双相不锈钢的应力腐蚀

双相不锈钢是中等合金化的不锈钢，其固淬组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，其具有奥氏体不锈钢的优点，对脆性也不敏感。2205型双相不锈钢导热系数比S31603导热系数高约30%，屈服强度高1倍以上。

双相不锈钢中加入适量的氮不仅改善了钢的耐点蚀和耐SCC性能，而且不会由于焊接热影响区晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低，对焊接热裂纹也不敏感，因而焊接热影响区的耐蚀和力学性能有所提高，在许多介质中的耐SCC、耐磨损腐蚀和腐蚀疲劳性能都优于奥氏体不锈钢[1-5]，特别是在含Cl-的环境中抗SCC的性能尤为优异[6]，在抗H2S SCC性能优于S30403和S31603[5]。

20世纪80年代后，双相不锈钢被广泛用于制造腐蚀环境中的换热器、洗涤器、干燥器、分离器、搅拌器、离心机、泵、阀及紧固件等。2205型双相不锈钢波纹板片换热器已工业化生产和应用，在常减压装置已有大量的2205型双相不锈钢板式空冷器产品代替原来的奥氏体不锈钢板式换热器或2205型双相不锈钢管式换热器[5];塔里木油田使用了大量2205型双相不锈用于分离器、集输管线衬里来抗CO2腐蚀，设备已安全运行10a以上。双相不锈钢一般可分为4类:

低合金型-代表牌号UNS S32304(23Cr-4Ni-0.1N)，PREN(16N)值24～25;

中合金型-代表牌号UNS S31803(22Cr-5Ni-3Mo-0.15N)，PREN(16N)值32～ 33;

高合金型-代表牌号UNS S32550(25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N)，PREN(16N)值38～39;

超级双相不锈钢-代表牌号UNS S32750(25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N)，PREN(16N)值>40。

超级双相不锈钢型，含高Mo和N，有的含Cu和W，可用于苛刻的介质条件，有良好的耐腐蚀和力学性能，可与超级奥氏体不锈钢相比美。低合金型UNS S32304不含钼，在耐SCC方面可代替S30408或S31608使用;中合金型UNS S31803的耐蚀性能介于S31603和6%(mass)Mo+N奥氏体不锈钢之间;高合金型一般含Cr25%(mass)，还含有Mo和N，有的还含有Cu和W，这类钢的耐蚀性能高于22%(mass)Cr的双相不锈钢。

表4-50为几种代表牌号的双相不锈钢主要合金化学成分。从表中可以看出S32205是由S31803派生出的钢种，1999年 ASTM A 240/240M[7]纳入我国对应的牌号为GB/T 20878[8]中的022Cr22Ni5Mo3N，并且其板材已纳入GB/T 4237[6]和GB/T 3280[9]，管材已纳入GB/T 21833.2[10]和GB/T 21832.2[11]。它的Cr、Mo和N元素的区间都比较窄，容易达到相的平衡(即两相约各占一半)，改善了钢的强度、耐腐蚀性和焊接性能，多用于性能要求较高和需要焊接的材料，如油气管线等。

双相不锈钢的连续使用温度范围为-50～250 ℃，下限取决于钢的脆性转变温度，上限受到475℃脆化的限制，因此需严格控制热处理和焊接工艺，以免出现有害相，导致其抗腐蚀和力学性能下降 ，其使用温度必须控制在300℃以下[12]。双相不锈钢的塑韧性、焊接性和成型性能不如奥氏体不锈钢价格较奥氏体不锈钢高，也制约了它的应用。

尽管双相不锈钢有较好的耐局部腐蚀性能，但从文献中获取的数据很多是实验室的腐蚀试验结果，往往与工程实际条件有差距。因此在必要时需要进行实际介质中的腐蚀试验或现场条件下的挂片试验，甚至模拟装置的试验。

在中性氯化物环境中，300系奥氏体不锈钢有产生点蚀和SCC的危险，而双相不锈钢正好可以解决这一问题。多年来，国内外有关双相不锈钢在中性氯化物介质中，尤其大量用作接触含Cl-冷却水的热交换器的管材损坏事例的报道不多，但是在高温下，Cl-富集处或含有H2S的酸性氯化物溶液中也会出现SCC现象。在高塑性的形变区，如弯管时的强烈冷变形导致残余拉应力过高，硬度急剧升高，在高温含Cl-环境中也可能发生SCC。所以控制双相不锈钢变形部位的硬度和使用环境是其成功应用的前提。

2205型双相不锈钢有在100℃以下，含Cl-和H2S数百mg?L-1的近中性环境中成功使用数年的经验[5]。文献[13]通过U形弯曲恒应变SCC试验、点蚀试验和全面腐蚀试验系统研究了双相不锈钢材料在高含Cl-、H2S和CO2复杂环境下的腐蚀特性，结果表明，在复杂环境下，中合金双相钢在复杂环境中，6O℃以下全面腐蚀速率极低，点蚀和SCC敏感性较低，可以用于温度低于60℃的复杂环境;但在有Cl-浓缩的情况下，80℃以上有SCC和点蚀风险。随着温度和pH值上升，2205的自然腐蚀电位和点蚀电位明显下降。随着介质中Cl-含量、H2S和CO2分压下降，自然腐蚀电位和点蚀电位明显上升。从极化曲线上看，2205母材和焊接接头经热处理后，在复杂介质中，120℃下耐全面腐蚀性能优异，耐晶间腐蚀性能良好，常温下抗SCC和点蚀性能良好，但在100℃以上有SCC的风险。在复杂介质中综合耐蚀性能与2205相比较，没有优势。

文献[14]双相不锈钢选用说明和设计规范对2205型和2507型双相不锈钢的化学成分、力学性能、热处理焊接、显微组织、冲击试验、硬度测量和腐蚀试验做了详细说明，认为该钢种还是存在SCC和SSCC风险，选用时，应对其在使用环境下的SCC和SSCC风险按 NACE TM0175[15]进行评价，在设计上应限制使用温度S31803为-40～280℃、S32704为-30～250℃。双相不锈钢的热处理较奥氏体不锈钢要更敏感，存在双相钢中由于有害相的析出导致材料的韧性和耐蚀性下降风险，由于热处理保温时间不足，析出的有害相未能完全溶解，或者在高载荷作用下材料长时间暴露在有害相析出的温度范围。热处理温度和时间对材料冲击强度的影响见图4-165[4]，适宜的热处理温度见表4-51，要求冷却速度尽可能的快。

图4-165 固溶退火条件下冲击强度下降50%温度与时间曲线

表4-51 双相不锈钢板和管热处理温度 ℃

文献[18]研究了双相钢冶金和焊接、热处理等因素对耐蚀性的影响。认为，焊接接头的化学成分、焊接和热处理过程决定了其特性，添加N可以提高抗点蚀能力，但热处理后铁素体含量下降其抗SCC能力下降，当铁素体含量小于30%时，有发生SCC的风险。

双相钢的显微组织即奥氏体和铁素体的相平衡是影响其性能的重要因素，对于双相钢中的铁素体含量，取决于其化学成分和热循环史，研究认为材料和焊接接头的相比例对其耐蚀性有重要影响，相比例的评定应执行GB/T 13305[19]。对于母材，铁素体含量控制应在40～50%，大多数情况下是母材铁素体含量40～60%，焊缝金属30～60%。当铁素体含量大于70%时，其抗点蚀性能下降;当铁素体含量小于30%，抗SCC性能恶化。

文献[20，21，22]按ISO 15324[23](GB/T 20122[24]) 采用滴落蒸发试验(drop evaporation test，DET)研究了双相钢在海水和不同含量的NaCl介质中的SCC敏感性与温度的关系。结果表明22Cr和25Cr双相钢发生SCC的温度低于105℃。在工程上，避免双相钢衬里腐蚀推荐的临界温度还应向下修正到70℃。在90%Rp0.2的应力作用下，发生SCC的临界温度为70℃和80℃。产生SCC主要原因是因为化学品的沉积，在盐垢下试样上发现有点蚀坑，导致沉积物下金属腐蚀和微观塑性的降低，试验SCC形貌见图4-166。22Cr双相钢在70%Rp0.2的应力作用下，100℃时未观察到腐蚀和SCC，试验结果见表4-52。文献[25]研究 2205在42%(mass) MgCl2溶液中，沸点温度下(145℃)有强烈的SCC倾向，而在25%(mass) MgCl2溶液中，沸点温度下(110℃)母材和焊接接头试样均未发生开裂。

表4-52 滴落蒸发试验结果

a.滴落试验的典型失效(22Cr试样 88%Rp0.2 100℃)

文献[99]对比了奥氏体不锈钢和2205、2507双相钢抗氯化物点蚀、缝隙腐蚀和SCC的性能，结果见图4-167～169，结果表明，双相钢的耐蚀性大大优于奥氏体不锈钢。

对双相钢的抗SCC性能，取决于环境因素和材料的冶金状态，还没有一个简单的实验室试验能划分含氯环境的等级来预测发生SCC的可能性，不推荐用某些项目问卷调查的方式来指定试验。对于油气生产上的SSCC敏感性，取决于环境的H2S分压和材料因素，其使用范围应符合NACE MR0175[15] 规定，2205型双相不锈钢限制使用环境的H2S分压应小于10kPa。

参考文献

[1] 吴 玖.双相不锈钢[M]. 北京：冶金工业出版社, 1999.

[2] 中国特种钢企业协会不锈钢分会.不锈钢实用手册[M] 中国科学技术出版社 北京 2003.9

[3] 吴 玖.双相不锈钢的选材要求与应用[J].石油化工腐蚀与防护,1999,16(1):23-27

[4] Duplex Stainless Steel SAF 2304?, 2205, SAF 2507?[X],AvertaPolarit SATINESS. www.avestapolarit.com

[5] 常春梅,张延丰,郭志军.等.2205型双相不锈钢在板式热交换器中的应用[J]. 石油化工设备,2009,38(3):73-77

[6] GB/T 4237-2015.不锈钢热轧钢板和钢带[S]

[7] ASTM A240/A240M-2018.Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications[S]

[8] GB/T 20878-2007.不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分[S]

[9] GB/T 3280-2015.不锈钢冷轧钢板和钢带[S]

[10] GB∕T 21833.2-2020 奥氏体-铁素体型双相不锈钢无缝钢管 第2部分：流体输送用管[S]

[11] GB/T21832.2-2018奥氏体-铁素体型双相不锈钢焊接钢管第2部分：流体输送用管[S]

[12] 马鸣图 吴宝榕著.双相钢--物理和力学冶金(第2版)[M].北京:冶金工业出版社,2009:432-435

[13] 郭志军,周建军,王克栋. 300系列奥氏体不锈钢在油田H2S-CO2-Cl-环境下耐蚀性研究石油化工设备[J].2010,39(6):14-19

[14] Mats Liljas, G?ran Gemmel. Choice of Specifications and Design Codes for Duplex Stainless Steels[R]. AVESTA SHEFFIELD CORROSION MANAGEMENT AND APPLICATION ENGINEERING.Sweden Avesta Sheffield ABand Avesta Sandvik Tube AB, 2000.04

[15] ANSI/NACE MR0175-2015.Petroleum and natural gas industries - Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production, Parts 1, 2, and 3[S]

[16] ASTM A790/A 790M–20.Standard Specification for Seamless and Welded Ferritic/Austenitic Stainless Steel Pipe[S]

[17] BS EN 10028-7:2016(2018).Flat products made of steels for pressure purposes-Part 7:Stainless steels[S]

[18] Jargelius-Pettersson RFA,Linder J,Hertzman S. Ranking the resistance of duplex stainless steels to chlorideinduced stress corrosion cracking[C],5th World Conference on Duplex Stainless Steels, Maastricht,1997,Book 2:585

[19] GB/T 13305-2008.不锈钢中α-相面积含量金相测定法[S]

[20] A Turnbull ,G Hinds.STRESS CORROSION CRACKING OF DUPLEX STAINLESS STEEL UNDERSIMULATED EVAPORATION CONDITIONS[R], USA,NACE paper 07474,NACE CORROSION 2007 CONFERENCE & EXPO

[21] G.Hinds,A.Tumbull.Corrosion,2008,Vol.64(2):101-106

[22] M.BLAHETOVá, S.LASEK, R.BLAHETA.STUDY AND COMPUTER MODELING OF STRESS CORROSION CRACKING DURING DET TEST[R].Sborník vědeckych prací Vysoké ?koly báňské-Technické univerzity Ostrava,2005

[23] ISO 15324:2000.Corrosion of metals and alloys-Evaluation of stress corrosion cracking by the drop evaporation test[S]

[24] GB/T 20122-2006.金属和合金的腐蚀 滴落蒸发试验的应力腐蚀开裂评价[S]

[25] 魏斌,白真权,林冠发.22Cr双相不锈钢应用研究[R].塔里木油田分公司天然气事业部,中国石油天然气集团公司管材研究所,2006.05