双相不锈钢在天然气行业中的应用

熊兴琼

中油派思（大连）供应链管理有限公司辽宁大连116600

摘要：双相不锈钢，在甜、湿、酸服役环境下表现很好。由于具有很高的机械强度和优异的抗腐蚀性，特别是抗Cl－和CO2腐蚀等，在化工、造纸、海水系统、电站、船舶等行业得到了广泛的应用，近年来在国外石油天然气行业中逐渐推广，而且随着H2S在输送油气中的浓度增加，同时伴随着输气温度、压力及管道温度的增加，双相不锈钢开始用于管道系统、阀门、热交换器、压力容器油气用设备当中。

关键词：天然气；双相不锈钢；应用

1.双相不锈钢的发展

1.1第一代双相不锈钢

20世纪40年代发现奥氏体不锈钢具有应力腐蚀破裂敏感性，许多研究工作都观察铁素体可以降低不锈钢对应力腐蚀破裂敏感性。由于双相不锈钢中的含铁素体量较高，形成了第一代双相不锈钢。

1.2第二代双相不锈钢

20世纪70年代针对热影响区的晶间腐蚀问题而研制了含22％铬的双相不锈钢。随着电弧炉精炼技术的改进，可生产含碳量更低的不锈钢，同时也有可能加入其他合金元素，如钛、铌和氮等。与早期双相不锈钢相比，此类型双相不锈钢不仅含碳量较低，而且还有较高的钼含量，同时也含有一定量的氮，此类型钢的耐腐蚀能力，特别是耐局部腐蚀的能力，比第一代双相不锈钢要高得多。而且由于氮的添加，使得此类型双相不锈钢具有较高的抗焊后热影响区晶间腐蚀的能力，并通过了Strauss和Huey晶间腐蚀试验。其中2205(UNS31803)还通过了硫酸浓度较高的晶间腐蚀试验。这些由于炼钢技术改造以后而发展起来的钢种，形成了第二代双相不锈钢，其中包括含钼和氮的或不含钼和氮的双相不锈钢。

1.3第三代双相不锈钢

20世纪80年代以后，特别是近海油气工业的发展，增加了对22％铬双相不锈钢的需求量。同时，也由于使用环境的苛刻，而发现了第二代双相不锈钢的局限性，如耐海水腐蚀的能力，以及焊后性能等等。利用热力学数据，研制开发超级双相不锈钢，形成了第三代双相不锈钢，目前已得到了很大的发展，较典型钢种有SAF2507、zeronl00等。

2.双相不锈钢在天然气行业中的应用

天然气输送用的无缝钢管、设备用的不锈钢板都需具有较高力学性能和优良的耐Cl－和CO2腐蚀性能，以及较好的焊接性能，2205双相不锈钢则是最佳选择。

2.1钢管的选择

要求制造厂对钢管进行管整体固溶退火处理。其中化学成分按表1要求，最小氮含量和点蚀指数（PREN）符合表2要求。

表1UNSS32205双相钢钢管化学成分（%）

表2氮含量和点蚀指数（PREN）的特殊要求

点蚀指数PREN按下式计算：

PREN＝Cr%＋3.3×Mo%＋16×N%

母材铁素体相比例的范围40%～60%。

腐蚀试验方法及验收标准一般按照ASTMA923“双相不锈钢锻件有害金属间相检测试验标准方法”的B冲击韧性试验、方法C氯化铁溶液点蚀试验进行。

2.2钢板的选择

非标设备采用的复合钢板主要技术要求：最高设计压力P≤17.0MPa，设计温度T≤-40°C－140°C

使用的复合钢板主要有：

(1)2205+20R

(2)2205+16MnR

(3)2205+16MnDR

(4)2205+09MnNiDR

其中复合钢板的基材主要根据设计压力和设计温度确定。

结合界面力学性能是评价爆炸复合材复合质量的主要指标，通常用结合剪切强度（GB8546）、抗拉强度（GB6396）、冲击韧性(GB2975)、弯曲性能（GB6396）及结合界面层硬度等指标来表征。

2.3双相不锈钢耐现场环境腐蚀试验

为保证选用的双相不锈钢在现场环境应力腐蚀的耐蚀性，主要进行的腐蚀试验检验为：按ASTMG36进行试验，时间720小时，要求试后试片无裂纹。

2.4双相不锈钢制造质量的控制试验检验

制造中的不适当热处理和现场安装焊接等，均可能降低双相不锈钢的韧性和耐蚀性，因此，一般会把有害金属间相σ相试验检验，作为双相不锈钢制造质量的控制试验检验之一。

双相不锈钢有害金属间相的检验经济实用方法是美国材料试验工程师协会专门制定的检验双相不锈钢有害金属间相的标准ASTMA923“锻压铁素体/奥氏体不锈钢有害金属间相的实验室检验方法”。

在ASTM923标准中，规定了经固溶处理的双相不锈钢有害金属间相的三种经济实验室检验方法：方法A氢氧化钠浸蚀试验，方法B冲击韧性试验、方法C氯化铁溶液点蚀试验。但方法A相对易受到检测人员技术水平等主观因素的影响。

2.5ASTMA923B法与ASTMA370的冲击试验

ASTMA923方法B是低温冲击韧性试验。

国外的试验发现UNSS32205双相不锈钢在－40℃时平均冲击功54J是和金相中发现有害金属间相紧密相关，因此采用该试验方法从一个侧面判定双相不锈钢有害金属间相存在。冲击功易于测量，测试方法成熟，是标准选择其作为有害金属间相判断的原因。

对于UNSS32205双相不锈钢的验收判据是在－40℃试验时的V型缺口标准试件，平均冲击功要求见下表3：

表3UNSS32205双相不锈钢方法B冲击韧性试验验收判据（纵向试样）

在ASTMA923标准中指出了取样的要求。试验样品的位置和方向应选择为最易于生成有害金属间相的部分，如普通的热处理样品就应取自冷却最慢的部分。

A923方法B试件边缘应细磨，不能进行化学处理。

ASMEUHA51和ASTMA370的冲击试验是用来确认其对于材料在使用温度适用性的，试验温度是金属的最小使用温度确定，对于各台设备其都可能不同。适用于设备的所有部分，包括基体金属、焊缝金属和热影响区。试件数量、冲击功、剪切面积的测量均按ASMEUHA51进行。

2.6ASTMG48A法试验和ASTMA923C法试验

ASTMG48A法和A923C法范围相似，他们使用的设备和过程都相似，ASTMG48A描述了试验过程，但ASTMA923C法规定增加了试验温度、暴露时间、腐蚀评价技术和验收标准，特别是提供了双相不锈钢有害金属间相的判据。

对于UNSS32205双相不锈钢ASTMA923方法C氯化铁溶液点蚀试验的验收判据见下表4：

表4UNSS32205双相不锈钢ASTMA923方法C的验收判据

ASTMG48A一个重要的不同是允许试验者不计试件边缘的腐蚀，这有利于排除试件边缘与现场实际平面不一致的几何形状产生的腐蚀误差。但这对于使用该方法证明双相不锈钢有害金属间相的存在是不合适的。因为有害金属间相会发生在金属表面或焊缝面，但也可能发生在金属的内部，因此试件边缘的腐蚀代表了样品部分金属内部有害金属间相的腐蚀。

ASTMG48A通常要进行系列温度的试验，试验的目标是确定临界孔蚀温度（CPT），因此试验时间和表面孔蚀检查方法都是为确定孔蚀萌生的。在ASTMA923中每一种材料的唯一试验温度是由该材料的产生沉淀相的温度确定。高于材料临界温度又有有害金属间相的试件，则孔蚀明显，易于发现。把测量失重作为孔蚀的度量是因为腐蚀失重的实验数据比目测孔蚀定量更准。

3.结论

双相不锈钢的优点主要有下列几点：

1）屈服强度比普遍奥氏体不锈钢高l倍多，且有良好成型塑韧性，相同设计应力下可减少壁厚30％~50％；

2）具有优异的耐应力腐蚀能力，在含氯离子环境中，它可解决奥氏体不锈钢难以解决的突出问题；

3）最普遍使用的2205双相不锈钢耐蚀性优于316L奥氏体不锈钢，超级双相不锈钢在醋酸、甲酸等介质中可取代高合金奥氏体不锈钢；

4）良好的耐局部腐蚀、耐磨损腐蚀和腐蚀疲劳抗力。优于合金含量相当的奥氏体不锈钢；

5）线膨胀数低，与碳钢接近，适合与碳钢连接或复合。

因此，双相不锈钢广泛的应用于天然气行业中，主要包括钢管，钢板，锻件等，且材料的制造，检验要求和对材料的要求同等重要。

参考文献

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