪蒸海水淡化法中的蒸发器冷凝器管多采用2507超级双相不锈钢管代替钛或铜镍合金,闪蒸室外壳可用2205,后者已被利比亚的淡化工厂采用。反渗透法的高压管道和高氯化物环境的高压泵采用2507钢,可与含6Mo超级奥氏体不锈钢媲美,已用于以色列新建的Ashkelon厂。我国曹妃甸海水淡化项目采用了300吨2205钢板用于制造多级闪蒸设备。

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图8. 沙特用双相不锈钢制造的海水淡化装置


双相不锈钢的未来

双相不锈钢的发展已经历经近百年,但毫无疑问,双相不锈钢的创新仍将继续,新的牌号将不断涌现,未来双相不锈钢的发展趋势是高性能化和低成本化两个方向。


随着人均不锈钢消费量的提高,我们需要改变以往的习惯,更加关注节约成本。随着双相不锈钢家族的壮大,种类、牌号日趋复杂,合理选材愈发重要。仅仅是经济型双相不锈钢,不同牌号的PREN值可以从22变化到32,这比304和316牌号之间的差异更大!因此,材料供应商需要向用户提供更为细致的选材方案,用于也需要在不断的应用过程中,积累各种牌号的实际性能,并积极向材料供应商反馈,以用于产品的进一步改进与开发。


另外,随着双相不锈钢应用领域的不断拓展,可以预见,如果开发出成熟的双相钢薄板、大口径无缝管等新产品,未来双相不锈钢将会迎来更强劲的增长。


材料创新永不止步,未来属于双相不锈钢。