不同耐蝕等級的雙相不銹鋼在海洋工程中的應(yīng)用進(jìn)展

導(dǎo) 語

雙相不銹鋼是固溶組織中鐵素體和奧氏體相各占約一半的一類不銹鋼，其具有優(yōu)良的韌性、較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐氯化物腐蝕性能，在海洋工程等領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。本文回顧了雙相不銹鋼的發(fā)展，介紹了近年來不同耐蝕等級的雙相不銹鋼在海洋工程中的應(yīng)用案例。

拯救豪華戰(zhàn)艦

瓦薩號是世界上最著名的古船之一，這艘十七世紀(jì)的瑞典戰(zhàn)艦在處女航時不幸沉沒。上世紀(jì)60年代人們把它打撈上來，永久陳列在斯德哥爾摩的瓦薩博物館里，目前這艘瑰麗無比的戰(zhàn)艦吸引了超過三千萬的游客前來參觀（圖1）。

由于瓦薩號已經(jīng)在海底沉睡長達(dá)近四百年，木質(zhì)船體造成了獨(dú)特的腐蝕環(huán)境，如何抵抗不斷出現(xiàn)的腐蝕，保持船體的完整性一直困擾著博物館保管部門。尤其是那些在打撈階段修復(fù)船體用的五千多個鐵質(zhì)的螺栓，基本都已經(jīng)生銹，瓦薩號隨時可能解體。博物館保管部門和材料廠商開展了多輪材料篩選，最終評估決定采用雙相不銹鋼作為替代螺栓材料，用于修復(fù)戰(zhàn)艦，免遭腐蝕。

圖1. 瑞典“瓦薩號”古戰(zhàn)船

三大優(yōu)勢

為什么選擇雙相不銹鋼？這是由于和其它幾種材料相比，雙相不銹鋼的優(yōu)勢體現(xiàn)在更高的強(qiáng)度、優(yōu)良的韌性、優(yōu)異的耐蝕性能這些綜合性能。而這些恰恰是船體螺栓所需要的幾個關(guān)鍵性能。首先，在材料強(qiáng)韌性方面，固溶條件下的雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度大概是奧氏體不銹鋼的兩倍，同時其韌性不會有太大的下降，這些為實(shí)現(xiàn)緊固件性能、甚至減小緊固件的尺寸提供了可能。其次，在耐腐蝕性方面，雙相不銹鋼一般含有較高的鉻、鉬和氮元素，具有更高的抗點(diǎn)蝕當(dāng)量，耐點(diǎn)蝕性能更好；另外，由于是鐵素體-奧氏體兩相組織（圖2），其抗應(yīng)力腐蝕破裂性能一般也要優(yōu)于奧氏體不銹鋼；氮的加入還可以提高焊接處熱影響區(qū)的韌性，而基本不降低強(qiáng)度，也進(jìn)一步拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。最后值得一提的是，雙相不銹鋼通常具有較低的鎳含量，材料成本比奧氏體不銹鋼更低。

圖2.典型的雙相不銹鋼兩相組織

雙相不銹鋼的前世今生

雙相不銹鋼是如何開發(fā)出來的呢？其實(shí)早在上世紀(jì)30年代，人們就發(fā)現(xiàn)具有鐵素體-奧氏體兩相組織的不銹鋼比純奧氏體不銹鋼耐腐蝕性更好，但限于當(dāng)時的冶金生產(chǎn)水平，這種不銹鋼的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用幾乎停滯不前。直到50年代18-8型奧氏體不銹鋼出現(xiàn)大量的局部腐蝕事故報(bào)道，人們重新認(rèn)識到這種雙相組織不銹鋼所具有的其它鋼類無法比擬的優(yōu)勢。加之AOD、VOD精煉技術(shù)等冶金生產(chǎn)水平的不斷提升，雙相不銹鋼化學(xué)成分、相比例難以控制，冷、熱加工成型和焊接困難等技術(shù)難點(diǎn)逐漸解決，尤其是70年代開始含氮的鉻-鎳系雙相不銹鋼的出現(xiàn)，雙相不銹鋼開始獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

目前世界雙相不銹鋼（Duplex Stainless Steel, DSS）的產(chǎn)量約為15~40萬噸/年，雖然只占不銹鋼總產(chǎn)量的1％左右，但近年來年均增長迅猛，僅2005年~2008年期間就增長了6倍。其中，2205型熱軋產(chǎn)品是目前產(chǎn)量最大、用途最廣的一類雙相不銹鋼產(chǎn)品。其典型的代表牌號是022Cr22Ni5Mo3N，基本等同于S31803、SUS329J3L、EN 1.4462或SAF 2205商業(yè)牌號，超低碳、高鉻、氮合金化是它的顯著特點(diǎn)，點(diǎn)蝕當(dāng)量指數(shù)在32~39之間。

在2205型雙相不銹鋼的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步提高鉻、鉬或鎢、氮含量的水平，人們相繼開發(fā)出了超級雙相不銹鋼（Super DSS）和特超級雙相不銹鋼（Hyper DSS），如SAF 2507、UR52N+、ZERON100、SAF2707HD、SAF 3207HD等，這些雙相不銹鋼的PRE值大于40，甚至達(dá)到50！此類雙相不銹鋼的強(qiáng)度更高，耐蝕性能可以達(dá)到超級奧氏體不銹鋼，甚至達(dá)到鎳基合金材料的水平，而且與這些材料相比，雙相不銹鋼又具有成本優(yōu)勢，因此應(yīng)用得以迅速增長。

在另外一個方向，人們通過以氮代鎳，降低鉬、鎳貴金屬元素含量水平，開發(fā)出了經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼，其鎳含量一般低于4%、鉻含量約為21%、氮含量大于0.15%，如LDX 2101/UNS S32101、UNS S32001、UNS S32003等。這些雙相不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能等同或者優(yōu)于304奧氏體不銹鋼，但強(qiáng)度是其兩倍，原材料成本更是顯著降低。

可以說，經(jīng)過近30年的發(fā)展，雙相不銹鋼已經(jīng)發(fā)展成為一類重要的、具有自身顯著特點(diǎn)的不銹鋼，材料牌號已經(jīng)涵蓋從經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼、典型雙相不銹鋼到超級雙相不銹鋼、特超級雙相不銹鋼，產(chǎn)品牌號也已經(jīng)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。隨著雙相不銹鋼在越來越廣泛領(lǐng)域的成功應(yīng)用，終端用戶也越來越認(rèn)可雙相不銹鋼的價(jià)值。

海洋工程領(lǐng)域如魚得水

海洋環(huán)境復(fù)雜，海洋工程設(shè)計(jì)中除考慮承受各種自然因素引起的各種力的作用外，還需考慮海水腐蝕、微生物腐蝕等因素，因此包括近海岸建筑、圍海、海港等的海岸工程和包括海上平臺、人工島、石油和天然氣勘探開采平臺等的近海工程這些領(lǐng)域中，大量采用鋼鐵材料，用于制造各種結(jié)構(gòu)件和裝備。雙相不銹鋼具有的高強(qiáng)度、富氯離子介質(zhì)中的優(yōu)異耐點(diǎn)蝕性能、優(yōu)異耐應(yīng)力腐蝕性能等材料特點(diǎn)，決定了其尤其適合用于海洋工程領(lǐng)域。特別是隨著近年來深海工程的蓬勃發(fā)展，人們的目光逐漸投向深水、超深水環(huán)境，雙相不銹鋼成為了設(shè)計(jì)人員面前極具吸引力的備選材料之一。

海岸建筑和橋梁

海岸建筑面臨著高濕、高鹽的自然條件。對于波斯灣國家卡塔爾新建的新多哈國際機(jī)場來說，還要遭受紫外線強(qiáng)、高溫、磨蝕等影響。傳統(tǒng)的建筑材料耐點(diǎn)蝕性能不足，施工方最初建議使用鈦合金來建造機(jī)場屋頂，但由于其施工困難、成本高昂，不得不放棄使用該材料，轉(zhuǎn)而考慮采用經(jīng)久耐用、全壽命周期成本更有優(yōu)勢的雙相不銹鋼。最終人們選用了ATI 2003 經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼，高達(dá)1500多噸的雙相不銹鋼薄板經(jīng)過表面亞光處理，建造出了世界上最大的波浪形不銹鋼屋頂（圖3）！雙相不銹鋼與生俱來的成本和高的強(qiáng)度重量比優(yōu)勢展現(xiàn)無疑。

圖3. 采用了雙相不銹鋼屋頂?shù)亩喙聡H機(jī)場

我國香港的昂船洲大橋（圖4），設(shè)計(jì)壽命120年并免維修。這座連接香港和深圳的跨海灣高速公路大橋共使用了約2000噸2205鋼板制造橋塔上部的外表面結(jié)構(gòu)，另外還使用了約1250噸2205和316作為高速路鋼筋。今年全線貫通的世界上總體跨度最長的跨海大橋——港珠澳大橋（圖5）中采用了8200噸雙相不銹鋼鋼筋，主要應(yīng)用在大橋的承臺、塔座及墩身等多個部位。

另外，得益于良好的強(qiáng)韌性，經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼UNS 32304在海洋平臺已用于建造抗風(fēng)和防火建筑。

圖4. 采用雙相不銹鋼作為外表面結(jié)構(gòu)和鋼筋的香港昂船洲大橋 

圖5. 采用雙相不銹鋼鋼筋的港珠澳大橋

油氣開采

雙相不銹鋼在油氣開采中，主要用于井下生產(chǎn)管道、油田氣井的噴射裝置、海上離心分離器、海底油氣輸送管道系統(tǒng)、海底纜線管道、海底深井柔性管線和補(bǔ)給管線、岸上和近海的管道系統(tǒng)以及熱交換器、水面操作系統(tǒng)等，尤其適合應(yīng)用在含Cl-、CO2、H2S的沒有緩蝕劑的酸性環(huán)境中。

挪威Statoll工程中采用了2500噸UR45N雙相不銹鋼從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備減重，英國北海油田工程中采用UR52N 超級雙相不銹鋼用于制造油氣集合管和輸送管線，美國阿拉斯加、墨西哥灣等地的油氣井生產(chǎn)、海上采油平臺設(shè)施以及油氣輸送管線等采用了SAF2507超級雙相不銹鋼。

隨著世界油氣需求的增長和油氣資源的匱乏，油氣開采逐漸走向更深和更遠(yuǎn)的海底油田（圖6）。深海暴露環(huán)境，意味著海底管道需具有更高的力學(xué)性能、抗內(nèi)部和外部腐蝕性能和抗應(yīng)力腐蝕破裂性能，首選材料就是雙相不銹鋼。作為深海開采系統(tǒng)“生命線”的臍帶纜（圖7）是其中一個典型應(yīng)用，從鋼臍帶纜被引入市場以來，雙相不銹鋼一直是最常用的材料。從1991年開始，僅Sandvik公司就已提供了70000公里長的SAF 2507臍帶管，且從未見過鋼管腐蝕失效的報(bào)道。采用超級和特超級雙相不銹鋼后，材料強(qiáng)度進(jìn)一步提高，還可降低臍帶纜重量，可用于制造長度更長的臍帶纜。如SAF 3207HD的開發(fā)，可以在深達(dá)2500米的水域使用，為超深井的開發(fā)提供了可能。

另外，得益于銅的加入進(jìn)一步提高了強(qiáng)度和耐蝕性，F(xiàn)erralium225-SD50雙相不銹鋼更已用于制造7000米深海底設(shè)備和電纜的容器，還用于制造海底定位儀和可控深海聲學(xué)釋放應(yīng)答器的壓力外殼和承載部件。

考慮到價(jià)格和制造問題，經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼也是一種選擇，非常適合用作海底深井柔性管線和補(bǔ)給管線，以及在海上平臺工藝管道和結(jié)構(gòu)應(yīng)用，如低鎳的經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼AL 2003于2006年用于東馬來西亞Kikeh 油田項(xiàng)目中，用在工作深度超過1200米的海底輸送無硫或輕度含硫油氣的高壓管道系統(tǒng)。

圖6. 海上油氣開采

圖7. 用于海上油氣開采的雙相不銹鋼臍帶纜

海水淡化

由于海水氯離子濃度高，海水淡化系統(tǒng)（圖8）設(shè)備、管路都將面臨較嚴(yán)重的腐蝕，傳統(tǒng)的奧氏體不銹鋼經(jīng)常發(fā)生點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕破壞，雙相不銹鋼恰好在上述腐蝕類型中表現(xiàn)優(yōu)異，成為主要材料之一。其中多級閃蒸海水淡化法中的蒸發(fā)器冷凝器管多采用2507超級雙相不銹鋼管代替鈦或銅鎳合金，閃蒸室外殼可用2205，后者已被利比亞的淡化工廠采用。反滲透法的高壓管道和高氯化物環(huán)境的高壓泵采用2507鋼，可與含6Mo超級奧氏體不銹鋼媲美，已用于以色列新建的Ashkelon廠。我國曹妃甸海水淡化項(xiàng)目采用了300噸2205鋼板用于制造多級閃蒸設(shè)備。

圖8. 沙特用雙相不銹鋼制造的海水淡化裝置

雙相不銹鋼的未來

雙相不銹鋼的發(fā)展已經(jīng)歷經(jīng)近百年，但毫無疑問，雙相不銹鋼的創(chuàng)新仍將繼續(xù)，新的牌號將不斷涌現(xiàn)，未來雙相不銹鋼的發(fā)展趨勢是高性能化和低成本化兩個方向。

隨著人均不銹鋼消費(fèi)量的提高，我們需要改變以往的習(xí)慣，更加關(guān)注節(jié)約成本。隨著雙相不銹鋼家族的壯大，種類、牌號日趨復(fù)雜，合理選材愈發(fā)重要。僅僅是經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼，不同牌號的PREN值可以從22變化到32，這比304和316牌號之間的差異更大！因此，材料供應(yīng)商需要向用戶提供更為細(xì)致的選材方案，用于也需要在不斷的應(yīng)用過程中，積累各種牌號的實(shí)際性能，并積極向材料供應(yīng)商反饋，以用于產(chǎn)品的進(jìn)一步改進(jìn)與開發(fā)。

另外，隨著雙相不銹鋼應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，可以預(yù)見，如果開發(fā)出成熟的雙相鋼薄板、大口徑無縫管等新產(chǎn)品，未來雙相不銹鋼將會迎來更強(qiáng)勁的增長。

材料創(chuàng)新永不止步，未來屬于雙相不銹鋼。