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耐蝕性能優異的SAF 2707 HD雙相鋼
來源: | 作者:pmo181730 | 發布時間: 2019-04-04 | 1509 次瀏覽 | 分享到:
標準雙相不銹鋼被廣泛應用于高溫含氯化物的環境,其使用已超過30年。然而,隨著工廠設備要求的提高,特別是海水環境和氯化處理應用領域,顯然需要一種新的鋼種以應對日益增長的苛刻操作條件。
與標準雙相不銹鋼相比,山特維克SAF 2507(UNS S32750)的耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能有很大的改善。已經證明,該材料是一種優異的適用于海水環境設備(如海水冷卻器)使用的材料。然而,在一些小設備器件上,如利用熱海水的熱交換器和泠凝器設備,由于會沿著這種設備的縫隙形成很多沉積,故這種設備多青睞于使用鎳合金。
  標準雙相不銹鋼被廣泛應用于高溫含氯化物的環境,其使用已超過30年。然而,隨著工廠設備要求的提高,特別是海水環境和氯化處理應用領域,顯然需要一種新的鋼種以應對日益增長的苛刻操作條件。
  與標準雙相不銹鋼相比,山特維克SAF 2507(UNS S32750)的耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能有很大的改善。已經證明,該材料是一種優異的適用于海水環境設備(如海水冷卻器)使用的材料。然而,在一些小設備器件上,如利用熱海水的熱交換器和泠凝器設備,由于會沿著這種設備的縫隙形成很多沉積,故這種設備多青睞于使用鎳合金。
1、新一代不銹鋼
  為了解決這種情況,山特維克公司在大力開發明顯改善耐腐蝕性能新一代不銹鋼方面做了很多工作。
  山特維克公司開發出一種高合金、雙相(奧氏體-鐵素體)不銹鋼山特維克SAF 2707 HD(UNS S32707),稱之為頂級雙相不銹鋼。與其他雙相不銹鋼相比,SAF 2707 HD表現出優異的耐點蝕、耐縫隙腐蝕性能,特別是在氯化海水中,這些性能優于或相當于許多鎳合金。
  該頂級不銹鋼的性能超過了現有的超級雙相不銹鋼。與超級雙相不銹鋼SAF 22507(UNS S32750)和6Mo奧氏體不銹鋼UNS S31254相比,該鋼在氯化物溶液中的耐腐蝕性能得到很大的改善,更適用于酸蝕、含氯環境。這使得該鋼非常適用于過程工業,如煉油設備、石油化工設備和化學設備使用的管殼式換熱器,特別適用于熱海水環境。
2 、化學成分
  山特維克SAF 2707 HD的高耐蝕性主要是因為它的化學成分(見表1)以及鉻(Cr)、鉬(Mo)和氮(N)的含量,詳見表1。
表1 SAF 2707 HD的化學成分&
山特維克鋼種
UNS
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
其他元素
PRE
超級-雙相-SAF 2507
S32750
≤0.030
≤0.8
≤1.2
≤0.035
≤0.015
25
7
4
N=0.3
43
超級-雙相-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
 
  鉻是一種提高不銹鋼耐一般腐蝕和耐局部腐蝕的最普通的元素(見表2)。相比之下,合金625鎳合金含有21%的Cr,山特維克公司的超級雙相不銹鋼SAF2205含有22%的Cr。山特維克SAF 2707 HD化學成分中27%的Cr使得該鋼具有較高的腐蝕性能。
表2 一些普通不銹鋼鋼種的合金成分
鋼種
ASTM
UNS
Cr
Mo
N
PRE
山特維克3R12
304L
S30403
18
-
-
18
山特維克3R60TM
316L
S31603
17.5
2.6
-
26
山特維克SAF 2304
-
S32304
23
0.3
0.1
26
山特維克3R64
317L
S31703
18.5
3.1
-
29
Sanicro 41
-
N08825
20
2.6
-
29
山特維克2RK65
904L
N08904
20
4.5
-
35
山特維克SAF 2205
-
S31803
22
3.1
0.2
35
Sanicro 28
-
N08028
27
3.5
-
38
山特維克254SMOTM
-
S31254
20
6
0.2
43
山特維克SAF 25074
-
S32750
25
4
0.3
43
山特維克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
 
  山特維克SAF 2707 HD的顯著特征包括:與許多鎳合金,如含有高達10%Mo的合金625相比,它含有相對較低的鉬含量(4.8%)。4.8%的Mo含量更類似于超級雙相不銹鋼,如含有3.1%Mo的SAF 2205。頂級雙相不銹鋼具有一種平衡的化學成分,使其組織為50%鐵素體和50%奧氏體,這種組織決定了該鋼在諸如海水、中鹽和鹵水的含氯介質中有較高的耐點蝕和耐縫隙腐蝕性。
  化學成分可以顯著改善鎳合金微觀組織的多變形和不穩定性。鎳對不銹鋼的耐腐蝕性幾乎沒有影響,但鎳是一種重要的奧氏體穩定元素。因為氮也穩定奧氏體相,山特維克SAF 2707 HD的鎳含量很低,僅為6.5%。這種方式實現的雙相組織(奧氏體-鐵素體)使該鋼具有更好的力學性能和物理性能并易于制造。
  頂級雙相不銹鋼如山特維克SAF 2707 HD被設計用于高腐蝕條件。其最初是作為一種替代超級雙相鋼的先進鋼種而研發的,但山特維克頂級雙相鋼的性能甚至好于預期。試驗清楚地表明,在腐蝕環境中,該材料作為一種高強度、耐腐蝕且成本有效的材料,可以用作鎳合金的替代材料。
  提高的耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能是化學成分中鉻、氮和鉬三種元素結合的直接結果。雙相材料中,為了防止腐蝕侵蝕弱項,重要的事兩相有相似的耐點蝕當量(PRE)值。新鋼種給出的名義PRE值為48,該值大大高于普通使用的超級雙相不銹鋼。
3、耐腐蝕性
  所有從現有鋼種中獲得的經驗都被用于優化操作性能,特別是在含氯環境下。
  如前所述,點蝕和縫隙腐蝕比一般腐蝕更有害。這類腐蝕通常難以被發現,直至這類腐蝕引起嚴重破壞時才被發現,從而導致熱交換器管子滲漏,引起系統失效。為此,在新鋼種研發階段需要進行廣泛研究,以確定其耐腐蝕性和在所應用領域的適用性。
  根據ASTM G48,在6%的FeCl3中對不銹鋼進行更苛刻的點蝕和縫隙腐蝕試驗。在試驗的修改版本中,SAF 2707 HD暴露在溶液中,以2.5℃/24h的速度逐漸升溫,直至觀察到腐蝕。試驗確認,SAF 2707 HD的臨界電視溫度(CPT)約為97.5℃。而超級雙相不銹鋼SAF 2507(UNS S32750),相應的臨界點蝕溫度約為80℃。
  在裝有人工縫隙材料的試驗樣品上進行縫隙腐蝕試驗。SAF 2707 HD的臨界縫隙腐蝕溫度也大大高于UNS S32750。
  腐蝕的形成發生在金屬小裂紋上,并且在凹緣接頭、沉積物下面、表面或者焊縫都有不完全的滲透。
  用恒電位試驗測定了不同鋼種臨界點蝕溫度(CPT)。圖1給出了臨界點蝕溫度隨氯化鈉溶液濃度變化的情況。測量時施加的電位為600mV SCE,相當于ASTM G48試驗中所采用的氧化還原電位。含有氯化物的介質中一般不會有如此高的電位。因此,煉油設備過程流中的含氯介質或未經氯化的海水,其可能的使用溫度通常會高于這些試驗中測得的臨界點蝕溫度(CPT)。


圖1 氯化鈉溶液濃度在3%到25%范圍內變化時的臨界點蝕溫度(CPT)

  為了確定SAF 2707 HD鋼的耐腐蝕性,在較低pH的酸性溶液中,采用了一種稱為死神(Green death)的測試溶液,即1%FeCl3+1%CuCl2+11%H2SO4+1.2%HCl。SAF 2707 HD材料的臨界點蝕溫度比SAF 2507高25℃,比6Mo+N鋼高27.5℃。
  一般腐蝕會限制任何不銹鋼的服役壽命。在有機酸(甲酸HCOOH和醋酸CH3COOH)中,頂級雙相鋼表現出較高的耐腐蝕性能。
  該鋼種在替代高合金奧氏體不銹鋼和鎳基合金方面非常具有競爭性。標準奧氏體不銹鋼的腐蝕速率較高。

4、耐應力腐蝕性
  在工業應用過程中,應力腐蝕裂紋(SCC)是最嚴重的腐蝕形式之一,它能導致金屬快速失效。在那些氯化物含量相對較低的環境下,標準奧氏體鋼也會發生裂紋。圖2比較了不同鋼種耐腐蝕的能力。SAF 2707 HD表現出更優異的奶氯化物腐蝕性,甚至在高溫的環境中亦是如此。


圖2 SAF 2507和SAF 2707 HD的耐蝕性比較

  試樣進行了為期六周的試驗,試驗槽內泵入新鮮的NaCl溶液。試驗證明,在高達10000ppmCl-/250℃的環境下試樣沒有任何應力腐蝕裂紋(SCC)跡象。這表明,SAF 2707 HD能為過程工業使用的臨界熱交換器提供理想的耐氯化物SCC性能。

5、力學性能
  SAF 2707 HD的雙相組織結構賦予了該鋼較高的屈服強度,其屈服強度大約是有相應耐點蝕性奧氏體不銹鋼的兩倍。由于該鋼有較高的強度,可以大量減少管材的壁厚,從而降低了設備的重量,減少了建筑成本。
熱交換器管道用退火態鋼的強度值如下:
  屈服強度:Rp0.2最小為700MPa(最小101ksi);
  抗拉強度:Rm920-1100MPa(133-160ksi);
  延伸率:最小25%;
  硬度:≤34HRC。

6、沖擊強度
  山特維克SAF 2707 HD有較高的沖擊強度。與其他鐵素體基體的雙相不銹鋼一樣,SAF 2707 HD在較低溫度下也會變脆。較高溫度也同樣如此,這是由于較高溫度下475℃脆變的鐵素體相分解。該鋼的操作溫度范圍約為-50℃到300℃。

7、焊接性
  該鋼種有較高的延展性,這意味著該鋼沒有特殊的加工要求。由于其較高的強度,彎曲力高于標準奧氏體不銹鋼。冷彎可采用常規彎曲方法,高的延展性意味著可以將其彎曲至非常接近彎曲半徑的程度,這使得該鋼成為熱交換器管道的理想用材??刹捎妹浌苤凉馨宓某R幏椒?,但在第一步的部分膨脹時需要較大的初始力。在高氯離子濃度環境下使用時,應該焊接管與管板接頭,以減少縫隙腐蝕的風險。
  應用時,該鋼有較好的焊接性,在熱影響區重新形成的奧氏體對性能有利,焊接接頭有優異的強度和耐腐蝕性。
  推薦采用氮氣保護氣氛的TIG焊接,使用匹配的填充金屬,以獲得最佳的耐腐蝕性和力學性能。

8 、操作實例
  已進行的相關設計和研發都是為了提高熱交換器在苛刻腐蝕環境的操作性能,并延長其服役壽命,已經進行操作的鋼種正在獲得更長的運行時間。為了驗證新鋼種并獲得工業參考信息,已經在超時的多種煉油應用中對SAF 2707 HD熱交換器管道進行評估。
  幾年前,美國一家煉油廠在常壓蒸餾裝置上采用SAF 2707 HD重新制備頂泵周圍熱交換器管束。
  大量低質量原油中的氯離子侵蝕和增加的腐蝕使得使用環境更加惡劣,用于這種環境的碳管壽命期望值為9個月。迄今為止,山特維克的鋼管運行良好,沒有出現腐蝕問題。
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