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在線客服 1、前言
目前CPR1000系列核電機(jī)組接觸海水的工藝管道（如CFI系統(tǒng)等）大都是核級(jí)Z2CN1810不銹 鋼或者內(nèi)壁襯膠核級(jí)碳鋼管道，這類材料抗海水腐蝕能力較弱，容易出現(xiàn)管道銹蝕泄露問(wèn)題，在役期間的維護(hù)和更換工作也很復(fù)雜。解決這一問(wèn)題的傳統(tǒng)思路是通過(guò)增加陰極保護(hù)或防腐涂層， 但不是陰極保護(hù)系統(tǒng)太復(fù)雜、可靠性不高，就是涂層脫落問(wèn)題。雙相不銹鋼材料是到目前為止最有效耐海水腐蝕的材料，如果在上述系統(tǒng)中得以應(yīng)用，則可以避免上述問(wèn)題的發(fā)生，提高安全性的同時(shí)，減少了輔助保護(hù)系統(tǒng)和日常維護(hù)， 相對(duì)降低了成本。
2、雙相不銹鋼材料特性
雙相不銹鋼在室溫下具有奧氏體相和鐵素體相兩相的不銹鋼，結(jié)合了奧氏體不銹鋼所具有的良好韌性和焊接性，和鐵素體不銹鋼所具有的耐氯離子腐蝕性。
雙相不銹鋼自1930年代應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，已發(fā)展了80多年，現(xiàn)已發(fā)展出了三代的雙相不銹鋼，第一代是以含Cr18%的S31500為代表， 其含鉻含鉬的成分使得其耐點(diǎn)蝕性能良好，由于超低的碳含量（C≤0.03%），其焊接性能獲得很好的改善；第二代以含Cr22%的S31803為代表，增加了鉻、氮，該鋼種優(yōu)秀的耐腐蝕性能使其在海水、石油、化工領(lǐng)域等得到廣泛應(yīng)用；第三代是以S32750為代表，由于其低碳、高鉻、高 鉬和高氮，具有優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕能力（抗點(diǎn)蝕當(dāng)量 PREN>40）和耐應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕能力，又稱為超級(jí)雙相不銹鋼。
雙相不銹鋼的性能特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：
1）含鉬雙相不銹鋼在低應(yīng)力下有良好的抗氯化物應(yīng)力腐蝕性能。一般的18-8型奧氏體不銹鋼容易在60℃以上的中性氯化物溶液中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，而雙相不銹鋼具有良好的抗性。
2）含鉬含氮雙相不銹鋼具有良好的抗點(diǎn)蝕性能?？裹c(diǎn)蝕當(dāng)量PREN（PREN= Cr% +3.3Mo% +16N%）是用于表征材料的抗點(diǎn)蝕能力的值。 2205由于含較高的鉻、鉬、氮，其抗點(diǎn)蝕能力和抗縫隙腐蝕能力超過(guò)了316L。
3）具有較高的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度是18-8不銹鋼的兩倍。
4）具有良好的耐腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能。
5）雙相不銹鋼的焊接性能良好，熱裂傾向小，可與普通18-8奧氏體不銹鋼或碳鋼進(jìn)行異種焊接。
6）具有各種脆性相析出的傾向，如475℃ 相和σ相等脆性相，因此不宜在高于300℃的溫度下使用。
2.1化學(xué)成分
2205材料自20世紀(jì)70年代投入商業(yè)應(yīng)用，經(jīng)歷40多年的應(yīng)用和改善，特別是AOD和VOD等爐外精煉技術(shù)的成熟應(yīng)用，以及連鑄技術(shù)的發(fā)展， 提升了質(zhì)量穩(wěn)定性，已納入ASTM標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)縫鋼管 標(biāo)準(zhǔn)ASTM A789和ASTM A790，相對(duì)應(yīng)我國(guó)的國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21833中的牌號(hào)為022Cr22Ni5Mo3N， 詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)成分要求如表1。
因2205雙相鋼無(wú)縫鋼管主要用于點(diǎn)蝕環(huán)境，應(yīng)力腐蝕環(huán)境和嚴(yán)苛的均勻腐蝕條件， 特別是耐海水腐蝕的工作環(huán)境下，必須考慮材料之抗點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN。以保證材料在點(diǎn)蝕環(huán)境中，具有較好的耐點(diǎn)蝕能力，其計(jì)算公式 PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N。N可提升奧氏體相耐點(diǎn)蝕的能力，與富含Cr、Mo的鐵素體相取得腐蝕平衡，提升材料整體抗點(diǎn)蝕能力，降低選擇性腐蝕。
同時(shí)考慮焊接接頭熱影響區(qū)之兩相比例的平衡，避免焊接熱影響區(qū)內(nèi)，因溫度過(guò)高，鐵素體相比例升高，對(duì)Ni和N成分需按上限控制，以保證在焊接熱影響區(qū)內(nèi)，高溫鐵素體逆轉(zhuǎn)成足夠二次奧氏體相，以提升焊接接頭之耐蝕性。
2205材料對(duì)冶煉技術(shù)的控制，應(yīng)采用電爐冶煉，經(jīng)AOD或VOD精煉，確保鋼水之清凈度，鋼水在冷卻凝固過(guò)程有CrC、CrN、χ相、MC6、σ 相等金屬間化合物和有害相析出問(wèn)題，加快冷卻速度，對(duì)降低析出有利，故采用連鑄工藝優(yōu)于模鑄工藝。
為保證2205無(wú)縫鋼管在嚴(yán)苛的腐蝕條件下具有良好的耐蝕性，對(duì)管坯夾雜物控制，按ASTM JK評(píng)級(jí)圖，A、B、C、D四類夾雜物均不得大于1.5級(jí)，不得出現(xiàn)σ相等有害相。
2.2物理特性
表2列出2205無(wú)縫鋼管的常溫密度， 20℃到 100℃、200℃、300℃的比熱參考值，線膨脹系數(shù)和彈性模量參考值，以及無(wú)縫鋼管的實(shí)際測(cè)試線膨脹系數(shù)和彈性模量。表3列出2205無(wú)縫鋼管的室溫和高溫力學(xué)性能。
設(shè)備和熱交換器設(shè)計(jì)中，關(guān)注材料的線膨脹系數(shù)，2205雙相不銹鋼線膨脹系數(shù)低于一般奧氏體不銹鋼，具有降低設(shè)備和熱交換器在升/降溫時(shí)產(chǎn)生熱膨脹/收縮導(dǎo)致的應(yīng)力，對(duì)提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有利。同時(shí)，在管道和交換器管程中為有腐蝕特性的介質(zhì)，殼程為一般介質(zhì)的設(shè)計(jì)中，采用雙相鋼無(wú)縫鋼管，可使用碳鋼或合金鋼的外殼或管 板，以降低設(shè)備制造成本，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不用考慮采用奧氏體不銹鋼管時(shí)所需的膨脹波級(jí)管。 高于奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱率，可使熱交換器的熱率提升。
2.3熱處理特性
對(duì)2205材料進(jìn)行熱處理，需考慮鐵素體相和奧氏體相的比例，通常而言，2205材料在奧氏體相和鐵素體相兩相各占50%時(shí)的加工性、塑性和耐腐蝕性是最好的，根據(jù)材料的實(shí)際化學(xué)成分，在 1020~1100℃范圍內(nèi)，選擇適合的熱處理制度，經(jīng)快速冷卻后，可得到50%左右的鐵素體相，2205 管材經(jīng)1050℃固溶處理后的金相照片如圖1所示， 隨著溫度升高，鐵素體含量會(huì)逐漸增加，因此， 熱處理爐溫度的均勻性和穩(wěn)定性，對(duì)控制兩相比例的穩(wěn)定性非常重要，熱處理爐溫度不均勻或溫度波動(dòng)較大時(shí)，可能導(dǎo)致同一工件不同部位之兩相比例不均勻和不同批次材料的兩相比例波動(dòng)較 大，可能導(dǎo)致材料在服役過(guò)程中產(chǎn)生選擇性腐蝕。
2205材料化學(xué)成分有21%~23%Cr和 2.5%~3.5%Mo和0.14%~0.20%N，圖2為2205的TTC（溫度-時(shí)間-析出）曲線。從圖中可看出，由于 Mo和Cr元素的含量較高，以及C、N等元素的作用，在850~950℃范圍，2205具有產(chǎn)生金屬間化合物和復(fù)雜的析出問(wèn)題，如Cr2N、χ相、M23C6，以 及σ相等。
σ相是一種雙相不銹鋼中危害最大的析出相，它硬而脆，會(huì)顯著降低鋼的塑性、韌性，并且由于其富含鉻，會(huì)在其周圍出現(xiàn)貧鉻區(qū)，造成耐腐蝕性能下降。σ相在SEM下的形貌和成分如圖3所示。
上述金屬間化合物的產(chǎn)生和析出相的析出， 可降低材料之耐蝕性能和材料的韌性，在350℃ ~525℃范圍內(nèi)，產(chǎn)生 “475℃脆性” 轉(zhuǎn)變。故對(duì) 2205進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)采用快速冷卻，避免在 850~950℃和在350~525℃范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留。
當(dāng)采用局部熱處理時(shí)， 除需熱處理部分達(dá)到熱處理規(guī)定溫度外，在不需熱處理部分之過(guò)渡區(qū)，可能已處于σ相析出敏感區(qū)和 “475℃脆性” 轉(zhuǎn)變區(qū)，如果在850~950℃加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可出現(xiàn)σ相和其它金屬間化合物，導(dǎo)致材料耐蝕性能降低，服役中產(chǎn)生選擇性腐蝕。如果在 “475℃脆 性” 轉(zhuǎn)變區(qū)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致材料開裂。 對(duì)局部熱處理應(yīng)采用快速升溫，保溫后，快速冷卻的方式進(jìn)行。
對(duì)采用局部熱處理或整體設(shè)備熱處理，應(yīng)做好熱處理工藝評(píng)定，須進(jìn)行力學(xué)性能、析出物、 相比例，以及腐蝕性能的評(píng)估。
3、工藝流程
根據(jù)研發(fā)方案，擬定研制三種規(guī)格的2205雙相鋼無(wú)縫管。
規(guī)格1：19.05×1.65mm圓棒（Φ65mm）→ 進(jìn)廠檢驗(yàn) → 管坯加工→ 熱穿孔（68×6mm）→ 冷軋（33.4×3mm） → 冷 軋（19×1.65mm） → 熱處理 → 酸洗鈍化 → 檢 驗(yàn) → 入庫(kù)
規(guī)格2：219.08×12.7mm圓棒（Φ210mm）→ 進(jìn)廠檢驗(yàn) → 管坯加工 → 熱穿孔（214×18mm）→ 冷擴(kuò)（246×17mm） * → 冷拔（219.08×12.7mm）* → 熱處理 → 酸洗 鈍化 → 檢驗(yàn) → 入庫(kù)
規(guī)格3：355.6×12.7mm 圓棒（Φ310mm）→ 進(jìn)廠檢驗(yàn) → 管坯加 工→ 熱穿孔（310×27mm）→ 冷擴(kuò)（409× 22.5mm）* → 冷拔（355.6×12.7mm）* → 熱處理 → 酸洗鈍化 → 檢驗(yàn) → 入庫(kù)
注：*中間冷拔工序循環(huán)多次，即冷擴(kuò)-脫 脂-熱處理-矯直-酸洗。
4、主要生產(chǎn)工序研究
4.1熱穿孔
4.1.1 雙相鋼的熱加工性能
雙相不銹鋼由于擁有獨(dú)特的兩相組織結(jié)構(gòu)， 相比單相奧氏體不銹鋼， 其高溫塑性較低， 在熱加工（尤其是熱穿孔）過(guò)程中極易形成開裂。再者，由于雙相不銹鋼具有較高的合金含量，容易形成各類析出物，如σ相、χ相、Cr2N等析出物，這些析出物硬而脆，會(huì)降低鋼種的塑性韌性。
宋紅梅等人對(duì)雙相不銹鋼2205的熱加工性能研究發(fā)現(xiàn)，雙相鋼在高溫下熱加工時(shí)，雙相鋼中的鐵素體相以動(dòng)態(tài)回復(fù)，形成晶界平直的亞晶，而奧氏體相在經(jīng)過(guò)大變形后發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，兩相經(jīng)過(guò)各自的方式軟化回復(fù)，使得兩相相界呈圓鈍化，減弱因變形帶來(lái)的應(yīng)力集中。而當(dāng)材料在低溫下變形或應(yīng)變速率提高時(shí)，鐵素體和奧氏體這兩相組織的變形難以協(xié)調(diào)，在相界處呈現(xiàn)尖銳的區(qū)域，使得變形產(chǎn)生的應(yīng)力集中得不到軟化，從而萌生裂紋源。因此，變形溫度、應(yīng)變速率是影響雙相鋼熱加工的主要原因。
舒先進(jìn)等人對(duì)雙相鋼2205進(jìn)行了gleeble試驗(yàn)研究，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4。在1100℃以上的溫度變形時(shí)峰值應(yīng)力后的應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的平臺(tái)，即應(yīng)變?cè)黾拥耐瑫r(shí)應(yīng)力保持不變，試樣產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的塑性變形，這說(shuō)明材料在熱變形時(shí)軟化速率與硬化速率達(dá)到平衡狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)區(qū)越長(zhǎng)， 表明材料的熱塑性越好，因此2205雙相不銹鋼在1100℃以上的熱塑性較好。
4.1.2 雙相鋼的熱穿孔工藝測(cè)試
2205雙相鋼無(wú)縫管的熱穿孔性能由管坯溫度和熱穿孔變形速率來(lái)決定，管坯溫度在斜軋穿孔中由斜底加熱爐的出鋼溫度來(lái)控制。
本測(cè)試的第一步，設(shè)置了四種不同的出鋼溫 度：1120℃、1150℃、1170℃、1200℃，其它穿孔條件固定，測(cè)試使用的管坯牌號(hào)為S31803，成 分滿足ASTM A789標(biāo)準(zhǔn)要求，規(guī)格Φ63mm，穿孔荒管規(guī)格為68×6mm，設(shè)定送進(jìn)角為10°，軋輥距 56～57mm，導(dǎo)板距62～63mm，頂頭前伸量為45～55mm，軋輥轉(zhuǎn)速190rpm。使用3支管坯一 組，控制出鋼溫度。結(jié)果如表4所示，出鋼溫度為 1170℃時(shí)，荒管內(nèi)外表面得到良好的品質(zhì)。
第二步，為了測(cè)試穿孔變形速率的影響，在第一步得出的出鋼溫度（1170℃）的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變軋輥軋制速度來(lái)改變變形速率，本次測(cè)試設(shè)定190、200、210rpm三種軋制速度，每組速度使用5支管坯來(lái)測(cè)試，其它條件與第一步相同，結(jié)果如表5，相對(duì)低速的190和200rpm荒管表面更優(yōu)良，總體來(lái)說(shuō)，軋制速度在190~210rpm的條件下荒管表面品質(zhì)基本相近。
經(jīng)批量測(cè)試，控制出鋼溫度為1170℃，軋制速度設(shè)定在190rpm的工藝下，2205雙相鋼荒管得到較良好的表面品質(zhì)，其檢驗(yàn)合格率達(dá)到95%。
4.2熱處理
抗點(diǎn)蝕性能、鐵素體比例和力學(xué)性能是2205雙相鋼的三個(gè)重要特性，這三種特性很大程度上受熱處理影響，因此，對(duì)熱處理的研究是雙相鋼生產(chǎn)的重要項(xiàng)目。
吳玖等人對(duì)雙相鋼的研究指出，2205雙相鋼合適的熱處理溫度是1020~1100℃。核電雙相鋼技術(shù)條件也對(duì)2205的提出了在1020~1100℃ 進(jìn)行熱處理并急冷的要求。本項(xiàng)目在這一范圍的基礎(chǔ)下，對(duì)2205雙相鋼進(jìn)行了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探討，取2205冷加工去油洗凈后試樣，在實(shí)驗(yàn)室電阻爐中進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)。設(shè)置了1020℃、1040℃、 1060℃、1080℃、1100℃，并保溫15min以確保試樣充分得到加熱，出爐后迅速水冷。對(duì)實(shí)驗(yàn)后的試樣進(jìn)行點(diǎn)腐蝕檢驗(yàn)，鐵素體比例檢驗(yàn)，力學(xué)性能檢驗(yàn)。結(jié)果分述如下：
4.2.1 點(diǎn)腐蝕檢驗(yàn)
試樣按ASTM A923C進(jìn)行點(diǎn)蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25±1℃，在6%氯化鐵溶液中腐蝕24h后檢測(cè)腐蝕速率，結(jié)果如圖5所示，2205在1020~1100℃ 的范圍內(nèi)固溶熱處理，其點(diǎn)腐蝕速率均不高，處于小于1mdd的水平，尤其在1040~1060℃的點(diǎn)腐蝕速率更低。
4.2.2 鐵素體比例
試樣經(jīng)過(guò)熱處理實(shí)驗(yàn)后，取其橫向面拋光并使用10%NaOH溶液進(jìn)行電解腐蝕，使用光學(xué)顯微鏡觀察其金相組織，如圖6所示。使用圖像分析軟件計(jì)算鐵素體比例，結(jié)果如圖7所示。熱處理溫度對(duì)鐵素體比例有線性影響，溫度越高，鐵素體比例越高。在所實(shí)驗(yàn)的溫度范圍中，2205的鐵素體比例在48%~53%范圍內(nèi)。
4.2.3 力學(xué)性能試樣經(jīng)過(guò)熱處理實(shí)驗(yàn)后，對(duì)其進(jìn)行常溫拉力檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。
圖8表明， 2205雙相鋼的強(qiáng)度和硬度隨著熱處理溫度的升高而有所降低，而伸長(zhǎng)率隨著溫度的升高而提高，到1080℃時(shí)達(dá)到最高，隨后有所下降。因此，對(duì)于需要做冷加工的2205雙相鋼中間品而言，較低的強(qiáng)度、硬度和較高的塑性無(wú)疑是所需要的。中間品熱處理溫度可定在1080℃。
綜合以上，2205雙相鋼的成品熱處理溫度選擇1050℃，可得到最好的抗點(diǎn)蝕性能，鐵素體比例接近50%，力學(xué)性能良好。而中間品熱處理溫度選擇更高的1080℃，可得到較低的強(qiáng)硬度和更好的塑性，更有利于后續(xù)冷加工。
4.3冷加工
Avesta公司研究了2205雙相鋼冷加工特性， 如圖9所示，他們認(rèn)為2205具有良好的冷加工性能，可以使用與普通不銹鋼一樣的冷加工變形方式，如冷軋、冷拔、冷擴(kuò)。但其初始強(qiáng)度、硬度較普通奧氏體不銹鋼高，需要冷加工設(shè)備、模具具有更高的強(qiáng)度。通常，經(jīng)過(guò)10%以上的冷加工變形后，必須經(jīng)過(guò)固溶熱處理使其恢復(fù)塑性。
以下介紹幾種2205雙相鋼管的冷加工方法及注意點(diǎn)。
4.3.1 冷拔
由于2205強(qiáng)度、硬度高，需更加注意冷拔模具質(zhì)量，冷拔過(guò)程中，必須逐支檢驗(yàn)內(nèi)外表面質(zhì)量，如產(chǎn)生有拉毛現(xiàn)象必須檢查并拋磨模具。
對(duì)于2205，冷拔變形量應(yīng)嚴(yán)格控制，蘇式冷拔的變形量不得大于15%，擴(kuò)徑冷拔的變形量不得大于10%，中式冷拔的變形量不得大于20%， 否則會(huì)出現(xiàn)拉毛的問(wèn)題。
4.3.2 冷軋
由于2205強(qiáng)度硬度高，塑性差，冷軋的壓應(yīng)力條件更有利于冷變形，因此，在條件允許的情況下，2205雙相鋼使用冷軋變形更好。
冷軋過(guò)程中必須控制更小的車速和送進(jìn)量， 其冷軋變形量不得大于70%。否則會(huì)出現(xiàn)軋裂的情況。
5、檢驗(yàn)試驗(yàn)
5.1 力學(xué)性能
成品鋼管按NB/T20004進(jìn)行常溫拉伸性能， 其結(jié)果見(jiàn)表6，符合客戶標(biāo)準(zhǔn)要求。
5.2 硬度
成品管按GB/T 230.1或GB/T 231.1進(jìn)行的硬度 試驗(yàn)，產(chǎn)品硬度結(jié)果見(jiàn)表7。符合客戶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
5.3 壓扁擴(kuò)口試驗(yàn)
對(duì)成品鋼管按試驗(yàn)要求做壓扁試驗(yàn)。試樣壓扁后未見(jiàn)裂縫和裂口，檢驗(yàn)結(jié)果符合客戶要求。 對(duì)19.05×1.65mm的2205鋼管做擴(kuò)口試驗(yàn)。試驗(yàn)的頂心錐度為60°，擴(kuò)口后試樣的外徑最小擴(kuò)口率為10%，擴(kuò)口后試樣未見(jiàn)裂縫和裂口，檢驗(yàn)結(jié)果符合客戶要求。檢驗(yàn)結(jié)果如表8、圖10、圖11所示。說(shuō)明材料具有良好的工藝性能。
5.4 金相試驗(yàn)
熱處理狀態(tài)下成品鋼管的金相組織為奧氏體和鐵素體雙相組織，鐵素體含量為40%~60% 。金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9、圖12。
5.5 晶間腐蝕試驗(yàn)
成品鋼管按NB/T 20004進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，試樣按B法進(jìn)行 “敏化” 處理，敏化溫度為725℃，保溫30min，在加入銅屑的沸騰硫酸銅溶液中浸泡24h。經(jīng)彎曲90°后的試樣未見(jiàn)裂口或裂紋，如圖13。
5.6 點(diǎn)蝕試驗(yàn)
成品鋼管按ASTM A923C法進(jìn)行點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，其腐蝕速率應(yīng)不大于8mdd。點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10，符合客戶標(biāo)準(zhǔn)要求。
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