S22053双相不锈钢耐蚀性能研究

赵 璐

(中石化广州工程有限公司，广东 广州 510000)

20世纪30年代初铁素体-奥氏体双相不锈钢被开发，70年代末，双相不锈钢得到发展与普及。工程中使用的双相不锈钢为a+r组织，常以奥氏体为基，并含有不少于30%的铁素体，最常见的组织为两项组织体积约各占50%，因此结合了奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特性，其抗点蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀等性能明显优于普通不锈钢，但是，双相不锈钢仍有高铬铁素体不锈钢的脆性倾向，不宜在高于300℃的工况下使用。S22053双相不锈钢是第二代新型含氮双相不锈钢, 由22%铬、3%钼和7%镍等主要元素构成，强度高且耐蚀能力强，在石油化工行业应用非常广泛。本文对S22503的耐蚀性能进行分析论述。

根据GBT20878-2007《不锈钢及耐热钢 牌号及化学成分》的要求，S22053的化学成分为C：0.03%，Si：1.0%，Mn：2.0%，P：0.03%，S：0.02%，Ni：4.5%～6.5%，Cr：22.0%～23.0%，Mo：3.0%～3.5%，N：0.14%～0.2%。

1 S22053在高硫、高酸炼油装置中的应用

根据SH/T3096-2012《高硫原油加工装置设备和管道设计选材导则》以及SH/T3129-2012《高酸原油加工装置设备和管道设计选材导则》，归纳出S22053的应用(见表1)。

表1 高硫、高酸原油装置S22053的应用

可以看出S22053主要应用为空冷器和换热器的管箱以及换热管。

2 S22053的耐蚀性能

下面以山特维克双相不锈钢实验数据为例，来分析S22053双相不锈钢的耐蚀性能，其化学成分 (%)见表2，其化学成分符合GBT20878-2007要求。

表2 山特维克双相不锈钢化学成分 %

2.1 均匀腐蚀

以下图1～图3为SAF2205和316L在不同腐蚀溶液中的腐蚀曲线。由图1可以看出SAF2205在50%醋酸与不同比例的甲酸的沸腾混合液中SAF2205的腐蚀速率小于0.15mm/year。根据不锈钢耐蚀的十级标准，在醋酸浓度低于20%时，腐蚀率小于0.1mm/year，属于耐蚀；在醋酸浓度在20%～25%时属于尚耐蚀。图2和图3为SAF2205在不同浓度硫酸和盐酸溶液中腐蚀速度为0.1mm/year时的临界温度，可以看出SAF2205的耐蚀性优于316L。

图1 在50%醋酸与不同比例的甲酸的沸腾混合液中SAF2205的腐蚀速率

腐蚀时间:1+2+3天

图2 SAF2205在硫酸中的均匀腐蚀曲线(0.1mm/a，4mpy)

图3 SAF2205在盐酸中的均匀腐蚀曲线(0.1mm/a，4mpy)

2.2 点蚀和缝隙腐蚀

点腐蚀和缝隙腐蚀是两种紧密相关的腐蚀类型，均属于局部腐蚀。点蚀是一种很危险的局部腐蚀，多发生在含有氯、溴、碘等水溶液中，产生小孔然后急剧进行腐蚀的现象，严重时会穿透钢板。当不锈钢处于含氯环境中时，在一定温度下就会发生点腐蚀。铬、 和氮对抵抗局部腐蚀能力的综合影响，经常用经验公式WS(Wirksumme)来表示，PRE值的高低可以用来预测合金在含氯化物环境中的耐腐蚀性能。

WS(PRE)=Cr%+3.3%Mo+16%N。

公式所给出的氮系数16是最经常使用的。但据文献报道也有采用其它系数的，比如Mannesmann研究院的Herbsleb博士就建议使用30。由此公式可以算出GBT20878-2007规定化学成分的S22053PRE为33.24～37.75，而S31603为22.6～27.9。

2.3 应力腐蚀开裂

图4 SAF2205在含氧中性氯化物溶液中的耐SCC能力

304L和316L标准奥氏体不锈钢在60℃以上含氯溶液中有应力腐蚀开裂(SCC)倾向。双相不锈钢对这种类型的腐蚀不敏感。实际应用和实验结果都表明双相不锈钢有良好的耐应力腐蚀开裂的性能。图4为施加与屈服强度相同应力的情况下，经过1000小时，测得的发生SCC的极限温度，曲线以下表示不会发生开裂。图5为在氯化钙溶液中的恒载应力腐蚀试验，可以看出，SAF2205较316L有更高的抗SCC能力。

图5 SAF2205在100℃，pH=1.5，40%CaCl2溶液的恒载应力腐蚀试验结果

3 S22053的耐蚀机理

对于不锈钢的研究表明，不锈钢之所以不锈是因为其在自然环境下有自钝化能力，表面生成一层钝化膜，能够阻止外界的氧原子或氢离子向金属基体扩散，使金属基体得到保护，不锈钢中组织和元素分布越均匀，钝化膜越均匀和稳定，耐点蚀性能越好。关于钝化膜的理论根据为：(1)钝化膜为双分子层膜，外层膜由一些沉积物构成，并且在金属邻近处有一杂乱的势垒，这可能会导致溶液中阳离子与阴离子的结合。(2)稳定状态下势垒层的厚度随着平均稳定态电流的改变而改变，并与外加电位成线性关系，但与钝化区内膜中阳离子氧化钛的改变无关。(3)势垒层的合金元素的隔离与金属相中势垒的生长互相作用。

氯离子与双相钢钝化膜的稳定性有着密切的关系。当溶液中存在氯离子时，氯离子会吸附在材料的表面或者部分参与钝化膜的形成，从而影响钝化膜的稳定性，导致点蚀的发生。图6为S22053在三种不同浓度NaCl溶液中的极化曲线。可以得出S22053在三种浓度NaCl溶液中的钝化区。可以看出较高的点蚀点位使得S22053具有优良的耐蚀性能。

图6 SAF2205分别在0.1%，1.0%和3.5%NaCl溶液中的极化曲线

4 影响S22053的耐蚀性能的因素

4.1 σ 相S22052耐蚀性的影响

图7 σ 相析出动力学TTT曲线

4.2 固溶和酸洗处理对S22053抗点蚀性能的影响

双相不锈钢经热处理和焊接极易析出第三相：σ 相、a相、r相以及碳化物、氮化物等，其中σ 相的析出速度最快，形成时间最短，因此σ 相是双相不锈钢中危害最大的一种析出相。σ 相是一种金属间化合物，基本为Fe-Cr-Mo，属于体心正方晶系，硬度高达900～1000HV，钢中出现少量的σ 相就会使钢的韧性和塑性急剧下降。另外，σ 相的析出会导致周围贫铬、钼，降低钢的抗蚀性。因此，σ 相可以说是钢在热加工过程中尽量避免其存在的一种有害相。大量研究认为，σ 相一般在650～950℃之间析出，850～900℃之间析出速率最快 ，图7为σ 相析出动力学曲线。其析出机理主要是共析转变，即a→σ+r2。σ 相最初在铁素体与奥氏体的界面处形核，然后向铁素内伸展并聚集成块，随着时效时间延长，a相减少，r相增多，原来的a相几乎全部分解为σ+r2，σ 相沿a/r晶界成网状分布，连续的网状能导致材料急剧脆化。此外，两相比例的变化也影响了钢材的点蚀点位，形成电偶腐蚀。

尽管S22053双相不锈钢具有优良的耐蚀性能，但是不同的热处理工艺会形成不同的a、r相的比例，不当的热处理温度还会形成有害析出相。

4.2.1 不同温度固溶处理显微组织分析

图8为S22053钢板在950℃，1050℃和1150℃固溶处理后的显微组织。白色相为奥氏体相(r相)，灰色相为铁素体相(a相)。可以看出，经950℃固溶处理后，有黑色的球状析出相；经1050℃固溶处理后，a相和r相相间分布，条状组织规则、均匀且细化；经1150℃固溶处理后，r相以近似球状均匀分布于a相机体上，a相含量明显高于r相，两相比例不均匀。

图8 a)热轧态；b)950℃固溶；c) 1050℃固溶；d)1150℃固溶

4.2.2 不同温度固溶处理耐点蚀性能分析

表3为S22053双相钢经不同温度固溶处理后的点蚀试验结果。可以看出在1050℃固溶处理后的点蚀速率最低。

表3 S22053双相钢经不同温度固溶处理后的点蚀试验

4.2.3 酸洗处理的作用

酸洗的主要目的是除去不锈钢经高温作业( 如热处理、焊接、锻造、铸造等) 产生的氧化膜, 近表贫铬层，露出不锈钢原始表面。不锈钢酸洗配方虽然不少, 但使用时一定要小心谨慎。对于不同的不锈钢制品要选用各自合适的配方, 必要时应在酸洗前进行小样试验, 效果好再投产。这样才能保证酸洗质量, 避免发生点蚀等缺陷。有耐腐蚀性要求的不锈钢, 酸洗后必须仔细钝化、中和, 以确保质量。

值得注意的是，有试验证明酸洗和固溶处理的综合效果十分显著，抗点蚀能力优秀。

5 小结

(1) S22053在不同的酸性溶液中的耐蚀性能优于S31603,抗点蚀系数PRE也大于S31603，说明其耐蚀性高于普通奥氏体不锈钢。

(2) σ相为S22053双相钢中的有害相，组织中不允许存在σ相。

(3) 热处理工艺和温度对S22053双相不锈钢的影响较大，建议固溶温度取1050～1100℃，保温结束后快速冷却。