双相不锈钢（ ＤＳＳ ）是固溶组织中铁素体相和奥氏体相各占约一半的双相组织的不锈钢。由于其独特的组织特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能相结合，使得双相不锈钢兼具两相的优点，在全世界范围内获得越来越广泛的应用 。目前世界双相不锈钢的产量为 １５ 万 ～４０ 万 ｔ ，虽只占不锈钢总产量的１％ ～３％ ，但 最 近 １０ 年 年 均 增 长 迅 猛，仅２００５年到２００８年期间即增长了６倍，目前广泛用于油气、化工、淡水净化、造纸和纸浆、食品和轻工业以及建筑、楼房等结构件方面。

    当前双相不锈钢的发展已经历经３代：第１代 ＤＳＳ以２０世纪６０年代中期瑞典开发的３ＲＥ６０钢为代表，该钢可用作耐氯离子应力腐蚀环境，但有焊接热影响区的问题；第２代 ＤＳＳ为２０世纪７０年代后，结合 ＡＯＤ 、 ＶＯＤ 精炼技术的发展，具有超低碳和含氮的特征，其代表牌号为瑞典开发的 ＳＡＦ２２０５ ，点蚀当量指数（ ＰＲＥ ）为 ３２～３９ ；第 ３ 代 ＤＳＳ为２０世纪８０年代后期发展的超低碳、高钼、高氮含量的超级双相不锈钢（ ＳｕｐｅｒＤＳＳ ，ＳＤＳＳ ），其代表牌号有 ＳＡＦ２５０７ 、 ＵＲ５２Ｎ＋ 、ＺＥＲＯＮ１００等， ＰＲＥ 值大于４０ 。

    自第３代超级双相不锈钢开发以来，由于它们在兼具优良的力学性能和高耐蚀性的同时，与拥有相近性能的超级奥氏体不锈钢和镍基合金材料相比，又具有成本优势，因此在诸如油气田、石化及化学处理等工业中的应用迅速增长。尽管如此，在腐蚀环境更为苛刻的领域，如热海水中长期服役的工况环境，以及对耐蚀／力学性能的综合性能有更高要求的海洋及深海领域，如改良油气回采方法的井口控制系统和深海海底管道和管道缆等工况环境，双相不锈钢的耐蚀性能和力学性能仍无法完全满足使用要求。另外，从成本控制角度来讲，通过设计厚度的减薄，终端用户可以降低成本，这就对更高强度的材料提出了需求。

    因此，随着近年来人们不断提高的要求及双相不锈钢的发展，强度更高、耐蚀性能更优的新一代双相不锈钢材料———特超级双相不锈钢应运而生并得到发 展 应 用。 本 文 概 述 了 世 界 范 围 内 以 ＵＮＳＳ３２７０７和 ＵＮＳ　Ｓ３３２０７ 为代表的特超级双相不锈钢的发展现状及趋势，重点对特超级双相不锈钢的成分设计思路、组织特点进行了分析，并结合其性能优势介绍了国外在相关领域的应用范例，以期为国内双相不锈钢的发展提供思路和帮助。

    1 化学成分设计和组织特点

    双相不锈钢的性能，尤其是其塑韧性及耐腐蚀性能与两相平衡比例和有害相控制有着密切的关系 ，而相构成与相比例主要决定于钢的化学成分和固溶处理工艺。特超级双相不锈钢的化学成分设计和热处理工艺同样遵循这个基本原则。

    １.１　 成分设计

    为了满足日益提高的应用性能要求，高合金化是特超级双相不锈钢的设计思路。但在成分设计时应考虑到几个原则：稳定的两相平衡组织、良好的热稳定性和尽量少的有害析出相。这就要求在进一步提高钢中铬、钼、氮含量以提高强度和耐蚀性的同时，还要调节合理的其他元素成分配比，以获得优异的综合性能。

    强度更高、耐蚀性更优的特超级双相不锈钢牌号，其 ＰＲＥ 值接近 ５０ （ ＰＲＥ＝ ｗ Ｃｒ ＋３。３× （ ｗ Ｍｏ ＋０。５ ｗ Ｗ ） ＋１６ ｗ Ｎ ），可满足更加苛刻的腐蚀介质环境 ［７ ］ 和近代工业发展的需求。表１例举了几种目前主要的 ＨＤＳＳ 牌号的化学成分和对应的 ＰＲＥ 值，另外还包括 Ｓ３２２０５和Ｓ３２７５０等双相钢作为对比  。

    １.２　 相比例调控

  当钢的化学成分一定时，主要通过合适温度下的固溶处理，调控合适的奥氏体相／铁素体相相比例 。图１列举了经过不同固溶温度处理后的ＵＮＳ　Ｓ３２７０７钢组织中的各相比例。可见在较低温度固溶，组 织 中 有 一 定 量 的 有 害 相 σ 相，该 相 在１　１００ ℃以上时可以基本固溶。在较高温度固溶时，随固溶温度的提高钢中铁素体相比例逐渐提高，而奥氏体相比例相应下降 ［１９ ］ 。

    图２为ＵＮＳ　Ｓ３２７０７经１１００ ℃固溶处理后的组织照片。其中呈孤岛状分布的较亮部分为奥氏体相，较暗部分则为铁素体相。这时铁素体相和奥氏体相大约各占一半，特超级双相不锈钢的成分平衡。

    另外为了防止较弱相被优先腐蚀，钢的奥氏体及铁素体两相各自的耐点蚀指数（ ＰＲＥ ）设计相当，以ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 为例，两相各自的 ＰＲＥ 值平均相差不到１。

    ２　 耐腐蚀性能

    在含有氧化剂的氯化物溶液中，点蚀和缝隙腐蚀一般是不锈钢中最常见的失效形式。双相不锈钢中加入铬、氮及钼元素，可以提高耐此类局部腐蚀的能力  。特超级双相不锈钢的研发中也充分借鉴了此 经 验。根 据 表 １ 数 据 显 示， ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 和ＵＮＳ　Ｓ３３２０７ 的理论抗点蚀当量达到 ５０ 左右。按照ＡＳＴＭ　Ｇ４８Ａ 修订版标准对双相不锈钢的临界点蚀温度（ ＣＰＴ ）进行测试显示，ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 和 ＵＮＳ　Ｓ３３２０７的临界点蚀温度均高于 ９０ ℃，而ＵＮＳ　Ｓ３２７５０ 则约为 ８０ ℃ 。

    临界缝隙腐蚀温度（ ＣＣＴ ）提高对材料的使用也非常重要，这将大 大提 高材 料 在 低 氧 化 还 原 电 位的含氯化 物介质中 的服 役温 度，例如在精炼厂的工业蒸汽、海水、尤其是在低ｐＨ值和高浓度的氯化物溶 液 这 类 介 质 中， ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 的 耐 蚀 性 要 比ＵＮＳ　Ｓ３２７５０ 和超级奥氏体不锈钢 ２５４ＳＭＯ 好得多，如图 ３ 所示。 在工业生产中应力腐蚀开裂（ ＳＣＣ ）是最严重的一种腐蚀形式，其可能导致材料的快速失效。同其他双相不锈钢一样，由于具有奥氏体和铁素体双相结构， ＵＮＳ　Ｓ３２７０７可以应用于氯离子腐蚀环境，避免发生应力腐蚀开裂。特超级双相不锈钢和超级双相钢、双相不锈钢、３００系奥氏体不锈钢在１　０００ｈ耐氯离子ＳＣＣ试验中的数据对比如图４所示。从图４可以看出，特超级双相不锈钢的耐应力腐蚀开裂性能更加优异。 均匀腐蚀影响在介质中服役的不锈钢部件的使用寿命，而 ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 在诸如甲酸和乙酸等有机酸中具有很好的耐蚀性。在标准奥氏体不锈钢腐蚀较快的使用环境中，特超级双相不锈钢甚至可以很好地替代高合金奥氏体不锈钢和镍基合金。

    ３　 力学性能

    特超级双相不锈钢的双相组织使其屈服强度是与其耐点蚀性能相当的奥氏体不锈钢的２倍。更高的强度可以显著降低材料厚度、质量及安装成本。

    与此同时，其仍然保持较好的塑性，且制造工艺和奥氏体钢相近。热交换器管用 ＵＮＳ　Ｓ３２７０７材料的屈服强度一般为８００ＭＰａ ，抗拉强度为１０００ＭＰａ ，淬火热处理态下的伸长率大于２５％ 。而 ＵＮＳ　Ｓ３３２０７具有更高的抗拉强度，在淬火热处理状态下，抗拉强度比超级双相钢 ＵＮＳ　Ｓ３２７５０高２０％ 。

    双相不锈钢的使用温度范围在－５０～３００ ℃ ，依据钢种及标准的设计规定的不同而有一些差别。

    由于含有铁素体相，低温时材料将会脆化；在铁素体分解速率达到最大的较高温度时，铁素体相发生转变而脆化（４７５ ℃脆性）。而 ＵＮＳ　Ｓ３２７０７具有很好的冲击韧性，其脆性转变温度低于－５０ ℃ 。

    ４　 特超级双相不锈钢的应用

    ４.１　 海洋／深海环境

    特超级双相不锈钢具有超高强度和耐蚀性能，非常适合用于海洋环境，尤其是深海的油田开采。

    作为一种可以在苛刻腐蚀条件下使用的高合金双相钢， ＵＮＳ　Ｓ３２７０７尤其适用于苛刻的、酸性或者氯离子腐蚀环境，比如热带海水中。 Ｓａｎｄｖｉｋ公司开发了用 于 氯 离 子 腐 蚀 环 境 下 的 海 洋 油 井 用 ＳＡＦ２７０７ＨＤ 线材，能在 －５０～２８０ ℃ 的温度范围内使用，能够耐高温氯离子点腐蚀。经过 ６ 个月的测试，ＳＡＦ　２７０７ＨＤ 材料的使用寿命长，缩短油井停工期，降低成本和维护费用，是油井使用的理想材料，目前已成功应用于近海岸深水油井。

    该材料的抗拉强度和破坏载荷比大多数不锈钢和高合金线材都高，高的强度以及耐磨、耐机械破坏和良好的抗疲劳强度可以有效延长材料的预期寿命。在印度尼西亚海岸的一项应用测试结果显示，ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 材 料的 使用 寿命是 ＵＮＳ　Ｓ３２７６０ 的２.５ 倍。该材料可以在： Ｃｌ－质量分数为 １５０００×１０^_－６ 、１５３ ℃ 、 ３４ＭＰａ 的条件下使用。经过长期的使用， ＵＮＳ　Ｓ３２７０７ 线材的延展性仍保持良好，成为超级奥氏体不锈钢和镍基合金的低成本替代材料。

    海底脐带用于连接海面钻井控制平台和海底油井，起到传输信号和向海底油气井运送化学品的作用，是海洋、尤其是深海油气开采的关键部件。海底脐带管材料不仅需要更加苛刻的强度和耐蚀性能要求，还需承受高周和低周疲劳。之前广泛使用超级双相不锈钢 ＵＮＳ　Ｓ３２７５０作为脐带管用材，但随着钻井深度的增加，有些新项目水深达到２　５００ｍ 、水压达到１０３ＭＰａ时，虽然仍可使用超级双相不锈钢材料，但必须增加管壁厚度以及涂层来满足强度和抗腐蚀性能设计要求。增加管壁厚度后，超级双相不锈钢材料甚至不能承受自重，且安装成本大幅增加。而新一代的特超级双相不锈钢 ＵＮＳ　Ｓ３３２０７的应用使超深海底油田的开发成为可能。与超级双相钢相比，Ｓａｎｄｖｉｋ 公司开发的 ＳＡＦ　３２０７ＨＤ 具有更高的强度（９８０～１　１８０ＭＰａ ）和相似的伸长率，并具有很高的疲劳周期寿命，可在９０ ℃左右温度工作。

    其良好的力学性能使得管壁厚度和设备质量大幅降低，安装成本也随之降低。相对ＳＡＦ　２５０７材料，脐带管壁厚度可减薄２１％ ，质量减轻２２％ ，这使得开发深度超过２　５００ｍ 的深海油田成为可能。

    ４.２　 海水淡化／海水热交换器

    早在２０世纪７０年代日本开始使用３２９Ｊ１和ＮＴＫＲ － ４ （ ００Ｃｒ２５Ｎｉ５Ｍｏ１.５ － ２.５ 含氮或不含氮）钢制造化工厂用或船用海水热交换器或海水冷却器管束，部分代替铝黄铜管。目前使用的主要 材料是ＵＮＳ　Ｓ３２７５０超级双相不锈钢。但特超级双相不锈钢则性能更加优异，和超级双相不锈钢（其最高使用温度５０ ℃ ）相比，特超级双相钢材料可在７０ ℃温度使用，运行效率更高。例如地中海的一家化工厂的海水热交换器，壳程是含有少量氟化物的丁烷，入口温度８０ ℃ ，出口温度 ３０ ℃ ，管程是海水。先前采用不耐氟离子腐蚀的钛管，只能用 ３ 个月，该工厂最终选择 Ｓａｎｄｖｉｋ 公司的 ＳＡＦ２７０７ＨＤ 特超级双相不锈钢制作海水冷却交换器，其性能比 ＳＡＦ　２２０５ 更为可靠，从 ２００５ 年底开始使用至今。

    因此，在海水淡化或者海水热交换器环境下，特超级双相不锈钢具有巨大的优势。如果考虑采用特超级双相不锈钢带来的维护费用大幅降低、运行时间延长、设备运转更为高效安全，特超级双相钢具备真正意义上的低寿命周期成本。

    ４.３　 石油和天然气工业

    ２０ 世纪 ８０ 年代以来，双相不锈钢在酸性气和油的生产中用量逐渐增多，主要用作生产管衬里、岸上和近海的管道系统以及热交换器等。尤其在天然气的生产中，双相不锈钢多数面临的是含有大量 Ｃｌ－ 、ＣＯ ２ 和 Ｈ ２ Ｓ 这类酸性环境。 ２００３ 年底，一家美国石油精炼厂由于使用的原油品位低，容易造成氯离子腐蚀，以前通常采用超级双相不锈钢 ＵＮＳ　Ｓ３２７５０ ，但在苛刻的使用环境下，管材还会发生点蚀甚至是开裂，而该厂将其常压蒸馏器的顶泵及循环交换器的换热器管材料完全用 ＵＮＳ　Ｓ３２７０７材料替代后，到目前为止运行得非常好。

    欧洲一家精炼厂也有类似的问题，他们在常压蒸馏装置塔顶的空气冷凝器中使用的碳钢寿命很低，而将采用 ＵＮＳ　Ｓ３２７０７材料的冷凝器管安装到空气冷凝器最恶劣环境下使用一年后观察，服役良好。

    ４.４　 纸浆和造纸工业

    双相不锈钢在纸浆和造纸工业中的应用已经有４０年 的 历 史 了， ３ＲＥ６０ 钢、 ＵＮＳ　Ｓ３２２０５ 、 ＵＮＳＳ３２７５０等双相不锈钢都已获得了应用。其主要是利用双相不锈钢优良的力学性能、耐磨损腐蚀、耐腐蚀疲劳以及耐应力腐蚀性能好等优势，在制造纸浆和造纸工业用的木屑预蒸器、间歇式和连续式纸浆蒸煮器，造纸压力滚筒和回收设备等方面都取得了良好的使用效果。此外，在北美、欧洲和日本等发达国家，（超级）双相不锈钢还成功地在炼油工业、化肥工业、能源与环保工程、轻工和食品工程以及高强度结构件等领域中得到广泛应用。目前特超级双相不锈钢的使用成为一种趋势。如南美一家生产硼酸和硼盐的化工厂，原先使用６Ｍｏ超级奥氏体不锈钢，因存在含氯化物较高的高温环境，有腐蚀问题，２００５年该厂采用了 ＵＮＳ　Ｓ３２７０７管将其替代。

    ５ 结论

    特超级双相不锈钢在国外已经历经多年的研发与应用，在生产企业、协会等多方面的推动下，正在获得越来越多用户的亲睐，使用范围越来越广泛。

    中国目前主流的牌号仍为 ２２０５ 类传统双相不锈钢，超级双相不锈钢有少量的生产，而特超级双相不锈钢则刚刚起步，处于研发阶段。考虑到中国可持续发展的战略需求，诸如深海油气开采、海水淡化、烟气脱硫、新能源等领域的开发迫在眉睫，而这些恰恰都是特超级双相不锈钢发挥其优势的用武之地。因此国内需要就特超级双相不锈钢的成分设计、热加工性能、焊接性能等关键技术，组织生产企业与使用单位上下游结合及产学研的联合攻关，并加强国内外技术的交流，利用多种手段加大宣传力度，推广应用领域，推进中国特超级双相不锈钢的发展。

(来源：知网  作者：丰涵 ，周晓玉 ， 刘虎 ，宋志刚）

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