海水泵雙相不銹鋼材料選材分析

王強(qiáng)

摘 要：由于浙江LNG項目周邊海水水質(zhì)含沙量高，對海水泵用材料要求比較苛刻。需要選擇即能抵抗海水腐蝕，又能抵抗高含砂海水的沖蝕的材料。

關(guān)鍵詞：海水泵；雙相鋼

1 概述

浙江省LNG接收站項目采購共5臺流量為7550M3/h，揚(yáng)程43.9米的進(jìn)口海水泵。因項目周邊海水水質(zhì)較差，含有大量泥沙，同時考慮海水的腐蝕，為保障采購的海水泵滿足嚴(yán)苛的工況要求，需要針對目前可能采用的海水泵材料進(jìn)行比選研究，研究情況如下。

目前海水泵過流部件的主要應(yīng)用材質(zhì)有：300系列不銹鋼、高性能合金、雙相鋼（超級雙相鋼）等。因篇幅所限，300系列不銹鋼和高性能合金等材料不再詳述，下文主要就新興材料雙相不銹鋼材料進(jìn)行表述。

2 雙相不銹鋼材料性能

所謂雙相不銹鋼是在它的金相組織中鐵素體相和奧氏體相的比例約各占一半，一般較少相的含量也需要達(dá)到30%以上。雙相不銹鋼是一類集優(yōu)良的耐腐蝕、高強(qiáng)度和易于加工制造等諸多優(yōu)異性能于一身的鋼種。它的物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，但更接近于鐵素體不銹鋼和碳鋼。

2.1 耐蝕性能

a）耐孔蝕性能：

在特殊的氯化物環(huán)境中，每一種不銹鋼都可用一溫度來表述其特征，高于此溫度孔蝕開始出現(xiàn)，并且在24小時之內(nèi)可發(fā)展成肉眼可見的大小。低于此溫度即所謂的臨界孔蝕溫度（CPT）。對于不同牌號的CPT通常以一個溫度范圍來表示。

b）耐縫隙腐蝕性能：

縫隙腐蝕也有一個類似的臨界溫度，稱為臨界縫隙腐蝕溫度（CCT）。CCT與不銹鋼不同式樣、氯化物環(huán)境和縫隙的形狀（縫隙的寬度、深度等）有關(guān)。在同樣的腐蝕環(huán)境中CCT往往比CPT低15～20℃。

雙相不銹鋼中的高鉻、鉬和氮使其在水的環(huán)境中具有非常好的耐氯化物局部腐蝕性能。在這方面，即使是極低合金化的雙相不銹鋼牌號和優(yōu)于316型鋼，一些牌號甚至躋身于高性能不銹鋼的行列。材料焊接態(tài)的臨界溫度要低一些。較高的臨界孔蝕和縫隙腐蝕溫度表明該鋼對這種類型腐蝕的成核具有較大的抗力。2205鋼的CPT和CCT都高于316型鋼。這使2205鋼成為有多方面用途的材料。

c）耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能：

雙相不銹鋼最早期的某些應(yīng)用是基于它們耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）的性能。與具有類似耐氯化物應(yīng)力孔蝕和縫隙腐蝕性能的奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼表現(xiàn)出明顯優(yōu)越的耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能。

2.2 力學(xué)性能

雙相不銹鋼力學(xué)性能優(yōu)異，它們在固熔狀態(tài)下的室溫屈服強(qiáng)度比未添加氮的標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼高兩倍多，這樣在某些應(yīng)用中就可以減少壁厚。

盡管雙相不銹鋼強(qiáng)度高，但它們表現(xiàn)出良好的塑性和韌性。與碳鋼或鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼塑性-脆性的轉(zhuǎn)變是漸進(jìn)的。雙相不銹鋼即使在低溫如-40℃下仍保持良好的韌性，但是雙相不銹鋼的韌性和塑性相比奧氏體不銹鋼低。奧氏體不銹鋼一般沒有塑性-脆性轉(zhuǎn)變，在低至深冷溫度條件下仍保持優(yōu)異的韌性。

雙相不銹鋼在常溫下具有較高的沖擊韌性，但是在300℃以上的環(huán)境中持續(xù)長時間工作，材料金相組織會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致沖擊韌性下降。因此國外壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將250℃～280℃作為它的極限使用溫度。另外，-50℃又是雙相不銹鋼低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度，因此-40℃～250℃是雙相不銹鋼的適宜工作溫度。

3 與奧氏體不銹鋼的比較

由于兩相組織的特點(diǎn)，通過正確控制化學(xué)成分和熱處理工藝，使雙相鋼兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)。

3.1 優(yōu)勢

a）屈服強(qiáng)度比普通奧氏體不銹鋼高一倍多，塑韌性較好；

b）具有優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕破裂的能力，尤其在含氯離子的環(huán)境中；

c）在許多介質(zhì)中應(yīng)用最普遍的S31803（2205）雙相不銹鋼的耐腐蝕性優(yōu)于普通的316L奧氏體不銹鋼；

d）具有良好的耐局部腐蝕性能和疲勞腐蝕性能；

e）比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)低，和碳鋼接近，適合與碳鋼連接；

f）不論在動載或靜載條件下，比奧氏體不銹鋼具有更高的能量吸收能力，這對結(jié)構(gòu)件應(yīng)付突發(fā)事故如沖撞，爆炸等，雙相不銹鋼優(yōu)勢明顯，有實際應(yīng)用價值。

3.2 弱勢

a）應(yīng)用的普遍性與多面性不如奧氏體不銹鋼，例如其使用溫度必須控制在250攝氏度以下；

b）其塑韌性較奧氏體不銹鋼低；

c）存在中溫脆性區(qū)，需要嚴(yán)格控制熱處理和焊接的工藝制度。

4 與鐵素體不銹鋼的比較

4.1 優(yōu)勢

a）綜合力學(xué)性能比鐵素體不銹鋼好，尤其是塑韌性；

b）除耐應(yīng)力腐蝕性能外，其他耐局部腐蝕性能都優(yōu)于鐵素體不銹鋼；

c）冷加工工藝性能和冷成型性能遠(yuǎn)優(yōu)于鐵素體不銹鋼；

d）焊接性能也遠(yuǎn)優(yōu)于鐵素體不銹鋼，一般焊前不需預(yù)熱，焊后不需熱處理。應(yīng)用范圍較鐵素體不銹鋼寬。

4.2 弱勢

合金元素含量高，價格相對高，一般鐵素體不含鎳。

綜上所述，可以概括地看出雙相鋼具有優(yōu)越的力學(xué)與耐腐蝕綜合性。

5 與超級雙相鋼的比較

雙相鋼S31803是較普遍的鋼種，超級雙相鋼中則以S32750為代表。

5.1 成分表和機(jī)械性能參數(shù)

5.2 雙相鋼和超級雙相鋼應(yīng)用比較

超級雙相不銹鋼也已在油、氣工業(yè)中使用，如UR52N+ 已用在北海油田的油氣集合管和輸送管線，SAF2507鋼用的阿拉斯加、北海、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，多用在沒有緩蝕劑的苛刻酸性環(huán)境。

目前就熱海水用鋼而言，大多數(shù)都是使用25Cr-3Mo型的雙相不銹鋼，當(dāng)然超級雙相不銹鋼有更好的使用效果，例如SAF2507鋼制造的海水熱交換器，殼程是含有少量氟化物的丁烷（入口溫度80℃，出口溫度30℃），管程是海水，工藝溫度可能從40℃升至80℃，鈦管因不耐F-腐蝕，只能用3個月，SAF2507使用3年后仍未發(fā)現(xiàn)腐蝕。北海采油平臺上的管道系統(tǒng)使用的是Zeron100鋼，海水出口溫度可達(dá)60～65℃，也未發(fā)現(xiàn)腐蝕問題，而使用6%Mo的奧氏體不銹鋼時，在此溫度會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。

6 結(jié)論

根據(jù)以上分析，海水泵材料采用雙相不銹鋼或更高級的超級雙相鋼作為海水泵過流部件，即滿足抵抗海水腐蝕要求，又具備抵抗海水中泥沙的沖蝕的能力，是適合海水環(huán)境下新興的泵體過流部件材料。