摘要：介紹了2205雙相不銹鋼的特性，包括化學(xué)成分、熱處理特性、冷加工特性和腐蝕特性。 結(jié)合核電站用耐海水腐蝕核級雙相不銹鋼無縫鋼管的研制，對其生產(chǎn)工藝及重要工序進(jìn)行了研究。

1 簡介

目前，串聯(lián)核電機(jī)組暴露于海水的工藝管道（如CFI系統(tǒng)等）多采用核級不銹鋼或核級碳鋼內(nèi)壁襯膠管道。 此類材料耐海水腐蝕能力較弱，容易造成管道腐蝕和泄漏。 維護(hù)和更換工作也非常復(fù)雜。 解決這一問題的傳統(tǒng)方法是增加陰極保護(hù)或防腐涂層，但要么陰極保護(hù)系統(tǒng)過于復(fù)雜可靠性不高，要么存在涂層剝落問題。 雙相不銹鋼是迄今為止最有效的耐海水腐蝕材料。 如果應(yīng)用在上述系統(tǒng)中，可以避免上述問題，提高安全性，減少輔助保護(hù)系統(tǒng)和日常維護(hù)，相對降低成本。 為解決核電站與海水接觸的工藝管道腐蝕問題，佛山市新澤昌不銹鋼有限公司（以下簡稱：工程公司）與佛山市新澤昌不銹鋼有限公司合作研制的雙相不銹鋼牌號鋼無縫管”的開發(fā)。

2、雙相不銹鋼的材質(zhì)特性

雙相不銹鋼是常溫下具有奧氏體和鐵素體兩相的不銹鋼，它結(jié)合了奧氏體不銹鋼良好的韌性和可焊性以及鐵素體不銹鋼的耐氯離子腐蝕性能。

雙相不銹鋼自1930年代應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)至今已有80多年的歷史，先后發(fā)展了三代雙相不銹鋼。 第一代以Cr18%為代表，其鉻、鉬成分使其具有良好的耐點(diǎn)蝕性能，由于超低碳含量（C≤0.03%），其焊接性能有了很大提高； 第二代以22%Cr為代表，添加了鉻和氮，這種鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性能不銹鋼換熱管需酸洗鈍化嗎，廣泛應(yīng)用于海水、石油、化工等領(lǐng)域； 第三代以它為代表，因其低碳、高鉻、高鉬、高氮元素，具有優(yōu)良的抗點(diǎn)蝕性能（點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN>40）和抗應(yīng)力腐蝕及縫隙腐蝕能力，又稱超級雙相不銹鋼。

雙相不銹鋼的性能特點(diǎn)簡述如下：

1）含鉬雙相不銹鋼在低應(yīng)力下具有良好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕能力。 一般18-8型奧氏體不銹鋼在60℃以上的中性氯化物溶液中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，而雙相不銹鋼則具有良好的抵抗力。

2）含鉬和氮的雙相不銹鋼具有良好的抗點(diǎn)蝕性能。 抗點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN（PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%）是用來表征材料抗點(diǎn)蝕能力的數(shù)值。 由于鉻、鉬和氮含量高，2205比316L具有更好的耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕能力。

3）具有較高的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度是18-8不銹鋼的2倍。

4）具有良好的耐腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能。

5）雙相不銹鋼焊接性能好，熱裂傾向小，可與普通18-8奧氏體不銹鋼或碳鋼焊接。

6）有析出各種脆性相的傾向，如475℃相和σ-等脆性相，故不宜在高于300℃的溫度下使用。

2.1

化學(xué)成分

2205材料自1970年代開始投入商業(yè)應(yīng)用。 經(jīng)過40多年的應(yīng)用和改進(jìn)，特別是AOD和VOD等爐外精煉技術(shù)的成熟應(yīng)用，以及連鑄技術(shù)的發(fā)展，提高了質(zhì)量穩(wěn)定性，并被ASTM收錄標(biāo)準(zhǔn)。 ，無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)ASTM A789和ASTM A790，對應(yīng)我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21833中的牌號，具體標(biāo)準(zhǔn)成分要求見表1。

由于2205雙相鋼無縫鋼管主要用于點(diǎn)腐蝕環(huán)境、應(yīng)力腐蝕環(huán)境和惡劣的均勻腐蝕條件，特別是耐海水腐蝕的工作環(huán)境，必須考慮材料的抗點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN。 為保證材料在點(diǎn)蝕環(huán)境下具有良好的耐點(diǎn)蝕性能，計(jì)算公式為PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N。 N可以提高奧氏體相的耐點(diǎn)蝕能力，與富含C??r、Mo的鐵素體相達(dá)到腐蝕平衡，提高材料的整體耐點(diǎn)蝕能力，減少選擇性腐蝕。

同時(shí)考慮焊接接頭熱影響區(qū)兩相比的平衡，避免因焊接熱影響區(qū)溫度過高導(dǎo)致鐵素體相比增加。 在該區(qū)，高溫鐵素體反轉(zhuǎn)為充分的二次奧氏體相，提高了焊接接頭的耐蝕性。

2205材質(zhì)的冶煉工藝控制采用電爐冶煉，AOD或VOD精煉，保證鋼水潔凈度。 鋼水在冷卻凝固過程中，會析出CrC、CrN、χ相、MC6、σ等金屬間化合物和有害相。 ，加快冷卻速度有利于減少析出，所以連鑄工藝優(yōu)于壓鑄工藝。

為了保證2205無縫鋼管在嚴(yán)酷的腐蝕條件下具有良好的耐蝕性，對管坯中的夾雜物進(jìn)行了控制。 根據(jù)ASTM JK等級表，A、B、C、D四種夾雜物不得大于1.5。 不得出現(xiàn)等于σ的有害相。

2.2

物性

表2列出了2205無縫鋼管的常溫密度，20℃～100℃、200℃、300℃的比熱參考值，線膨脹系數(shù)和彈性的參考值模量，并實(shí)測線膨脹系數(shù)和彈性模量。 表3列出了2205無縫鋼管的室溫和高溫力學(xué)性能。

在設(shè)備和換熱器的設(shè)計(jì)中，要注意材料的線膨脹系數(shù)。 2205雙相不銹鋼的線膨脹系數(shù)低于一般奧氏體不銹鋼，可減少設(shè)備和換熱器在升溫/降溫過程中因熱脹冷縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。 有利于提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 同時(shí)，在具有腐蝕性和一般介質(zhì)殼程的管道和換熱管設(shè)計(jì)中，采用雙相鋼無縫鋼管，可采用碳鋼或合金鋼殼體或管板，降低設(shè)備制造成本，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，無需考慮使用奧氏體不銹鋼管時(shí)所需的膨脹波管。 高于奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，可提高換熱器的熱耗率。

2.3

熱處理性能

2205材料的熱處理，應(yīng)考慮鐵素體相和奧氏體相的比例。 一般來說，當(dāng)奧氏體相和鐵素體相兩相各占50%時(shí)，2205材料的加工性能、塑性和耐蝕性最好。 根據(jù)材料的實(shí)際化學(xué)成分，在1020~1100℃范圍內(nèi)，選擇合適的熱處理制度。 急冷后，可得到約50%的鐵素體相。 2205 管在 1050°C 時(shí)凝固。 固溶處理后的金相照片如圖1所示，隨著溫度升高，鐵素體含量會逐漸增加。 因此，熱處理爐溫度的均勻性和穩(wěn)定性對于控制兩相比的穩(wěn)定性非常重要。 當(dāng)熱處理爐溫度不均或溫度波動(dòng)較大時(shí)，可能導(dǎo)致同一工件不同部位兩相比不均，不同批次材料兩相比波動(dòng)較大，可能導(dǎo)致服務(wù)期間材料的選擇性腐蝕。

2205材料的化學(xué)成分為21%~23%Cr、2.5%~3.5%Mo和0.14%~0.20%N。 圖2為2205的TTC（溫度-時(shí)間-沉淀）曲線，從圖中可以看出，由于Mo、Cr元素含量較高，以及C、N等元素的作用，在850范圍內(nèi)-950℃，2205有產(chǎn)生金屬間化合物和復(fù)雜析出物的問題，如Cr2N、χ相、M23C6、σ相等。

σ相是雙相不銹鋼中危害最大的析出相。 它硬而脆，會顯著降低鋼的塑性和韌性，并且由于富含鉻，周圍會出現(xiàn)貧鉻區(qū)，導(dǎo)致耐蝕性下降。 SEM下σ相的形貌和組成如圖3所示。

金屬間化合物的生成和析出相的析出會降低材料的耐蝕性和韌性，在350℃～525℃范圍內(nèi)發(fā)生“475℃脆性”轉(zhuǎn)變。 因此，對2205進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)采用快速冷卻，避免在850~950℃和350~525℃范圍內(nèi)長期停留。

采用局部熱處理時(shí)，除需要熱處理的部分達(dá)到熱處理規(guī)定溫度外，不需要熱處理部分的過渡區(qū)可能已經(jīng)處于σ相析出敏感區(qū)，“脆性” " 475 °C 的過渡區(qū)。 如果時(shí)間過長，可能會出現(xiàn)σ相和其他金屬間化合物，導(dǎo)致材料的耐腐蝕性能下降，并在使用過程中產(chǎn)生選擇性腐蝕。 如果在“475℃脆性”過渡區(qū)停留時(shí)間過長，可能會導(dǎo)致材料開裂。 局部熱處理應(yīng)采用快速升溫、保溫、快速冷卻等方法進(jìn)行。

對于局部熱處理或整體設(shè)備熱處理，應(yīng)進(jìn)行熱處理工藝評價(jià)，必須評價(jià)力學(xué)性能、析出物、相比、腐蝕性能等。

3、工藝流程

根據(jù)研發(fā)計(jì)劃，擬開發(fā)3個(gè)規(guī)格的2205雙相鋼無縫管。

注：*中間冷拔工序多次循環(huán)，即冷擴(kuò)-脫脂-熱處理-矯直-酸洗。

4、主要生產(chǎn)工藝研究

4.1

熱穿孔

4.1.1 雙相鋼的熱加工性

雙相不銹鋼由于其獨(dú)特的兩相結(jié)構(gòu)，高溫塑性低于單相奧氏體不銹鋼，熱加工（特別是熱穿孔）時(shí)易形成裂紋。 此外，由于雙相不銹鋼合金含量高，容易形成各種析出物，如σ相、χ相、Cr2N等析出物。 這些析出物硬而脆，會降低鋼的塑韌性。

宋紅梅等。 研究雙相不銹鋼2205的熱加工性能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雙相鋼在高溫下進(jìn)行熱加工時(shí)，雙相鋼中的鐵素體相動(dòng)態(tài)恢復(fù)形成具有直晶界的亞晶粒，而奧氏體體相則發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)大變形后再結(jié)晶，兩相以各自的方式軟化恢復(fù)，使兩相間的相界變圓鈍化，減少變形引起的應(yīng)力集中。 當(dāng)材料在低溫變形或應(yīng)變速率增大時(shí)，鐵素體和奧氏體兩相的變形難以協(xié)調(diào)，在相界處出現(xiàn)尖銳區(qū)域，使變形產(chǎn)生的應(yīng)力集中不能被軟化，從而成為裂紋萌生的源頭。 因此，變形溫度和應(yīng)變速率是影響雙相鋼熱加工的主要因素。

舒津津等對雙相鋼2205進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。在1100℃以上溫度變形時(shí)，峰值應(yīng)力后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的平臺，即應(yīng)力保持不變，而應(yīng)變增加，試樣產(chǎn)生穩(wěn)定的塑性變形，這表明材料在熱變形過程中的軟化率和硬化率達(dá)到平衡狀態(tài)。 穩(wěn)態(tài)區(qū)越長，材料的熱塑性越好，因此2205雙相不銹鋼在1100℃以上的熱塑性較好。

4.1.2 雙相鋼熱穿孔工藝試驗(yàn)

2205雙相鋼無縫管的熱穿孔性能由管坯溫度和熱穿孔變形率決定。 管坯溫度由斜軋穿孔斜底加熱爐的出鋼溫度控制。

本次測試的第一步，設(shè)定了四種不同的出鋼溫度：1120℃、1150℃、1170℃、1200℃，其他穿孔條件是固定的。 Φ63mm，穿孔毛坯管尺寸為68×6mm，送料角度設(shè)置為10°，輥距56-57mm，導(dǎo)板間距62-63mm，塞子加長量為45-55mm，和輥的速度。 使用一組3個(gè)管坯來控制出鋼溫度。 結(jié)果見表4。當(dāng)出鋼溫度為1170℃時(shí)，管坯內(nèi)外表面質(zhì)量良好。

第二步，為了測試穿孔變形率的影響，在第一步得到的出鋼溫度（1170℃）的基礎(chǔ)上，通過改變軋輥的軋制速度來改變穿孔變形率。 本次試驗(yàn)設(shè)定為190、200、三種軋制速度，每組速度采用5根管坯進(jìn)行試驗(yàn)，其他條件同第一步，結(jié)果見表5，表面相對低速190而毛坯管較好，一般來說，軋制速度為190~，同等條件下，廢管表面質(zhì)量基本差不多。

經(jīng)批量檢測，出鋼溫度控制在1170℃，軋制速度設(shè)定在一定工序，2205雙相鋼管坯表面質(zhì)量較好，檢驗(yàn)合格率達(dá)95%。

4.2

熱處理

抗點(diǎn)蝕性、鐵素體比和力學(xué)性能是2205雙相鋼的三個(gè)重要特性。 這三個(gè)特性在很大程度上受熱處理的影響。 因此，熱處理研究是雙相鋼生產(chǎn)中的一個(gè)重要項(xiàng)目。

吳久等人對雙相鋼的研究指出，2205雙相鋼適宜的熱處理溫度為1020～1100℃。 核電用雙相鋼技術(shù)條件也對2205提出了1020～1100℃熱處理淬火的要求。 在此范圍的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目對2205雙相鋼進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗(yàn)。 取經(jīng)冷加工、除油、清洗后的2205樣品，在實(shí)驗(yàn)室電阻爐中進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)。 設(shè)置1020℃、1040℃、1060℃、1080℃、1100℃，保溫15分鐘，確保樣品充分受熱，出爐后快速水冷。 對實(shí)驗(yàn)后的樣品進(jìn)行點(diǎn)腐蝕、鐵素體比和力學(xué)性能測試。 結(jié)果如下：

4.2.1 點(diǎn)蝕檢驗(yàn)

樣品按照ASTM A923C進(jìn)行點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25±1℃，在6%的氯化鐵溶液中腐蝕24小時(shí)后檢測腐蝕速率。 固溶熱處理的點(diǎn)蝕速率不高，在1mdd以下水平，特別是在1040~1060℃時(shí)，點(diǎn)蝕速率更低。

4.2.2 鐵素體比

試樣熱處理實(shí)驗(yàn)后，對其側(cè)面進(jìn)行拋光和10%NaOH溶液電解腐蝕，用光學(xué)顯微鏡觀察其金相組織，如圖6所示。利用圖像分析軟件計(jì)算鐵素體比，結(jié)果如圖7所示。熱處理溫度對鐵素體比例有線性影響，溫度越高，鐵素體比例越高。 在測試的溫度范圍內(nèi)，2205的鐵素體比例在48%~53%之間。

4.2.3 機(jī)械性能

試樣經(jīng)過熱處理實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和室溫硬度試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，2205雙相鋼的強(qiáng)度和硬度隨著熱處理溫度的升高而降低，而延伸率隨著溫度的升高而升高，在1080℃時(shí)達(dá)到最高值，隨后降低。 因此，對于需要進(jìn)行冷加工的2205雙相鋼中間產(chǎn)品來說，無疑需要更低的強(qiáng)度、硬度和更高的塑性。 中間產(chǎn)品的熱處理溫度可設(shè)定為1080℃。

綜上所述，2205雙相鋼成品熱處理溫度為1050℃，可以獲得最佳的耐點(diǎn)蝕性能，鐵素體比例接近50%，力學(xué)性能良好。 中間制品較高的熱處理溫度1080℃可以獲得較低的硬度和較好的塑性，更有利于后續(xù)的冷加工。

4.3

冷加工

公司對2205雙相鋼的冷加工特性進(jìn)行了研究，如圖9所示，他們認(rèn)為2205具有良好的冷加工性能，可以采用與普通不銹鋼相同的冷加工變形方法，如冷軋、冷拔、冷擴(kuò)。 但其初始強(qiáng)度和硬度高于普通奧氏體不銹鋼，要求冷加工設(shè)備和模具具有更高的強(qiáng)度。 通常，冷加工變形超過10%后，必須進(jìn)行固溶熱處理以恢復(fù)塑性。

下面介紹2205雙相鋼管的幾種冷加工方法和注意事項(xiàng)。

4.3.1 冷拔

由于2205的強(qiáng)度和硬度都很高，因此需要更加注意冷拔模具的質(zhì)量。 在冷拔過程中，必須逐一檢查內(nèi)外表面的質(zhì)量。 如果有任何粗糙，必須檢查模具并拋光。

對于2205，應(yīng)嚴(yán)格控制冷拉變形。 蘇式冷拔變形量不超過15%，擴(kuò)徑冷拔變形量不超過10%，中國式冷拔變形量不超過20%，否則會出現(xiàn)拉毛問題。

4.3.2 冷軋

由于2205的強(qiáng)度和硬度高，塑性差，冷軋的壓應(yīng)力條件更有利于冷變形。 因此，在條件允許的情況下，2205雙相鋼最好采用冷軋變形。

冷軋過程中車速和進(jìn)給量必須控制較小，冷軋變形量不得大于70%。 否則會出現(xiàn)開裂。

5、檢驗(yàn)試驗(yàn)

5.1 機(jī)械性能

成品鋼管按NB/進(jìn)行常溫拉伸性能測試，結(jié)果見表6，滿足客戶標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 硬度

成品管硬度試驗(yàn)按GB/T 230.1或GB/T 231.1進(jìn)行，產(chǎn)品硬度結(jié)果見表7。符合客戶標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 壓扁和擴(kuò)口試驗(yàn)

壓扁試驗(yàn)應(yīng)按試驗(yàn)要求對成品鋼管進(jìn)行。 樣品壓扁后未發(fā)現(xiàn)裂紋和裂縫，測試結(jié)果滿足客戶要求。 對19.05×1.65mm的2205鋼管進(jìn)行擴(kuò)口試驗(yàn)。 試驗(yàn)頂部中心錐度為60°，擴(kuò)口后試樣外徑最小擴(kuò)徑率為10%，擴(kuò)口后試樣未發(fā)現(xiàn)裂紋和裂紋，試驗(yàn)結(jié)果滿足客戶要求。 測試結(jié)果如表8、圖10、圖11所示，表明該材料具有良好的工藝性能。

5.4 金相檢驗(yàn)

熱處理狀態(tài)成品鋼管的金相組織為奧氏體和鐵素體的雙相組織，鐵素體含量為40%~60%。 金相檢驗(yàn)結(jié)果見表9和圖12。

5.5 晶間腐蝕試驗(yàn)

成品鋼管按NB/T 20004進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，試樣按方法B進(jìn)行“敏化”處理，敏化溫度725℃，保溫30分鐘，浸泡在將硫酸銅溶液與銅屑一起煮沸 24 小時(shí)。 彎曲90°后樣品未發(fā)現(xiàn)裂紋或裂縫，如圖13所示。

5.6 點(diǎn)蝕試驗(yàn)

成品鋼管按ASTM A923C方法進(jìn)行點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)，腐蝕速率不應(yīng)大于8mdd。 點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果見表10，滿足客戶標(biāo)準(zhǔn)要求。

六，結(jié)論

常熟華新自2002年開始研發(fā)2205、2507雙相鋼無縫管制造工藝，累計(jì)生產(chǎn)規(guī)格（外徑9.53 ~219.1-355.6mm，壁厚0.60~28.00mm），產(chǎn)品主要用于石油化工領(lǐng)域不銹鋼換熱管需酸洗鈍化嗎，2005年“全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會”研制的2205產(chǎn)品，經(jīng)專家評審，超級雙相2507鋼2014年通過“全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會”專家評審。 常熟華新在此基礎(chǔ)上開發(fā)的核級雙相不銹鋼2205，有效解決了CFI等海水系統(tǒng)管道腐蝕問題，提高了安全性，相對降低了建設(shè)和維護(hù)成本。 該工作在當(dāng)前、華龍一號乃至未來的工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。 目前試生產(chǎn)的三個(gè)規(guī)格產(chǎn)品經(jīng)質(zhì)量檢驗(yàn)，均符合技術(shù)規(guī)范要求。

常熟華新將嚴(yán)格按照核安全等核安全標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，保持產(chǎn)品性能穩(wěn)定，確保產(chǎn)品性能符合核電法規(guī)要求，為安全有效提供服務(wù)和保障經(jīng)營核電站，服務(wù)國家核電事業(yè)。 為事業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)！