En
当前位置:首页>新闻资讯>行业新闻

编者按:中国船舶工业行业协会1月16日公布:2021年,造船业三大指标我国继续保持全球第一,实现了“十四五”的开门红。此外,据中国船舶工业行业协会预测,2022年我国造船完工量将超过4000万载重吨。

在这份新出炉的成绩单上,造船完工量、新接订单量、手持订单量中国船舶企业分别占世界总量的50%左右,继续保持全球第一。其中,我国最大的船舶企业中国船舶集团,2021年三大造船指标首次全面超越韩国现代重工,成为全球最大的造船集团,实现完工交付船舶206艘,占到全球市场份额的20.2%,实现新接订单合同金额1301.5亿元,创下自2008年以来的最新纪录。

2021年,我国船企承接了全球72.7%的化学品船订单,而这一订单的大幅增加直接带动了对双相不锈钢的需求。今天我们来普及一下双相不锈钢的相关知识。

何为双相不锈钢

所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半,一般量少相的含量也需要达到30%。在含C较低的情况下,Cr含量在18%~28%,Ni含量在3%~10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti,N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点,与铁素体相比,塑性、韧性更高,无室温脆性,耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高,同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高,具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比,强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。

产品特性:

强度高,屈服强度为18-8型不锈钢的两倍;

良好的耐孔蚀性能及耐氯化物应力腐蚀性能;

焊接热裂纹倾向小;

导热系数大,线膨胀系数小,适合制造设备的衬里、热交换器的管芯和生产复合板;

加工硬化率高;

高能量吸收,抗冲击性好。

双相不锈钢具有良好的焊接性能,与铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢相比,它既不像铁素体不锈钢的焊接热影响区,由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低,也不像奥氏体不锈钢那样,对焊接热裂纹比较敏感。

双相不锈钢由于其特殊的优点,广泛应用于石油化工设备、海水与废水处理设备、输油输气管线、造纸机械等工业领域,近些年来也被研究用于桥梁承重结构领域,具有很好的发展前景。

双相不锈钢的发展历史

上世纪30年代就已在瑞典的试验室中研制出双相不锈钢(3RE60、Uranus50等),但是双相不锈钢真正产业化还是在上世纪60年代以后,其发展经历了3代历程。20世纪70年代以来双相不锈钢作为耐局部腐蚀的结构材料,其应用和开发极其迅速,不论作为耐中性氯离子的应力腐蚀材料、耐氯化物的孔蚀与缝隙腐蚀材料等的腐蚀疲劳材料,还是在其他别的方面,双相不锈钢凭借其组织结构上的优点,已取代了304L、316L,甚至904L等奥氏体不锈钢。

太钢是从上世纪80年代开始双相不锈钢的工艺研究及品种开发。当时主要的双相不锈钢品种有两种:苏联的牌号1Cr21Ni5Ti,主要用于制作火箭发动机燃烧室的尾喷管;瑞典的3Re60锻件及中板,主要用于化肥行业(如甲胺泵泵体、制盐复合板等)。随着国家重点工程的建设,特别是长江三峡水利工程不锈钢复合板的设计需求,太钢开始了2205双相不锈钢的研制,此后陆续开发成功2101、2304、2507、S32760、S32906等系列双相不锈钢,在国内多领域及涉外工程中得到批量应用(表1)。

3.jpg

表1  太钢双相不锈钢主要的品种及典型成分/%

太钢成功研发的双相不锈钢填补行业空白

2021年3月,国内某钢管公司咨询太钢营销中心,提出φ570mm超大直径双相不锈钢管坯采购需求。双相不锈钢制造技术难度大,应用领域广,在太钢一直被定为公司战略产品重点发展。对于此次海洋平台工程需要的厚壁管,以往均采用厚钢板焊接而成,而无缝钢管相对于焊接钢管,在安全性方面大幅提升,但所使用的超大直径双相不锈钢管坯,因受设备能力、工艺条件的制约,此前属行业空白。

接到用户需求信息,太钢技术中心牵头,联合营销中心、制造部、生产厂成立攻关团队,快速与用户对接,详细了解产品最终用途和使用要求,并根据钢种特性、成品要求、技术难点,在高洁净度冶炼、关键元素的精确控制、大钢锭组合锻造、大直径管坯热处理组织调控等关键环节进行针对性设计,全过程跟踪,历时3个月,成功开发了600吨包括最大直径为φ570mm在内的双相不锈钢系列管坯,并取得了DNV船级社和Nosork-M650等具有国际影响力的第三方认证,填补了行业空白,为最终生产出满足海洋工程用双相不锈钢无缝管奠定了坚实基础。

在2021年10月20日苏州举行的易派客工业品展、石油石化工业展览会上,使用了太钢φ570mm超大直径双相不锈钢管坯生产的厚壁80mm无缝钢管,吸引了众多国内外石油石化业界人士驻足咨询。

双相不锈钢的加工性能

应用较多的加工方法有冶炼、铸造、热变形加工、冷变形加工、机加工、热处理、焊接等。

1)冶炼。双相不锈钢的冶炼比奥氏体或铁素体钢的难度大,控制要求高。目前,双相不锈钢最低要求应采用或进行精炼的。

2)铸造。基于与冶炼同样的道理,铸造难度也大于一般奥氏体和铁素体钢材,而且难度比冶炼更大。除此之外,由于两相组织的原因,在浇铸时还要采取有效的措施,以避免比奥氏体钢更容易出现的铸造裂纹两相凝固差别的原因、气孔加氮的原因等问题。

3)热变形加工。双相不锈钢具有的两相组织使其热变形加工的难度要远大于奥氏体不锈钢。冷变形加工。双相不锈钢的冷变形加工的难度要远大于奥氏体不锈钢。

4)热处理。就常用的工程材料而言,都不存在较大的加工难度,双相不锈钢也不例外。热处理对双相不锈钢性能还有一些特殊影响。①不同的热处理参数,可得到不同的相比例,直接影响钢材性能。②通过热处理,可以改变加工过程中的元素分配比例,改善甚至消除加工过程中次生相带来的不利影响,从而影响到钢材的最终机械性能和耐腐蚀性能等。③热处理过程也会使钢材产生新的次生相,也会导致元素在各相中的重新分配。因此,不恰当的热处理会使钢材的性能恶化。

最早限制双相不锈钢应用的主要原因就是焊接问题,而工程上又往往不可避免焊接过程。

双相不锈钢焊接的难点就在于其焊接接头是否仍能获得与母材相同或相近的两相组织,,这也是保证焊接接头是否具有与母材同样性能(包括力学性能和耐腐蚀性能)等的关键所在。这里所说的焊接接头包括焊缝熔合区、高温热影响区(HTHAZ)和低温热影响区(LTHAZ)。

1)焊缝熔合区。该区域的两相组织相对容易控制,即通过选择合适的焊接材料就能做到。

2)高温热影响区。它是指具有约1250℃熔点这一温度特征的区域。这一区域很窄,却是其相组织最难控制的一个区域。因为母材的成分不能因其而有过多的奥氏体形成元素,而该区域的温度特征又使其高温铁素体在冷却过程中部分得不到向奥氏体转化。应采用较大的焊接线量,使焊缝冷却速度降低,使高温铁素体有一定的时间向奥氏体转化,从而使相组织均衡。

3)低温热影响区。由于该区域的温度较低,不足以引起基本相的变化,但可能会发生二次相的产生。因此,采用合适的焊接线量并控制层间温度是防止低温热影响区性能变坏的主要手段。

2205双相不锈钢的焊接工艺

为了取得良好的焊接质量,焊接人员应掌握双相不锈钢的焊接特点和注意事项,另外从腐蚀的角度来看,焊接接头总是不锈钢结构的最薄弱环节,实际上管道最终的耐蚀水平是由焊工决定的,为了尽可能的取得良好的结果,焊接操作过程应当遵守一些基本规则。总结出的SAF2205 DSS一些关键技术如下。

1)焊前准备  采用机加工制备试板坡口,用不锈钢专用砂轮片打磨坡口及坡口两侧各30mm围,并用丙酮清洗,以除去氧化膜、油污。

2)焊接方法  一般的焊接方法,如焊条电弧焊、钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊埋弧焊等,都可用于双相不锈钢的焊接。焊条电弧焊时最常用的焊接工艺方法,其特点灵活方便,并可实现全位置焊接,因此焊条电弧焊是焊接修复的常用工艺方法。钨极氩弧焊的特点是焊接质量优良,自动化的焊接效率也较高,因此广泛用于管道的封底焊缝及薄壁管道的焊接。钨极氩弧焊的保护气体通常采用纯Ar,当进行管道封底焊时,应采用Ar+2%N2 或Ar+5%N2保护气体,同时还应采用纯Ar或高纯N进行焊缝背面保护,以防止根部焊道的铁素体化。熔化极气体保护焊的特点是较高的熔敷效率,即可采用较灵活的半自动焊,也可实现自动焊。

3)焊材的选择  对于焊条电弧焊,根据耐腐蚀性,接头韧性的要求即焊接位置,可选用酸性或碱性焊条。采用酸性焊条时,脱渣优良,焊缝光滑,接头成形美观,但是焊缝金属的冲击韧性较低,于此同时,为了防止焊接气孔及焊接氢致裂纹需严格控制焊条中的含氢量。当要求焊缝金属具有较高的冲击韧度,并需进行全位置焊接时,应采用碱性焊条。另外,在根部封底焊时,通常采用碱性焊条,当对焊缝金属的耐腐蚀性能有特殊要求时,还应采用超级双相不锈钢成分的碱性焊条。对于实芯气体保护焊焊丝,在保证焊接金属具有良好的耐腐蚀性与力学性能的同时,还应注意其焊接工艺性能。对于药芯焊丝,当要求焊缝光滑,接头成形美观时,可采用金红石型或钛-钙型药芯焊丝。当要求较高的冲击韧度或在较大的拘束条件下焊接时,宜采用碱度较高的药芯焊丝。对于埋弧焊焊丝,宜采用直径较小的焊丝,实现中小焊接规下的多层多道焊,以防止焊接热影响区的脆化,与此同时,应采用配套的碱性焊剂,以防止焊接氢致裂纹。焊接材料要选用比母材含镍量高的双相不锈钢焊材,确保焊缝中奥氏体相占优势,焊缝铁素体含量控制在30%~45%为宜。

4)焊接工艺参数的选择  焊接线能量太大或太小都不好,一般控制在0.5~2.5 kJ/cm围,其具体大小要根据焊件厚度选择。一般焊接时不需要预热,但焊件壁厚过大或环境温度过低时,为防止冷速过快造成焊缝和热影响区铁素体含量过高,必要时要采取预热措施。为避免冷却速度过低而引起析出相的产生,多层/多道焊的层间温度要控制。

5)焊接熔池及背面的保护  气体保护焊时保护气体中加氮可以提高焊缝的耐蚀性。有效的背面气体保护是保证焊接质量的前提,保护气体的纯度应满足工艺要求,应采取有效的背面保护工装,开始焊接时要对焊缝背面的氧含量进行检测,满足工艺要求后才能开始焊接。

6)定位焊缝  定位焊缝焊接时,如果长度过短,焊接未建立起平衡过程即结束,焊缝冷却会很快,可能导致铁素体含量过高、低韧性并因氮化物析出而降低耐腐蚀性能。因此,如采用定位焊,对定位焊缝的最短长度应进行规定,且应采用较大热输入参数。

7)焊接过程材料的保护  材料表面的弧击和起弧,是一个瞬间的高温过程,冷却速度很快,表面显微组织中铁素体含量很高,这种组织对裂纹和腐蚀很敏感, 应尽力避免,如果产生必须用细砂轮打磨去除。现场焊接过程中材料的保护非常重要,应避免碳钢、铜、低熔点金属或其他杂质对不锈钢的污染,可能情况下,不锈钢和碳钢管应分开存放和焊接。焊接和切割过程中应采取措施防止飞溅、弧击、渗碳、局部过热等。


苏美达国际技术贸易有限公司 成立于1999年3月,是苏美达股份有限公司(证券代码:600710)的核心骨干企业,隶属于世界500强排名第281位、中央直接管理的53家国有重要骨干企业——中国机械工业集团有限公司
请立即点击咨询我们或拨打咨询热线: 025-84531633,我们会详细为你一一解答你心中的疑难。在线咨询

我们已经准备好了,你呢?

融汇全球资源 共创美好未来

咨询客服
电话客服

4006-979-616

微信公众号
微信