双相不锈钢知识的详解

2024-03-07 13:28:42 作者：阿斯米来源：阿斯米分享至：

双相不锈钢（Duplex Stainless Steel，简称DSS），指铁素体与奥氏体各约占50%，一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢。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。

1、不锈钢为什么不会生锈？

不锈钢的耐腐蚀性能一般随着铬含量的增加而提高，当钢中的铬含量Cr≥12%，会在钢的表面形成一层非常薄，但很致密的氧化膜(通称钝化膜)，保护基体不再被氧化或腐蚀，不锈钢因此具有优良的耐蚀性能。

2、双相不锈钢的组成

双相不锈钢（Duplex Stainless Steel，简称DSS），指铁素体与奥氏体各约占50%，一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢。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。

图:双相不锈钢的组成

图：双相不锈钢的微观组织

3、双相不锈钢的分类

第一类属低合金型

代表牌号UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N），钢中不含钼，PREN值为24-25，在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用。

第二类属中合金型

代表牌号是UNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N）,PREN值为32-33，其耐蚀性能介于AISI 316L和6%Mo+N奥氏体不锈钢之间。

第三类属高合金型

一般含25%Cr，还含有钼和氮，有的还含有铜和钨，标准牌号UNSS32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），PREN值为38-39，这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢。

第四类属超级双相不锈钢型

含高钼和氮，标准牌号UNS S32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N）,有的也含钨和铜,PREN值大于40,可适用于苛刻的介质条件,具有良好的耐蚀与力学综合性能，可与超级奥氏体不锈钢相媲美。

4、双相不锈钢 VS 奥氏体 & 铁素体不锈钢

由于两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。

与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：

（1）屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，且具有成型需要的足够的塑韧性。采用双相不锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用的奥氏体减少30-50%，有利于降低成本。

（2）具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力，即使是含合金量最低的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中。应力腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的突出问题。

（3）在许多介质中应用最普遍的2205双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的316L奥氏体不锈钢，而超级双相不锈钢具有极高的耐腐蚀性，在一些介质中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奥氏体不锈钢，乃至耐蚀合金。

（4）具有良好的耐局部腐蚀性能，与合金含量相当的奥氏体不锈钢相比，它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体不锈钢。

（5）比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，和碳钢接近，适合与碳钢连接，具有重要的工程意义，如生产复合板或衬里等。

（6）不论在动载或静载条件下，比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力，这对结构件应付突发事故如冲撞，爆炸等，双相不锈钢优势明显，有实际应用价值。

与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：

（1）应用的普遍性与多面性不如奥氏体不锈钢，例如其使用温度必须控制在250摄氏度以下。

（2）其塑韧性较奥氏体不锈钢低，冷，热加工工艺和成型性能不如奥氏体不锈钢。

（3）存在中温脆性区，需要严格控制热处理和焊接的工艺制度，以避免有害相的出现，损害性能。

与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：

（1）综合力学性能比铁素体不锈钢好，尤其是塑韧性，不像铁素体不锈钢那样对脆性敏感。

（2）除耐应力腐蚀性能外，其他耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢。

（3）冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。

（4）焊接性能也远优于铁素体不锈钢，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。

（5）应用范围较铁素体不锈钢宽。

与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：

合金元素含量高，价格相对高，一般铁素体不含镍。

5、双相不锈钢的应用

双相不锈钢不管是在高度腐蚀环境还是在不锈钢结构的工程材料方面都是一种万能的材料。其用途包括：

● 造纸工业；

● 化学和石油化学工业；

● 湿法冶金；

● 有机酸和苛性碱介质；

● 污染控制设备；

● 化学品贮槽；

● 海上和海岸应用；

● 酿酒厂的管道装置；

● 建筑物。

双相不锈钢是集优良耐腐蚀性、高强度和易于制造加工等诸多优异性能于一身的钢类。其物理性能介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间，但更接近于铁素体不锈钢和碳钢。

双相不锈钢历史

双相不锈钢已有近80年的历史，其显微组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半。早期的牌号是铬、镍和钼的合金。第一批锻轧双相不锈钢于1930年在瑞典生产，并用于亚硫酸盐造纸工业。这些钢种是高碳双相不锈钢，其最初的开发目的是为了减少晶间腐蚀问题。1930年芬兰生产出双相不锈钢铸件，1936年法国获得专利钢种，就是后来著名的Uranus50。二战后，AISI329不锈钢成为成熟的牌号并广泛用于硝酸装置的热交换器管道。3RE60是专为提高耐氯化物应力腐蚀断裂（SCC）性能而开发的第一代双相不锈钢牌号之一；后来，锻造和铸造双相不锈钢牌号均用于各种加工工业，包括容器、热交换器和泵。

第一代双相不锈钢具有良好的性能，但在焊接状态下有局限性。焊缝的热影响区（HAZ）由于铁素体过多而韧性低，并且耐腐蚀性明显低于母材。这些局限性限制了第一代双相不锈钢的应用，通常仅限于非焊接状态使用。1968年不锈钢精炼和氩氧脱碳（AOD）工艺的发明，使一系列新不锈钢钢种的产生成为可能。AOD所带来的诸多进步之一便是氮作为合金元素的刻意添加。双相不锈钢的氮合金化使得焊接状态下HAZ的韧性和耐腐蚀性接近于母材成为可能。随着奥氏体稳定性的提高，氮也降低了有害金属间相的形成速率。

第二代双相不锈钢具有氮合金化的特征。这一新的商品化进展始于上世纪70年代后期，正好与北海海上油气田的开发以及对具有优异耐氯离子腐蚀性能、良好的加工性能和高强度的不锈钢的需求相吻合。2205成为第二代双相不锈钢的主要牌号并广泛用于海上石油平台集气管线和处理设施。由于这类钢的强度高，允许在平台上进行减小壁厚和减重，使其应用有很大的吸引力。

双相不锈钢一直在不断发展，双相不锈钢包含一系列腐蚀特性各不相同的牌号，其腐蚀性能取决于它们的合金成分。现代双相不锈钢可分为五种类型：

* 不添加钼的经济型双相不锈钢如2304；

* 标准双相不锈钢如2205，是主要的钢种，占双相钢用量的80%以上；

* 25Cr双相不锈钢如合金255，PREN值小于40；

* 超级双相不锈钢（PREN值40～45），含25％～26%Cr，比25Cr双相不锈钢更高的钼和氮的含量，如2507；

* 特超级双相不锈钢，PREN值超过45的高合金化双相不锈钢。

双相不锈钢的应用

烟气脱硫

燃煤电力设施为进一步降低SO₂的排放，而烟气脱硫（FGD）是达到SO₂低排放的一种方法。利用石灰或石灰石泥浆 "湿法洗涤"烟气中的SO₂是一种成熟技术，自从上世纪70年代以来就作为基本方法用于电站锅炉系统。

现代化洗涤装置目前能去除废气中90%的SO₂。现代化FGD装置由具有不同温度、氯化物含量和pH的几个区组成。2205不锈钢（S32205）由于与奥氏体不锈钢相比成本更低，耐腐蚀性更好，已经在欧洲和亚洲用于FGD装置。最近，北美已经接受双相不锈钢的应用，由于其焊后的高强度、良好的耐腐蚀性能和高韧性，已成为最受欢迎的FGD吸收塔选材。

海水淡化

海水淡化由于其高氯化物含量、高温的腐蚀性工艺环境，使材料经受了最严格的一种考验。海水淡化的历史基本上是材料发展的历史，因为海水淡化业的客户需要在满足耐腐蚀性要求与将投资控制在可承受范围的要求之间寻求平衡。早期的海水淡化项目中，多级闪蒸（MSF）和多效（MED）海水淡化设备的蒸发器使用碳钢制造。后来，MSF蒸发器一般用316L（EN1.4404）奥氏体不锈钢包覆。MED蒸发室先是采用环氧树脂涂层，后来用不锈钢包覆。

使用双相不锈钢的好处是，它的高强度是传统奥氏体钢种的两倍与高耐腐蚀性能相结合。因此，双相不锈钢蒸发器可用更薄的钢板制造，所需的材料和焊接较少。更多的好处包括容易处理，对环境的综合影响较少。

石油和天然气

在石油天然气工业中，双相钢在帮助抵抗恶劣条件方面发挥了至关重要的作用。双相不锈钢主要应用在流体管、工艺管线系统和设备，如分离装置、洗涤装置和泵。在海下，这些材料用于井下生产管道、管件和集合管、流体管和运输腐蚀性油气的管线。超级双相不锈钢（25％Cr），因其对设计应力的有效抵抗能力，经常用于以下几个方面：圆棒、锻件、铸件、薄板、厚板、管材、紧固件等。

超级双相钢还具有优良的抗疲劳性能以及与其他高合金不锈钢良好的电偶相容性。脐带缆是用来使用液压线进行井口操作控制的，也可用于化学品注入。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。最近几年，开发深海油气田的趋势，需要更长的脐带缆。提高材料的强度可降低脐带缆的重量，可使长度更长。

生物燃料

生物燃料工业（尤其是乙醇）是双相钢应用不断增长的一个领域。2205不锈钢已用于新加坡生物质制油NExBTL工艺设备。在阿姆斯特丹港的一个大型生物燃料工程中，荷兰储罐制造商Oostwouder Tank-&SilobouwBV为Noba VetveredelingBV制造的油库选用了S32101。在瑞典Händelö岛的Agroetanol乙醇装置扩建工程中，S32101还被指定用于制造容器和管道。在许多乙醇装置用途中，经济型双相钢已被用来替代300系列奥氏体不锈钢。

食品和饮料

在食品和饮料工业中经济型双相钢也证明了其价值。这种材料在西班牙的两个项目中得到应用，一个食品储存库和一个酒品储存库。在巴塞罗那港，Emypro SA全部采用S32101修建食品储存罐，取代了EN1.4301 /1.4307 （304/304L）。在西班牙南部的代米耶尔，由西班牙储罐制造商Martinez Sole为GarciaCarrion建造的酒品储存库，第一次使用了双相不锈钢。

建筑工业

双相钢不断在桥梁建造中发挥重要作用，桥梁在腐蚀和含盐环境使用，同时要求较高的承载强度。近期的两个实例均来自于亚洲，分别是香港的昂船洲大桥和新加坡的双螺旋步行桥，它们均使用了2205双相不锈钢。2006年昂船洲大桥使用了2000吨2205双相钢板材和管材，其表层部分由中国的制造厂用定制尺寸的板材建造。板材经过抛光和喷丸处理，以便在白天和晚上均能有最佳的反射性。

此外，双螺旋步行桥使用了570吨双相不锈钢。这座桥令人惊叹的设计包含了类似于DNA结构的两个螺旋形管状不锈钢部分，其双螺旋支撑结构分别使用2205双相钢管材和板材。不锈钢表面通过反射灯光来提供晚间照明，反射灯光被用来增强设计效果。

位于卡塔尔多哈新国际机场的世界最大的不锈钢屋面使用含钼的经济型双相不锈钢（S32003）建造。航站楼最突出的特点是它的波浪形屋顶，据说是世界上最大的不锈钢屋顶。屋顶面积约为195000平方米，使用了约1600吨双相不锈钢。选择不锈钢牌号时考虑几个因素，其中最重要的是机场离大海的距离。屋顶不仅要抵抗中东地区的高温和湿度，还必须能经受盐的腐蚀。与其他钢种相比，双相不锈钢材俱有成本和良好的强度重量比。

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