編者按：中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會1月16日公布：2021年，造船業(yè)三大指標(biāo)我國繼續(xù)保持全球第一，實現(xiàn)了“十四五”的開門紅。此外，據(jù)中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會預(yù)測，2022年我國造船完工量將超過4000萬載重噸。

在這份新出爐的成績單上，造船完工量、新接訂單量、手持訂單量中國船舶企業(yè)分別占世界總量的50%左右，繼續(xù)保持全球第一。其中，我國最大的船舶企業(yè)中國船舶集團(tuán)，2021年三大造船指標(biāo)首次全面超越韓國現(xiàn)代重工，成為全球最大的造船集團(tuán)，實現(xiàn)完工交付船舶206艘，占到全球市場份額的20.2%，實現(xiàn)新接訂單合同金額1301.5億元，創(chuàng)下自2008年以來的最新紀(jì)錄。

2021年，我國船企承接了全球72.7%的化學(xué)品船訂單，而這一訂單的大幅增加直接帶動了對雙相不銹鋼的需求。今天我們來普及一下雙相不銹鋼的相關(guān)知識。

何為雙相不銹鋼

所謂雙相不銹鋼是在其固溶組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半，一般量少相的含量也需要達(dá)到30%。在含C較低的情況下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Nb、Ti，N等合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導(dǎo)熱系數(shù)高，具有超塑性等特點。與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高。

產(chǎn)品特性：

強度高，屈服強度為18-8型不銹鋼的兩倍；

良好的耐孔蝕性能及耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能；

焊接熱裂紋傾向?。?/span>

導(dǎo)熱系數(shù)大，線膨脹系數(shù)小，適合制造設(shè)備的襯里、熱交換器的管芯和生產(chǎn)復(fù)合板；

加工硬化率高；

高能量吸收，抗沖擊性好。

雙相不銹鋼具有良好的焊接性能，與鐵素體不銹鋼及奧氏體不銹鋼相比，它既不像鐵素體不銹鋼的焊接熱影響區(qū)，由于晶粒嚴(yán)重粗化而使塑韌性大幅降低，也不像奧氏體不銹鋼那樣，對焊接熱裂紋比較敏感。

雙相不銹鋼由于其特殊的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于石油化工設(shè)備、海水與廢水處理設(shè)備、輸油輸氣管線、造紙機械等工業(yè)領(lǐng)域，近些年來也被研究用于橋梁承重結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具有很好的發(fā)展前景。

雙相不銹鋼的發(fā)展歷史

上世紀(jì)30年代就已在瑞典的試驗室中研制出雙相不銹鋼（3RE60、Uranus50等），但是雙相不銹鋼真正產(chǎn)業(yè)化還是在上世紀(jì)60年代以后，其發(fā)展經(jīng)歷了3代歷程。20世紀(jì)70年代以來雙相不銹鋼作為耐局部腐蝕的結(jié)構(gòu)材料，其應(yīng)用和開發(fā)極其迅速，不論作為耐中性氯離子的應(yīng)力腐蝕材料、耐氯化物的孔蝕與縫隙腐蝕材料等的腐蝕疲勞材料，還是在其他別的方面，雙相不銹鋼憑借其組織結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點，已取代了304L、316L，甚至904L等奧氏體不銹鋼。

太鋼是從上世紀(jì)80年代開始雙相不銹鋼的工藝研究及品種開發(fā)。當(dāng)時主要的雙相不銹鋼品種有兩種：蘇聯(lián)的牌號1Cr21Ni5Ti，主要用于制作火箭發(fā)動機燃燒室的尾噴管；瑞典的3Re60鍛件及中板，主要用于化肥行業(yè)（如甲胺泵泵體、制鹽復(fù)合板等）。隨著國家重點工程的建設(shè)，特別是長江三峽水利工程不銹鋼復(fù)合板的設(shè)計需求，太鋼開始了2205雙相不銹鋼的研制，此后陸續(xù)開發(fā)成功2101、2304、2507、S32760、S32906等系列雙相不銹鋼，在國內(nèi)多領(lǐng)域及涉外工程中得到批量應(yīng)用（表1）。

表1  太鋼雙相不銹鋼主要的品種及典型成分/%

太鋼成功研發(fā)的雙相不銹鋼填補行業(yè)空白

2021年3月，國內(nèi)某鋼管公司咨詢太鋼營銷中心，提出φ570mm超大直徑雙相不銹鋼管坯采購需求。雙相不銹鋼制造技術(shù)難度大，應(yīng)用領(lǐng)域廣，在太鋼一直被定為公司戰(zhàn)略產(chǎn)品重點發(fā)展。對于此次海洋平臺工程需要的厚壁管，以往均采用厚鋼板焊接而成，而無縫鋼管相對于焊接鋼管，在安全性方面大幅提升，但所使用的超大直徑雙相不銹鋼管坯，因受設(shè)備能力、工藝條件的制約，此前屬行業(yè)空白。

接到用戶需求信息，太鋼技術(shù)中心牽頭，聯(lián)合營銷中心、制造部、生產(chǎn)廠成立攻關(guān)團(tuán)隊，快速與用戶對接，詳細(xì)了解產(chǎn)品最終用途和使用要求，并根據(jù)鋼種特性、成品要求、技術(shù)難點，在高潔凈度冶煉、關(guān)鍵元素的精確控制、大鋼錠組合鍛造、大直徑管坯熱處理組織調(diào)控等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行針對性設(shè)計，全過程跟蹤，歷時3個月，成功開發(fā)了600噸包括最大直徑為φ570mm在內(nèi)的雙相不銹鋼系列管坯，并取得了DNV船級社和Nosork-M650等具有國際影響力的第三方認(rèn)證，填補了行業(yè)空白，為最終生產(chǎn)出滿足海洋工程用雙相不銹鋼無縫管奠定了堅實基礎(chǔ)。

在2021年10月20日蘇州舉行的易派客工業(yè)品展、石油石化工業(yè)展覽會上，使用了太鋼φ570mm超大直徑雙相不銹鋼管坯生產(chǎn)的厚壁80mm無縫鋼管，吸引了眾多國內(nèi)外石油石化業(yè)界人士駐足咨詢。

雙相不銹鋼的加工性能

應(yīng)用較多的加工方法有冶煉、鑄造、熱變形加工、冷變形加工、機加工、熱處理、焊接等。

1）冶煉。雙相不銹鋼的冶煉比奧氏體或鐵素體鋼的難度大，控制要求高。目前，雙相不銹鋼最低要求應(yīng)采用或進(jìn)行精煉的。

2）鑄造?；谂c冶煉同樣的道理，鑄造難度也大于一般奧氏體和鐵素體鋼材，而且難度比冶煉更大。除此之外，由于兩相組織的原因，在澆鑄時還要采取有效的措施，以避免比奧氏體鋼更容易出現(xiàn)的鑄造裂紋兩相凝固差別的原因、氣孔加氮的原因等問題。

3）熱變形加工。雙相不銹鋼具有的兩相組織使其熱變形加工的難度要遠(yuǎn)大于奧氏體不銹鋼。冷變形加工。雙相不銹鋼的冷變形加工的難度要遠(yuǎn)大于奧氏體不銹鋼。

4）熱處理。就常用的工程材料而言，都不存在較大的加工難度，雙相不銹鋼也不例外。熱處理對雙相不銹鋼性能還有一些特殊影響。①不同的熱處理參數(shù)，可得到不同的相比例，直接影響鋼材性能。②通過熱處理，可以改變加工過程中的元素分配比例，改善甚至消除加工過程中次生相帶來的不利影響，從而影響到鋼材的最終機械性能和耐腐蝕性能等。③熱處理過程也會使鋼材產(chǎn)生新的次生相，也會導(dǎo)致元素在各相中的重新分配。因此，不恰當(dāng)?shù)臒崽幚頃逛摬牡男阅軔夯?/span>

最早限制雙相不銹鋼應(yīng)用的主要原因就是焊接問題，而工程上又往往不可避免焊接過程。

雙相不銹鋼焊接的難點就在于其焊接接頭是否仍能獲得與母材相同或相近的兩相組織,，這也是保證焊接接頭是否具有與母材同樣性能（包括力學(xué)性能和耐腐蝕性能）等的關(guān)鍵所在。這里所說的焊接接頭包括焊縫熔合區(qū)、高溫?zé)嵊绊憛^(qū)（HTHAZ）和低溫?zé)嵊绊憛^(qū)（LTHAZ）。

1）焊縫熔合區(qū)。該區(qū)域的兩相組織相對容易控制，即通過選擇合適的焊接材料就能做到。

2）高溫?zé)嵊绊憛^(qū)。它是指具有約1250℃熔點這一溫度特征的區(qū)域。這一區(qū)域很窄，卻是其相組織最難控制的一個區(qū)域。因為母材的成分不能因其而有過多的奧氏體形成元素，而該區(qū)域的溫度特征又使其高溫鐵素體在冷卻過程中部分得不到向奧氏體轉(zhuǎn)化。應(yīng)采用較大的焊接線量，使焊縫冷卻速度降低，使高溫鐵素體有一定的時間向奧氏體轉(zhuǎn)化，從而使相組織均衡。

3）低溫?zé)嵊绊憛^(qū)。由于該區(qū)域的溫度較低，不足以引起基本相的變化，但可能會發(fā)生二次相的產(chǎn)生。因此，采用合適的焊接線量并控制層間溫度是防止低溫?zé)嵊绊憛^(qū)性能變壞的主要手段。

2205雙相不銹鋼的焊接工藝

為了取得良好的焊接質(zhì)量，焊接人員應(yīng)掌握雙相不銹鋼的焊接特點和注意事項，另外從腐蝕的角度來看，焊接接頭總是不銹鋼結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)，實際上管道最終的耐蝕水平是由焊工決定的，為了盡可能的取得良好的結(jié)果，焊接操作過程應(yīng)當(dāng)遵守一些基本規(guī)則?？偨Y(jié)出的SAF2205 DSS一些關(guān)鍵技術(shù)如下。

1）焊前準(zhǔn)備  采用機加工制備試板坡口，用不銹鋼專用砂輪片打磨坡口及坡口兩側(cè)各30mm圍，并用丙酮清洗，以除去氧化膜、油污。

2）焊接方法  一般的焊接方法，如焊條電弧焊、鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊埋弧焊等，都可用于雙相不銹鋼的焊接。焊條電弧焊時最常用的焊接工藝方法，其特點靈活方便，并可實現(xiàn)全位置焊接，因此焊條電弧焊是焊接修復(fù)的常用工藝方法。鎢極氬弧焊的特點是焊接質(zhì)量優(yōu)良，自動化的焊接效率也較高，因此廣泛用于管道的封底焊縫及薄壁管道的焊接。鎢極氬弧焊的保護(hù)氣體通常采用純Ar，當(dāng)進(jìn)行管道封底焊時，應(yīng)采用Ar+2%N2 或Ar+5%N2保護(hù)氣體，同時還應(yīng)采用純Ar或高純N進(jìn)行焊縫背面保護(hù)，以防止根部焊道的鐵素體化。熔化極氣體保護(hù)焊的特點是較高的熔敷效率，即可采用較靈活的半自動焊，也可實現(xiàn)自動焊。

3）焊材的選擇  對于焊條電弧焊，根據(jù)耐腐蝕性，接頭韌性的要求即焊接位置，可選用酸性或堿性焊條。采用酸性焊條時，脫渣優(yōu)良，焊縫光滑，接頭成形美觀，但是焊縫金屬的沖擊韌性較低，于此同時，為了防止焊接氣孔及焊接氫致裂紋需嚴(yán)格控制焊條中的含氫量。當(dāng)要求焊縫金屬具有較高的沖擊韌度，并需進(jìn)行全位置焊接時，應(yīng)采用堿性焊條。另外，在根部封底焊時，通常采用堿性焊條，當(dāng)對焊縫金屬的耐腐蝕性能有特殊要求時，還應(yīng)采用超級雙相不銹鋼成分的堿性焊條。對于實芯氣體保護(hù)焊焊絲，在保證焊接金屬具有良好的耐腐蝕性與力學(xué)性能的同時，還應(yīng)注意其焊接工藝性能。對于藥芯焊絲，當(dāng)要求焊縫光滑，接頭成形美觀時，可采用金紅石型或鈦-鈣型藥芯焊絲。當(dāng)要求較高的沖擊韌度或在較大的拘束條件下焊接時，宜采用堿度較高的藥芯焊絲。對于埋弧焊焊絲，宜采用直徑較小的焊絲，實現(xiàn)中小焊接規(guī)下的多層多道焊，以防止焊接熱影響區(qū)的脆化，與此同時，應(yīng)采用配套的堿性焊劑，以防止焊接氫致裂紋。焊接材料要選用比母材含鎳量高的雙相不銹鋼焊材，確保焊縫中奧氏體相占優(yōu)勢，焊縫鐵素體含量控制在30%～45%為宜。

4）焊接工藝參數(shù)的選擇  焊接線能量太大或太小都不好，一般控制在0.5～2.5 kJ/cm圍，其具體大小要根據(jù)焊件厚度選擇。一般焊接時不需要預(yù)熱，但焊件壁厚過大或環(huán)境溫度過低時，為防止冷速過快造成焊縫和熱影響區(qū)鐵素體含量過高，必要時要采取預(yù)熱措施。為避免冷卻速度過低而引起析出相的產(chǎn)生，多層/多道焊的層間溫度要控制。

5）焊接熔池及背面的保護(hù)  氣體保護(hù)焊時保護(hù)氣體中加氮可以提高焊縫的耐蝕性。有效的背面氣體保護(hù)是保證焊接質(zhì)量的前提，保護(hù)氣體的純度應(yīng)滿足工藝要求，應(yīng)采取有效的背面保護(hù)工裝，開始焊接時要對焊縫背面的氧含量進(jìn)行檢測，滿足工藝要求后才能開始焊接。

6）定位焊縫  定位焊縫焊接時，如果長度過短，焊接未建立起平衡過程即結(jié)束，焊縫冷卻會很快，可能導(dǎo)致鐵素體含量過高、低韌性并因氮化物析出而降低耐腐蝕性能。因此，如采用定位焊，對定位焊縫的最短長度應(yīng)進(jìn)行規(guī)定，且應(yīng)采用較大熱輸入?yún)?shù)。

7）焊接過程材料的保護(hù)  材料表面的弧擊和起弧，是一個瞬間的高溫過程，冷卻速度很快，表面顯微組織中鐵素體含量很高，這種組織對裂紋和腐蝕很敏感， 應(yīng)盡力避免，如果產(chǎn)生必須用細(xì)砂輪打磨去除?，F(xiàn)場焊接過程中材料的保護(hù)非常重要，應(yīng)避免碳鋼、銅、低熔點金屬或其他雜質(zhì)對不銹鋼的污染，可能情況下，不銹鋼和碳鋼管應(yīng)分開存放和焊接。焊接和切割過程中應(yīng)采取措施防止飛濺、弧擊、滲碳、局部過熱等。