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模具鋼百科
耐蝕性能優(yōu)異的SAF 2707 HD雙相鋼
來源: | 作者:pmo181730 | 發(fā)布時(shí)間: 2019-04-04 | 5372 次瀏覽 | 分享到:
標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼被廣泛應(yīng)用于高溫含氯化物的環(huán)境，其使用已超過30年。然而，隨著工廠設(shè)備要求的提高，特別是海水環(huán)境和氯化處理應(yīng)用領(lǐng)域，顯然需要一種新的鋼種以應(yīng)對日益增長的苛刻操作條件。
與標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼相比，山特維克SAF 2507（UNS S32750）的耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕性能有很大的改善。已經(jīng)證明，該材料是一種優(yōu)異的適用于海水環(huán)境設(shè)備（如海水冷卻器）使用的材料。然而，在一些小設(shè)備器件上，如利用熱海水的熱交換器和泠凝器設(shè)備，由于會沿著這種設(shè)備的縫隙形成很多沉積，故這種設(shè)備多青睞于使用鎳合金。
　　標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼被廣泛應(yīng)用于高溫含氯化物的環(huán)境，其使用已超過30年。然而，隨著工廠設(shè)備要求的提高，特別是海水環(huán)境和氯化處理應(yīng)用領(lǐng)域，顯然需要一種新的鋼種以應(yīng)對日益增長的苛刻操作條件。
　　與標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼相比，山特維克SAF 2507（UNS S32750）的耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕性能有很大的改善。已經(jīng)證明，該材料是一種優(yōu)異的適用于海水環(huán)境設(shè)備（如海水冷卻器）使用的材料。然而，在一些小設(shè)備器件上，如利用熱海水的熱交換器和泠凝器設(shè)備，由于會沿著這種設(shè)備的縫隙形成很多沉積，故這種設(shè)備多青睞于使用鎳合金。
1、新一代不銹鋼
　　為了解決這種情況，山特維克公司在大力開發(fā)明顯改善耐腐蝕性能新一代不銹鋼方面做了很多工作。
　　山特維克公司開發(fā)出一種高合金、雙相（奧氏體-鐵素體）不銹鋼山特維克SAF 2707 HD（UNS S32707），稱之為頂級雙相不銹鋼。與其他雙相不銹鋼相比，SAF 2707 HD表現(xiàn)出優(yōu)異的耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕性能，特別是在氯化海水中，這些性能優(yōu)于或相當(dāng)于許多鎳合金。
　　該頂級不銹鋼的性能超過了現(xiàn)有的超級雙相不銹鋼。與超級雙相不銹鋼SAF 22507（UNS S32750）和6Mo奧氏體不銹鋼UNS S31254相比，該鋼在氯化物溶液中的耐腐蝕性能得到很大的改善，更適用于酸蝕、含氯環(huán)境。這使得該鋼非常適用于過程工業(yè)，如煉油設(shè)備、石油化工設(shè)備和化學(xué)設(shè)備使用的管殼式換熱器，特別適用于熱海水環(huán)境。
2 、化學(xué)成分
　　山特維克SAF 2707 HD的高耐蝕性主要是因?yàn)樗幕瘜W(xué)成分（見表1）以及鉻（Cr）、鉬（Mo）和氮（N）的含量，詳見表1。
表1 SAF 2707 HD的化學(xué)成分&
山特維克鋼種
UNS
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
其他元素
PRE
超級-雙相-SAF 2507
S32750
≤0.030
≤0.8
≤1.2
≤0.035
≤0.015
25
7
4
N＝0.3
43
超級-雙相-SAF 2707 HD
S32707
≤0.030
≤0.5
≤1.5
≤0.035
≤0.010
27
6.5
4.8
N＝0.4
Co＝10
180
 
　　鉻是一種提高不銹鋼耐一般腐蝕和耐局部腐蝕的最普通的元素（見表2）。相比之下，合金625鎳合金含有21%的Cr，山特維克公司的超級雙相不銹鋼SAF2205含有22%的Cr。山特維克SAF 2707 HD化學(xué)成分中27%的Cr使得該鋼具有較高的腐蝕性能。
表2 一些普通不銹鋼鋼種的合金成分
鋼種
ASTM
UNS
Cr
Mo
N
PRE
山特維克3R12
304L
S30403
18
-
-
18
山特維克3R60TM
316L
S31603
17.5
2.6
-
26
山特維克SAF 2304
-
S32304
23
0.3
0.1
26
山特維克3R64
317L
S31703
18.5
3.1
-
29
Sanicro 41
-
N08825
20
2.6
-
29
山特維克2RK65
904L
N08904
20
4.5
-
35
山特維克SAF 2205
-
S31803
22
3.1
0.2
35
Sanicro 28
-
N08028
27
3.5
-
38
山特維克254SMOTM
-
S31254
20
6
0.2
43
山特維克SAF 25074
-
S32750
25
4
0.3
43
山特維克SAF 2707 HD
-
S32707
27
4.8
0.4
18
合金625
-
N06625
21
9
-
51
合金C-22
-
N06022
22
13
-
65
合金C-276
-
N10276
15
16
-
68
 
　　山特維克SAF 2707 HD的顯著特征包括：與許多鎳合金，如含有高達(dá)10%Mo的合金625相比，它含有相對較低的鉬含量（4.8%）。4.8%的Mo含量更類似于超級雙相不銹鋼，如含有3.1%Mo的SAF 2205。頂級雙相不銹鋼具有一種平衡的化學(xué)成分，使其組織為50%鐵素體和50%奧氏體，這種組織決定了該鋼在諸如海水、中鹽和鹵水的含氯介質(zhì)中有較高的耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕性。
　　化學(xué)成分可以顯著改善鎳合金微觀組織的多變形和不穩(wěn)定性。鎳對不銹鋼的耐腐蝕性幾乎沒有影響，但鎳是一種重要的奧氏體穩(wěn)定元素。因?yàn)榈卜€(wěn)定奧氏體相，山特維克SAF 2707 HD的鎳含量很低，僅為6.5%。這種方式實(shí)現(xiàn)的雙相組織（奧氏體-鐵素體）使該鋼具有更好的力學(xué)性能和物理性能并易于制造。
　　頂級雙相不銹鋼如山特維克SAF 2707 HD被設(shè)計(jì)用于高腐蝕條件。其最初是作為一種替代超級雙相鋼的先進(jìn)鋼種而研發(fā)的，但山特維克頂級雙相鋼的性能甚至好于預(yù)期。試驗(yàn)清楚地表明，在腐蝕環(huán)境中，該材料作為一種高強(qiáng)度、耐腐蝕且成本有效的材料，可以用作鎳合金的替代材料。
　　提高的耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕性能是化學(xué)成分中鉻、氮和鉬三種元素結(jié)合的直接結(jié)果。雙相材料中，為了防止腐蝕侵蝕弱項(xiàng)，重要的事兩相有相似的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PRE）值。新鋼種給出的名義PRE值為48，該值大大高于普通使用的超級雙相不銹鋼。
3、耐腐蝕性
　　所有從現(xiàn)有鋼種中獲得的經(jīng)驗(yàn)都被用于優(yōu)化操作性能，特別是在含氯環(huán)境下。
　　如前所述，點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕比一般腐蝕更有害。這類腐蝕通常難以被發(fā)現(xiàn)，直至這類腐蝕引起嚴(yán)重破壞時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，從而導(dǎo)致熱交換器管子滲漏，引起系統(tǒng)失效。為此，在新鋼種研發(fā)階段需要進(jìn)行廣泛研究，以確定其耐腐蝕性和在所應(yīng)用領(lǐng)域的適用性。
　　根據(jù)ASTM G48，在6%的FeCl3中對不銹鋼進(jìn)行更苛刻的點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕試驗(yàn)。在試驗(yàn)的修改版本中，SAF 2707 HD暴露在溶液中，以2.5℃/24h的速度逐漸升溫，直至觀察到腐蝕。試驗(yàn)確認(rèn)，SAF 2707 HD的臨界電視溫度（CPT）約為97.5℃。而超級雙相不銹鋼SAF 2507（UNS S32750），相應(yīng)的臨界點(diǎn)蝕溫度約為80℃。
　　在裝有人工縫隙材料的試驗(yàn)樣品上進(jìn)行縫隙腐蝕試驗(yàn)。SAF 2707 HD的臨界縫隙腐蝕溫度也大大高于UNS S32750。
　　腐蝕的形成發(fā)生在金屬小裂紋上，并且在凹緣接頭、沉積物下面、表面或者焊縫都有不完全的滲透。
　　用恒電位試驗(yàn)測定了不同鋼種臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）。圖1給出了臨界點(diǎn)蝕溫度隨氯化鈉溶液濃度變化的情況。測量時(shí)施加的電位為600mV SCE，相當(dāng)于ASTM G48試驗(yàn)中所采用的氧化還原電位。含有氯化物的介質(zhì)中一般不會有如此高的電位。因此，煉油設(shè)備過程流中的含氯介質(zhì)或未經(jīng)氯化的海水，其可能的使用溫度通常會高于這些試驗(yàn)中測得的臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）。

圖1 氯化鈉溶液濃度在3%到25%范圍內(nèi)變化時(shí)的臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）
　　為了確定SAF 2707 HD鋼的耐腐蝕性，在較低pH的酸性溶液中，采用了一種稱為死神（Green death）的測試溶液，即1%FeCl3+1%CuCl2+11%H2SO4+1.2%HCl。SAF 2707 HD材料的臨界點(diǎn)蝕溫度比SAF 2507高25℃，比6Mo+N鋼高27.5℃。
　　一般腐蝕會限制任何不銹鋼的服役壽命。在有機(jī)酸（甲酸HCOOH和醋酸CH3COOH）中，頂級雙相鋼表現(xiàn)出較高的耐腐蝕性能。
　　該鋼種在替代高合金奧氏體不銹鋼和鎳基合金方面非常具有競爭性。標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼的腐蝕速率較高。

4、耐應(yīng)力腐蝕性
　　在工業(yè)應(yīng)用過程中，應(yīng)力腐蝕裂紋（SCC）是最嚴(yán)重的腐蝕形式之一，它能導(dǎo)致金屬快速失效。在那些氯化物含量相對較低的環(huán)境下，標(biāo)準(zhǔn)奧氏體鋼也會發(fā)生裂紋。圖2比較了不同鋼種耐腐蝕的能力。SAF 2707 HD表現(xiàn)出更優(yōu)異的奶氯化物腐蝕性，甚至在高溫的環(huán)境中亦是如此。

圖2 SAF 2507和SAF 2707 HD的耐蝕性比較
　　試樣進(jìn)行了為期六周的試驗(yàn)，試驗(yàn)槽內(nèi)泵入新鮮的NaCl溶液。試驗(yàn)證明，在高達(dá)10000ppmCl-/250℃的環(huán)境下試樣沒有任何應(yīng)力腐蝕裂紋（SCC）跡象。這表明，SAF 2707 HD能為過程工業(yè)使用的臨界熱交換器提供理想的耐氯化物SCC性能。

5、力學(xué)性能
　　SAF 2707 HD的雙相組織結(jié)構(gòu)賦予了該鋼較高的屈服強(qiáng)度，其屈服強(qiáng)度大約是有相應(yīng)耐點(diǎn)蝕性奧氏體不銹鋼的兩倍。由于該鋼有較高的強(qiáng)度，可以大量減少管材的壁厚，從而降低了設(shè)備的重量，減少了建筑成本。
熱交換器管道用退火態(tài)鋼的強(qiáng)度值如下：
　　屈服強(qiáng)度：Rp0.2最小為700MPa（最小101ksi）；
　　抗拉強(qiáng)度：Rm920-1100MPa（133-160ksi）；
　　延伸率：最小25%；
　　硬度：≤34HRC。

6、沖擊強(qiáng)度
　　山特維克SAF 2707 HD有較高的沖擊強(qiáng)度。與其他鐵素體基體的雙相不銹鋼一樣，SAF 2707 HD在較低溫度下也會變脆。較高溫度也同樣如此，這是由于較高溫度下475℃脆變的鐵素體相分解。該鋼的操作溫度范圍約為-50℃到300℃。

7、焊接性
　　該鋼種有較高的延展性，這意味著該鋼沒有特殊的加工要求。由于其較高的強(qiáng)度，彎曲力高于標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼。冷彎可采用常規(guī)彎曲方法，高的延展性意味著可以將其彎曲至非常接近彎曲半徑的程度，這使得該鋼成為熱交換器管道的理想用材?？刹捎妹浌苤凉馨宓某Ｒ?guī)方法，但在第一步的部分膨脹時(shí)需要較大的初始力。在高氯離子濃度環(huán)境下使用時(shí)，應(yīng)該焊接管與管板接頭，以減少縫隙腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。
　　應(yīng)用時(shí)，該鋼有較好的焊接性，在熱影響區(qū)重新形成的奧氏體對性能有利，焊接接頭有優(yōu)異的強(qiáng)度和耐腐蝕性。
　　推薦采用氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛的TIG焊接，使用匹配的填充金屬，以獲得最佳的耐腐蝕性和力學(xué)性能。

8 、操作實(shí)例
　　已進(jìn)行的相關(guān)設(shè)計(jì)和研發(fā)都是為了提高熱交換器在苛刻腐蝕環(huán)境的操作性能，并延長其服役壽命，已經(jīng)進(jìn)行操作的鋼種正在獲得更長的運(yùn)行時(shí)間。為了驗(yàn)證新鋼種并獲得工業(yè)參考信息，已經(jīng)在超時(shí)的多種煉油應(yīng)用中對SAF 2707 HD熱交換器管道進(jìn)行評估。
　　幾年前，美國一家煉油廠在常壓蒸餾裝置上采用SAF 2707 HD重新制備頂泵周圍熱交換器管束。
　　大量低質(zhì)量原油中的氯離子侵蝕和增加的腐蝕使得使用環(huán)境更加惡劣，用于這種環(huán)境的碳管壽命期望值為9個(gè)月。迄今為止，山特維克的鋼管運(yùn)行良好，沒有出現(xiàn)腐蝕問題。