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耐蚀性能优异的SAF 2707 HD双相钢
发布时间: 2016-07-29 来源:东北特钢 浏览人数:4494
 

 

  标准双相不锈钢被广泛应用于高温含氯化物的环境,其使用已超过30年。然而,随着工厂设备要求的提高,特别是海水环境和氯化处理应用领域,显然需要一种新的钢种以应对日益增长的苛刻操作条件。
  与标准双相不锈钢相比,山特维克SAF 2507(UNS S32750)的耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能有很大的改善。已经证明,该材料是一种优异的适用于海水环境设备(如海水冷却器)使用的材料。然而,在一些小设备器件上,如利用热海水的热交换器和泠凝器设备,由于会沿着这种设备的缝隙形成很多沉积,故这种设备多青睐于使用镍合金。
新一代不锈钢
  为了解决这种情况,山特维克公司在大力开发明显改善耐腐蚀性能新一代不锈钢方面做了很多工作。
  山特维克公司开发出一种高合金、双相(奥氏体-铁素体)不锈钢山特维克SAF 2707 HD(UNS S32707),称之为顶级双相不锈钢。与其他双相不锈钢相比,SAF 2707 HD表现出优异的耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能,特别是在氯化海水中,这些性能优于或相当于许多镍合金。
  该顶级不锈钢的性能超过了现有的超级双相不锈钢。与超级双相不锈钢SAF 22507(UNS S32750)和6Mo奥氏体不锈钢UNS S31254相比,该钢在氯化物溶液中的耐腐蚀性能得到很大的改善,更适用于酸蚀、含氯环境。这使得该钢非常适用于过程工业,如炼油设备、石油化工设备和化学设备使用的管壳式换热器,特别适用于热海水环境。
2  化学成分
  山特维克SAF 2707 HD的高耐蚀性主要是因为它的化学成分(见表1)以及铬(Cr)、钼(Mo)和氮(N)的含量,详见表1。
表1 SAF 2707 HD的化学成分&
山特维克钢种
UNS
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
其他元素
PRE
超级-双相-SAF 2507
S32750
≤0.030
≤0.8
≤1.2
≤0.035
≤0.015
25
7
4
N=0.3
43
超级-双相-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
 
  铬是一种提高不锈钢耐一般腐蚀和耐局部腐蚀的最普通的元素(见表2)。相比之下,合金625镍合金含有21%的Cr,山特维克公司的超级双相不锈钢SAF2205含有22%的Cr。山特维克SAF 2707 HD化学成分中27%的Cr使得该钢具有较高的腐蚀性能。
表2 一些普通不锈钢钢种的合金成分
钢种
ASTM
UNS
Cr
Mo
N
PRE
山特维克3R12
304L
S30403
18
-
-
18
山特维克3R60TM
316L
S31603
17.5
2.6
-
26
山特维克SAF 2304
-
S32304
23
0.3
0.1
26
山特维克3R64
317L
S31703
18.5
3.1
-
29
Sanicro 41
-
N08825
20
2.6
-
29
山特维克2RK65
904L
N08904
20
4.5
-
35
山特维克SAF 2205
-
S31803
22
3.1
0.2
35
Sanicro 28
-
N08028
27
3.5
-
38
山特维克254SMOTM
-
S31254
20
6
0.2
43
山特维克SAF 25074
-
S32750
25
4
0.3
43
山特维克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
 
  山特维克SAF 2707 HD的显著特征包括:与许多镍合金,如含有高达10%Mo的合金625相比,它含有相对较低的钼含量(4.8%)。4.8%的Mo含量更类似于超级双相不锈钢,如含有3.1%Mo的SAF 2205。顶级双相不锈钢具有一种平衡的化学成分,使其组织为50%铁素体和50%奥氏体,这种组织决定了该钢在诸如海水、中盐和卤水的含氯介质中有较高的耐点蚀和耐缝隙腐蚀性。
  化学成分可以显著改善镍合金微观组织的多变形和不稳定性。镍对不锈钢的耐腐蚀性几乎没有影响,但镍是一种重要的奥氏体稳定元素。因为氮也稳定奥氏体相,山特维克SAF 2707 HD的镍含量很低,仅为6.5%。这种方式实现的双相组织(奥氏体-铁素体)使该钢具有更好的力学性能和物理性能并易于制造。
  顶级双相不锈钢如山特维克SAF 2707 HD被设计用于高腐蚀条件。其最初是作为一种替代超级双相钢的先进钢种而研发的,但山特维克顶级双相钢的性能甚至好于预期。试验清楚地表明,在腐蚀环境中,该材料作为一种高强度、耐腐蚀且成本有效的材料,可以用作镍合金的替代材料。
  提高的耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能是化学成分中铬、氮和钼三种元素结合的直接结果。双相材料中,为了防止腐蚀侵蚀弱项,重要的事两相有相似的耐点蚀当量(PRE)值。新钢种给出的名义PRE值为48,该值大大高于普通使用的超级双相不锈钢。
耐腐蚀性
  所有从现有钢种中获得的经验都被用于优化操作性能,特别是在含氯环境下。
  如前所述,点蚀和缝隙腐蚀比一般腐蚀更有害。这类腐蚀通常难以被发现,直至这类腐蚀引起严重破坏时才被发现,从而导致热交换器管子渗漏,引起系统失效。为此,在新钢种研发阶段需要进行广泛研究,以确定其耐腐蚀性和在所应用领域的适用性。
  根据ASTM G48,在6%的FeCl3中对不锈钢进行更苛刻的点蚀和缝隙腐蚀试验。在试验的修改版本中,SAF 2707 HD暴露在溶液中,以2.5℃/24h的速度逐渐升温,直至观察到腐蚀。试验确认,SAF 2707 HD的临界电视温度(CPT)约为97.5℃。而超级双相不锈钢SAF 2507(UNS S32750),相应的临界点蚀温度约为80℃。
  在装有人工缝隙材料的试验样品上进行缝隙腐蚀试验。SAF 2707 HD的临界缝隙腐蚀温度也大大高于UNS S32750。
  腐蚀的形成发生在金属小裂纹上,并且在凹缘接头、沉积物下面、表面或者焊缝都有不完全的渗透。
  用恒电位试验测定了不同钢种临界点蚀温度(CPT)。图1给出了临界点蚀温度随氯化钠溶液浓度变化的情况。测量时施加的电位为600mV SCE,相当于ASTM G48试验中所采用的氧化还原电位。含有氯化物的介质中一般不会有如此高的电位。因此,炼油设备过程流中的含氯介质或未经氯化的海水,其可能的使用温度通常会高于这些试验中测得的临界点蚀温度(CPT)。
 
 
图1 氯化钠溶液浓度在3%到25%范围内变化时的临界点蚀温度(CPT)
  为了确定SAF 2707 HD钢的耐腐蚀性,在较低pH的酸性溶液中,采用了一种称为死神(Green death)的测试溶液,即1%FeCl3+1%CuCl2+11%H2SO4+1.2%HCl。SAF 2707 HD材料的临界点蚀温度比SAF 2507高25℃,比6Mo+N钢高27.5℃。
  一般腐蚀会限制任何不锈钢的服役寿命。在有机酸(甲酸HCOOH和醋酸CH3COOH)中,顶级双相钢表现出较高的耐腐蚀性能。
  该钢种在替代高合金奥氏体不锈钢和镍基合金方面非常具有竞争性。标准奥氏体不锈钢的腐蚀速率较高。
4  耐应力腐蚀性
  在工业应用过程中,应力腐蚀裂纹(SCC)是最严重的腐蚀形式之一,它能导致金属快速失效。在那些氯化物含量相对较低的环境下,标准奥氏体钢也会发生裂纹。图2比较了不同钢种耐腐蚀的能力。SAF 2707 HD表现出更优异的奶氯化物腐蚀性,甚至在高温的环境中亦是如此。
 
 
图2 SAF 2507和SAF 2707 HD的耐蚀性比较
  试样进行了为期六周的试验,试验槽内泵入新鲜的NaCl溶液。试验证明,在高达10000ppmCl-/250℃的环境下试样没有任何应力腐蚀裂纹(SCC)迹象。这表明,SAF 2707 HD能为过程工业使用的临界热交换器提供理想的耐氯化物SCC性能。
力学性能
  SAF 2707 HD的双相组织结构赋予了该钢较高的屈服强度,其屈服强度大约是有相应耐点蚀性奥氏体不锈钢的两倍。由于该钢有较高的强度,可以大量减少管材的壁厚,从而降低了设备的重量,减少了建筑成本。
热交换器管道用退火态钢的强度值如下:
  屈服强度:Rp0.2最小为700MPa(最小101ksi);
  抗拉强度:Rm920-1100MPa(133-160ksi);
  延伸率:最小25%;
  硬度:≤34HRC。
冲击强度
  山特维克SAF 2707 HD有较高的冲击强度。与其他铁素体基体的双相不锈钢一样,SAF 2707 HD在较低温度下也会变脆。较高温度也同样如此,这是由于较高温度下475℃脆变的铁素体相分解。该钢的操作温度范围约为-50℃到300℃。
焊接性
  该钢种有较高的延展性,这意味着该钢没有特殊的加工要求。由于其较高的强度,弯曲力高于标准奥氏体不锈钢。冷弯可采用常规弯曲方法,高的延展性意味着可以将其弯曲至非常接近弯曲半径的程度,这使得该钢成为热交换器管道的理想用材。可采用胀管至管板的常规方法,但在第一步的部分膨胀时需要较大的初始力。在高氯离子浓度环境下使用时,应该焊接管与管板接头,以减少缝隙腐蚀的风险。
  应用时,该钢有较好的焊接性,在热影响区重新形成的奥氏体对性能有利,焊接接头有优异的强度和耐腐蚀性。
  推荐采用氮气保护气氛的TIG焊接,使用匹配的填充金属,以获得最佳的耐腐蚀性和力学性能。
操作实例
  已进行的相关设计和研发都是为了提高热交换器在苛刻腐蚀环境的操作性能,并延长其服役寿命,已经进行操作的钢种正在获得更长的运行时间。为了验证新钢种并获得工业参考信息,已经在超时的多种炼油应用中对SAF 2707 HD热交换器管道进行评估。
  几年前,美国一家炼油厂在常压蒸馏装置上采用SAF 2707 HD重新制备顶泵周围热交换器管束。
  大量低质量原油中的氯离子侵蚀和增加的腐蚀使得使用环境更加恶劣,用于这种环境的碳管寿命期望值为9个月。迄今为止,山特维克的钢管运行良好,没有出现腐蚀问题。
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