編者按：中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)1月16日公布：2021年，造船業(yè)三大指標(biāo)我國(guó)繼續(xù)保持全球第一，實(shí)現(xiàn)了“十四五”的開(kāi)門(mén)紅。此外，據(jù)中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，2022年我國(guó)造船完工量將超過(guò)4000萬(wàn)載重噸。

在這份新出爐的成績(jī)單上，造船完工量、新接訂單量、手持訂單量中國(guó)船舶企業(yè)分別占世界總量的50%左右，繼續(xù)保持全球第一。其中，我國(guó)最大的船舶企業(yè)中國(guó)船舶集團(tuán)，2021年三大造船指標(biāo)首次全面超越韓國(guó)現(xiàn)代重工，成為全球最大的造船集團(tuán)，實(shí)現(xiàn)完工交付船舶206艘，占到全球市場(chǎng)份額的20.2%，實(shí)現(xiàn)新接訂單合同金額1301.5億元，創(chuàng)下自2008年以來(lái)的最新紀(jì)錄。

2021年，我國(guó)船企承接了全球72.7%的化學(xué)品船訂單，而這一訂單的大幅增加直接帶動(dòng)了對(duì)雙相不銹鋼的需求。今天我們來(lái)普及一下雙相不銹鋼的相關(guān)知識(shí)。

何為雙相不銹鋼

所謂雙相不銹鋼是在其固溶組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半，一般量少相的含量也需要達(dá)到30%。在含C較低的情況下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Nb、Ti，N等合金元素。該類(lèi)鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無(wú)室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時(shí)還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導(dǎo)熱系數(shù)高，具有超塑性等特點(diǎn)。與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高。

產(chǎn)品特性：

強(qiáng)度高，屈服強(qiáng)度為18-8型不銹鋼的兩倍；

良好的耐孔蝕性能及耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能；

焊接熱裂紋傾向?。?/span>

導(dǎo)熱系數(shù)大，線膨脹系數(shù)小，適合制造設(shè)備的襯里、熱交換器的管芯和生產(chǎn)復(fù)合板；

加工硬化率高；

高能量吸收，抗沖擊性好。

雙相不銹鋼具有良好的焊接性能，與鐵素體不銹鋼及奧氏體不銹鋼相比，它既不像鐵素體不銹鋼的焊接熱影響區(qū)，由于晶粒嚴(yán)重粗化而使塑韌性大幅降低，也不像奧氏體不銹鋼那樣，對(duì)焊接熱裂紋比較敏感。

雙相不銹鋼由于其特殊的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工設(shè)備、海水與廢水處理設(shè)備、輸油輸氣管線、造紙機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域，近些年來(lái)也被研究用于橋梁承重結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具有很好的發(fā)展前景。

雙相不銹鋼的發(fā)展歷史

上世紀(jì)30年代就已在瑞典的試驗(yàn)室中研制出雙相不銹鋼（3RE60、Uranus50等），但是雙相不銹鋼真正產(chǎn)業(yè)化還是在上世紀(jì)60年代以后，其發(fā)展經(jīng)歷了3代歷程。20世紀(jì)70年代以來(lái)雙相不銹鋼作為耐局部腐蝕的結(jié)構(gòu)材料，其應(yīng)用和開(kāi)發(fā)極其迅速，不論作為耐中性氯離子的應(yīng)力腐蝕材料、耐氯化物的孔蝕與縫隙腐蝕材料等的腐蝕疲勞材料，還是在其他別的方面，雙相不銹鋼憑借其組織結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，已取代了304L、316L，甚至904L等奧氏體不銹鋼。

太鋼是從上世紀(jì)80年代開(kāi)始雙相不銹鋼的工藝研究及品種開(kāi)發(fā)。當(dāng)時(shí)主要的雙相不銹鋼品種有兩種：蘇聯(lián)的牌號(hào)1Cr21Ni5Ti，主要用于制作火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的尾噴管；瑞典的3Re60鍛件及中板，主要用于化肥行業(yè)（如甲胺泵泵體、制鹽復(fù)合板等）。隨著國(guó)家重點(diǎn)工程的建設(shè)，特別是長(zhǎng)江三峽水利工程不銹鋼復(fù)合板的設(shè)計(jì)需求，太鋼開(kāi)始了2205雙相不銹鋼的研制，此后陸續(xù)開(kāi)發(fā)成功2101、2304、2507、S32760、S32906等系列雙相不銹鋼，在國(guó)內(nèi)多領(lǐng)域及涉外工程中得到批量應(yīng)用（表1）。

表1  太鋼雙相不銹鋼主要的品種及典型成分/%

太鋼成功研發(fā)的雙相不銹鋼填補(bǔ)行業(yè)空白

2021年3月，國(guó)內(nèi)某鋼管公司咨詢(xún)太鋼營(yíng)銷(xiāo)中心，提出φ570mm超大直徑雙相不銹鋼管坯采購(gòu)需求。雙相不銹鋼制造技術(shù)難度大，應(yīng)用領(lǐng)域廣，在太鋼一直被定為公司戰(zhàn)略產(chǎn)品重點(diǎn)發(fā)展。對(duì)于此次海洋平臺(tái)工程需要的厚壁管，以往均采用厚鋼板焊接而成，而無(wú)縫鋼管相對(duì)于焊接鋼管，在安全性方面大幅提升，但所使用的超大直徑雙相不銹鋼管坯，因受設(shè)備能力、工藝條件的制約，此前屬行業(yè)空白。

接到用戶(hù)需求信息，太鋼技術(shù)中心牽頭，聯(lián)合營(yíng)銷(xiāo)中心、制造部、生產(chǎn)廠成立攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，快速與用戶(hù)對(duì)接，詳細(xì)了解產(chǎn)品最終用途和使用要求，并根據(jù)鋼種特性、成品要求、技術(shù)難點(diǎn)，在高潔凈度冶煉、關(guān)鍵元素的精確控制、大鋼錠組合鍛造、大直徑管坯熱處理組織調(diào)控等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，全過(guò)程跟蹤，歷時(shí)3個(gè)月，成功開(kāi)發(fā)了600噸包括最大直徑為φ570mm在內(nèi)的雙相不銹鋼系列管坯，并取得了DNV船級(jí)社和Nosork-M650等具有國(guó)際影響力的第三方認(rèn)證，填補(bǔ)了行業(yè)空白，為最終生產(chǎn)出滿(mǎn)足海洋工程用雙相不銹鋼無(wú)縫管奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在2021年10月20日蘇州舉行的易派客工業(yè)品展、石油石化工業(yè)展覽會(huì)上，使用了太鋼φ570mm超大直徑雙相不銹鋼管坯生產(chǎn)的厚壁80mm無(wú)縫鋼管，吸引了眾多國(guó)內(nèi)外石油石化業(yè)界人士駐足咨詢(xún)。

雙相不銹鋼的加工性能

應(yīng)用較多的加工方法有冶煉、鑄造、熱變形加工、冷變形加工、機(jī)加工、熱處理、焊接等。

1）冶煉。雙相不銹鋼的冶煉比奧氏體或鐵素體鋼的難度大，控制要求高。目前，雙相不銹鋼最低要求應(yīng)采用或進(jìn)行精煉的。

2）鑄造?；谂c冶煉同樣的道理，鑄造難度也大于一般奧氏體和鐵素體鋼材，而且難度比冶煉更大。除此之外，由于兩相組織的原因，在澆鑄時(shí)還要采取有效的措施，以避免比奧氏體鋼更容易出現(xiàn)的鑄造裂紋兩相凝固差別的原因、氣孔加氮的原因等問(wèn)題。

3）熱變形加工。雙相不銹鋼具有的兩相組織使其熱變形加工的難度要遠(yuǎn)大于奧氏體不銹鋼。冷變形加工。雙相不銹鋼的冷變形加工的難度要遠(yuǎn)大于奧氏體不銹鋼。

4）熱處理。就常用的工程材料而言，都不存在較大的加工難度，雙相不銹鋼也不例外。熱處理對(duì)雙相不銹鋼性能還有一些特殊影響。①不同的熱處理參數(shù)，可得到不同的相比例，直接影響鋼材性能。②通過(guò)熱處理，可以改變加工過(guò)程中的元素分配比例，改善甚至消除加工過(guò)程中次生相帶來(lái)的不利影響，從而影響到鋼材的最終機(jī)械性能和耐腐蝕性能等。③熱處理過(guò)程也會(huì)使鋼材產(chǎn)生新的次生相，也會(huì)導(dǎo)致元素在各相中的重新分配。因此，不恰當(dāng)?shù)臒崽幚頃?huì)使鋼材的性能惡化。

最早限制雙相不銹鋼應(yīng)用的主要原因就是焊接問(wèn)題，而工程上又往往不可避免焊接過(guò)程。

雙相不銹鋼焊接的難點(diǎn)就在于其焊接接頭是否仍能獲得與母材相同或相近的兩相組織,，這也是保證焊接接頭是否具有與母材同樣性能（包括力學(xué)性能和耐腐蝕性能）等的關(guān)鍵所在。這里所說(shuō)的焊接接頭包括焊縫熔合區(qū)、高溫?zé)嵊绊憛^(qū)（HTHAZ）和低溫?zé)嵊绊憛^(qū)（LTHAZ）。

1）焊縫熔合區(qū)。該區(qū)域的兩相組織相對(duì)容易控制，即通過(guò)選擇合適的焊接材料就能做到。

2）高溫?zé)嵊绊憛^(qū)。它是指具有約1250℃熔點(diǎn)這一溫度特征的區(qū)域。這一區(qū)域很窄，卻是其相組織最難控制的一個(gè)區(qū)域。因?yàn)槟覆牡某煞植荒芤蚱涠羞^(guò)多的奧氏體形成元素，而該區(qū)域的溫度特征又使其高溫鐵素體在冷卻過(guò)程中部分得不到向奧氏體轉(zhuǎn)化。應(yīng)采用較大的焊接線量，使焊縫冷卻速度降低，使高溫鐵素體有一定的時(shí)間向奧氏體轉(zhuǎn)化，從而使相組織均衡。

3）低溫?zé)嵊绊憛^(qū)。由于該區(qū)域的溫度較低，不足以引起基本相的變化，但可能會(huì)發(fā)生二次相的產(chǎn)生。因此，采用合適的焊接線量并控制層間溫度是防止低溫?zé)嵊绊憛^(qū)性能變壞的主要手段。

2205雙相不銹鋼的焊接工藝

為了取得良好的焊接質(zhì)量，焊接人員應(yīng)掌握雙相不銹鋼的焊接特點(diǎn)和注意事項(xiàng)，另外從腐蝕的角度來(lái)看，焊接接頭總是不銹鋼結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)際上管道最終的耐蝕水平是由焊工決定的，為了盡可能的取得良好的結(jié)果，焊接操作過(guò)程應(yīng)當(dāng)遵守一些基本規(guī)則。總結(jié)出的SAF2205 DSS一些關(guān)鍵技術(shù)如下。

1）焊前準(zhǔn)備  采用機(jī)加工制備試板坡口，用不銹鋼專(zhuān)用砂輪片打磨坡口及坡口兩側(cè)各30mm圍，并用丙酮清洗，以除去氧化膜、油污。

2）焊接方法  一般的焊接方法，如焊條電弧焊、鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊埋弧焊等，都可用于雙相不銹鋼的焊接。焊條電弧焊時(shí)最常用的焊接工藝方法，其特點(diǎn)靈活方便，并可實(shí)現(xiàn)全位置焊接，因此焊條電弧焊是焊接修復(fù)的常用工藝方法。鎢極氬弧焊的特點(diǎn)是焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良，自動(dòng)化的焊接效率也較高，因此廣泛用于管道的封底焊縫及薄壁管道的焊接。鎢極氬弧焊的保護(hù)氣體通常采用純Ar，當(dāng)進(jìn)行管道封底焊時(shí)，應(yīng)采用Ar+2%N2 或Ar+5%N2保護(hù)氣體，同時(shí)還應(yīng)采用純Ar或高純N進(jìn)行焊縫背面保護(hù)，以防止根部焊道的鐵素體化。熔化極氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)是較高的熔敷效率，即可采用較靈活的半自動(dòng)焊，也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊。

3）焊材的選擇  對(duì)于焊條電弧焊，根據(jù)耐腐蝕性，接頭韌性的要求即焊接位置，可選用酸性或堿性焊條。采用酸性焊條時(shí)，脫渣優(yōu)良，焊縫光滑，接頭成形美觀，但是焊縫金屬的沖擊韌性較低，于此同時(shí)，為了防止焊接氣孔及焊接氫致裂紋需嚴(yán)格控制焊條中的含氫量。當(dāng)要求焊縫金屬具有較高的沖擊韌度，并需進(jìn)行全位置焊接時(shí)，應(yīng)采用堿性焊條。另外，在根部封底焊時(shí)，通常采用堿性焊條，當(dāng)對(duì)焊縫金屬的耐腐蝕性能有特殊要求時(shí)，還應(yīng)采用超級(jí)雙相不銹鋼成分的堿性焊條。對(duì)于實(shí)芯氣體保護(hù)焊焊絲，在保證焊接金屬具有良好的耐腐蝕性與力學(xué)性能的同時(shí)，還應(yīng)注意其焊接工藝性能。對(duì)于藥芯焊絲，當(dāng)要求焊縫光滑，接頭成形美觀時(shí)，可采用金紅石型或鈦-鈣型藥芯焊絲。當(dāng)要求較高的沖擊韌度或在較大的拘束條件下焊接時(shí)，宜采用堿度較高的藥芯焊絲。對(duì)于埋弧焊焊絲，宜采用直徑較小的焊絲，實(shí)現(xiàn)中小焊接規(guī)下的多層多道焊，以防止焊接熱影響區(qū)的脆化，與此同時(shí)，應(yīng)采用配套的堿性焊劑，以防止焊接氫致裂紋。焊接材料要選用比母材含鎳量高的雙相不銹鋼焊材，確保焊縫中奧氏體相占優(yōu)勢(shì)，焊縫鐵素體含量控制在30%～45%為宜。

4）焊接工藝參數(shù)的選擇  焊接線能量太大或太小都不好，一般控制在0.5～2.5 kJ/cm圍，其具體大小要根據(jù)焊件厚度選擇。一般焊接時(shí)不需要預(yù)熱，但焊件壁厚過(guò)大或環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，為防止冷速過(guò)快造成焊縫和熱影響區(qū)鐵素體含量過(guò)高，必要時(shí)要采取預(yù)熱措施。為避免冷卻速度過(guò)低而引起析出相的產(chǎn)生，多層/多道焊的層間溫度要控制。

5）焊接熔池及背面的保護(hù)  氣體保護(hù)焊時(shí)保護(hù)氣體中加氮可以提高焊縫的耐蝕性。有效的背面氣體保護(hù)是保證焊接質(zhì)量的前提，保護(hù)氣體的純度應(yīng)滿(mǎn)足工藝要求，應(yīng)采取有效的背面保護(hù)工裝，開(kāi)始焊接時(shí)要對(duì)焊縫背面的氧含量進(jìn)行檢測(cè)，滿(mǎn)足工藝要求后才能開(kāi)始焊接。

6）定位焊縫  定位焊縫焊接時(shí)，如果長(zhǎng)度過(guò)短，焊接未建立起平衡過(guò)程即結(jié)束，焊縫冷卻會(huì)很快，可能導(dǎo)致鐵素體含量過(guò)高、低韌性并因氮化物析出而降低耐腐蝕性能。因此，如采用定位焊，對(duì)定位焊縫的最短長(zhǎng)度應(yīng)進(jìn)行規(guī)定，且應(yīng)采用較大熱輸入?yún)?shù)。

7）焊接過(guò)程材料的保護(hù)  材料表面的弧擊和起弧，是一個(gè)瞬間的高溫過(guò)程，冷卻速度很快，表面顯微組織中鐵素體含量很高，這種組織對(duì)裂紋和腐蝕很敏感， 應(yīng)盡力避免，如果產(chǎn)生必須用細(xì)砂輪打磨去除?，F(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中材料的保護(hù)非常重要，應(yīng)避免碳鋼、銅、低熔點(diǎn)金屬或其他雜質(zhì)對(duì)不銹鋼的污染，可能情況下，不銹鋼和碳鋼管應(yīng)分開(kāi)存放和焊接。焊接和切割過(guò)程中應(yīng)采取措施防止飛濺、弧擊、滲碳、局部過(guò)熱等。