造船业三大指标我國(guó)继续保持全球第一！

编者按：中國(guó)船舶工业行业协会1月16日公布：2021年，造船业三大指标我國(guó)继续保持全球第一，实现了“十四五”的开门红。此外，据中國(guó)船舶工业行业协会预测，2022年我國(guó)造船完工量将超过4000万载重吨。

在这份新(xīn)出炉的成绩单上，造船完工量、新(xīn)接订单量、手持订单量中國(guó)船舶企业分(fēn)别占世界总量的50%左右，继续保持全球第一。其中，我國(guó)最大的船舶企业中國(guó)船舶集团，2021年三大造船指标首次全面超越韩國(guó)现代重工，成為(wèi)全球最大的造船集团，实现完工交付船舶206艘，占到全球市场份额的20.2%，实现新(xīn)接订单合同金额1301.5亿元，创下自2008年以来的最新(xīn)纪录。

2021年，我國(guó)船企承接了全球72.7%的化學(xué)品船订单，而这一订单的大幅增加直接带动了对双相不锈钢的需求。今天我们来普及一下双相不锈钢的相关知识。

何為(wèi)双相不锈钢

所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素體(tǐ)相与奥氏體(tǐ)相约各占一半，一般量少相的含量也需要达到30%。在含C较低的情况下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有(yǒu)些钢还含有(yǒu)Mo、Cu、Nb、Ti，N等合金元素。该类钢兼有(yǒu)奥氏體(tǐ)和铁素體(tǐ)不锈钢的特点，与铁素體(tǐ)相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能(néng)和焊接性能(néng)均显著提高，同时还保持有(yǒu)铁素體(tǐ)不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有(yǒu)超塑性等特点。与奥氏體(tǐ)不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物(wù)应力腐蚀有(yǒu)明显提高。

产品特性：

强度高，屈服强度為(wèi)18-8型不锈钢的两倍；

良好的耐孔蚀性能(néng)及耐氯化物(wù)应力腐蚀性能(néng)；

焊接热裂纹倾向小(xiǎo)；

导热系数大，線(xiàn)膨胀系数小(xiǎo)，适合制造设备的衬里、热交换器的管芯和生产复合板；

加工硬化率高；

高能(néng)量吸收，抗冲击性好。

双相不锈钢具有(yǒu)良好的焊接性能(néng)，与铁素體(tǐ)不锈钢及奥氏體(tǐ)不锈钢相比，它既不像铁素體(tǐ)不锈钢的焊接热影响區(qū)，由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低，也不像奥氏體(tǐ)不锈钢那样，对焊接热裂纹比较敏感。

双相不锈钢由于其特殊的优点，广泛应用(yòng)于石油化工设备、海水与废水处理(lǐ)设备、输油输气管線(xiàn)、造纸机械等工业领域，近些年来也被研究用(yòng)于桥梁承重结构领域，具有(yǒu)很(hěn)好的发展前景。

双相不锈钢的发展历史

上世纪30年代就已在瑞典的试验室中研制出双相不锈钢（3RE60、Uranus50等），但是双相不锈钢真正产业化还是在上世纪60年代以后，其发展经历了3代历程。20世纪70年代以来双相不锈钢作為(wèi)耐局部腐蚀的结构材料，其应用(yòng)和开发极其迅速，不论作為(wèi)耐中性氯离子的应力腐蚀材料、耐氯化物(wù)的孔蚀与缝隙腐蚀材料等的腐蚀疲劳材料，还是在其他(tā)别的方面，双相不锈钢凭借其组织结构上的优点，已取代了304L、316L，甚至904L等奥氏體(tǐ)不锈钢。

太钢是从上世纪80年代开始双相不锈钢的工艺研究及品种开发。当时主要的双相不锈钢品种有(yǒu)两种：苏联的牌号1Cr21Ni5Ti，主要用(yòng)于制作火箭发动机燃烧室的尾喷管；瑞典的3Re60锻件及中板，主要用(yòng)于化肥行业（如甲胺泵泵體(tǐ)、制盐复合板等）。随着國(guó)家重点工程的建设，特别是長(cháng)江三峡水利工程不锈钢复合板的设计需求，太钢开始了2205双相不锈钢的研制，此后陆续开发成功2101、2304、2507、S32760、S32906等系列双相不锈钢，在國(guó)内多(duō)领域及涉外工程中得到批量应用(yòng)（表1）。

表1  太钢双相不锈钢主要的品种及典型成分(fēn)/%

太钢成功研发的双相不锈钢填补行业空白

2021年3月，國(guó)内某钢管公司咨询太钢营销中心，提出φ570mm超大直径双相不锈钢管坯采購(gòu)需求。双相不锈钢制造技术难度大，应用(yòng)领域广，在太钢一直被定為(wèi)公司战略产品重点发展。对于此次海洋平台工程需要的厚壁管，以往均采用(yòng)厚钢板焊接而成，而无缝钢管相对于焊接钢管，在安全性方面大幅提升，但所使用(yòng)的超大直径双相不锈钢管坯，因受设备能(néng)力、工艺条件的制约，此前属行业空白。

接到用(yòng)户需求信息，太钢技术中心牵头，联合营销中心、制造部、生产厂成立攻关团队，快速与用(yòng)户对接，详细了解产品最终用(yòng)途和使用(yòng)要求，并根据钢种特性、成品要求、技术难点，在高洁净度冶炼、关键元素的精确控制、大钢锭组合锻造、大直径管坯热处理(lǐ)组织调控等关键环节进行针对性设计，全过程跟踪，历时3个月，成功开发了600吨包括最大直径為(wèi)φ570mm在内的双相不锈钢系列管坯，并取得了DNV船级社和Nosork-M650等具有(yǒu)國(guó)际影响力的第三方认证，填补了行业空白，為(wèi)最终生产出满足海洋工程用(yòng)双相不锈钢无缝管奠定了坚实基础。

在2021年10月20日苏州举行的易派客工业品展、石油石化工业展览会上，使用(yòng)了太钢φ570mm超大直径双相不锈钢管坯生产的厚壁80mm无缝钢管，吸引了众多(duō)國(guó)内外石油石化业界人士驻足咨询。

双相不锈钢的加工性能(néng)

应用(yòng)较多(duō)的加工方法有(yǒu)冶炼、铸造、热变形加工、冷变形加工、机加工、热处理(lǐ)、焊接等。

1）冶炼。双相不锈钢的冶炼比奥氏體(tǐ)或铁素體(tǐ)钢的难度大，控制要求高。目前，双相不锈钢最低要求应采用(yòng)或进行精炼的。

2）铸造。基于与冶炼同样的道理(lǐ)，铸造难度也大于一般奥氏體(tǐ)和铁素體(tǐ)钢材，而且难度比冶炼更大。除此之外，由于两相组织的原因，在浇铸时还要采取有(yǒu)效的措施，以避免比奥氏體(tǐ)钢更容易出现的铸造裂纹两相凝固差别的原因、气孔加氮的原因等问题。

3）热变形加工。双相不锈钢具有(yǒu)的两相组织使其热变形加工的难度要遠(yuǎn)大于奥氏體(tǐ)不锈钢。冷变形加工。双相不锈钢的冷变形加工的难度要遠(yuǎn)大于奥氏體(tǐ)不锈钢。

4）热处理(lǐ)。就常用(yòng)的工程材料而言，都不存在较大的加工难度，双相不锈钢也不例外。热处理(lǐ)对双相不锈钢性能(néng)还有(yǒu)一些特殊影响。①不同的热处理(lǐ)参数，可(kě)得到不同的相比例，直接影响钢材性能(néng)。②通过热处理(lǐ)，可(kě)以改变加工过程中的元素分(fēn)配比例，改善甚至消除加工过程中次生相带来的不利影响，从而影响到钢材的最终机械性能(néng)和耐腐蚀性能(néng)等。③热处理(lǐ)过程也会使钢材产生新(xīn)的次生相，也会导致元素在各相中的重新(xīn)分(fēn)配。因此，不恰当的热处理(lǐ)会使钢材的性能(néng)恶化。

最早限制双相不锈钢应用(yòng)的主要原因就是焊接问题，而工程上又(yòu)往往不可(kě)避免焊接过程。

双相不锈钢焊接的难点就在于其焊接接头是否仍能(néng)获得与母材相同或相近的两相组织,，这也是保证焊接接头是否具有(yǒu)与母材同样性能(néng)（包括力學(xué)性能(néng)和耐腐蚀性能(néng)）等的关键所在。这里所说的焊接接头包括焊缝熔合區(qū)、高温热影响區(qū)（HTHAZ）和低温热影响區(qū)（LTHAZ）。

1）焊缝熔合區(qū)。该區(qū)域的两相组织相对容易控制，即通过选择合适的焊接材料就能(néng)做到。

2）高温热影响區(qū)。它是指具有(yǒu)约1250℃熔点这一温度特征的區(qū)域。这一區(qū)域很(hěn)窄，却是其相组织最难控制的一个區(qū)域。因為(wèi)母材的成分(fēn)不能(néng)因其而有(yǒu)过多(duō)的奥氏體(tǐ)形成元素，而该區(qū)域的温度特征又(yòu)使其高温铁素體(tǐ)在冷却过程中部分(fēn)得不到向奥氏體(tǐ)转化。应采用(yòng)较大的焊接線(xiàn)量，使焊缝冷却速度降低，使高温铁素體(tǐ)有(yǒu)一定的时间向奥氏體(tǐ)转化，从而使相组织均衡。

3）低温热影响區(qū)。由于该區(qū)域的温度较低，不足以引起基本相的变化，但可(kě)能(néng)会发生二次相的产生。因此，采用(yòng)合适的焊接線(xiàn)量并控制层间温度是防止低温热影响區(qū)性能(néng)变坏的主要手段。

2205双相不锈钢的焊接工艺

為(wèi)了取得良好的焊接质量，焊接人员应掌握双相不锈钢的焊接特点和注意事项，另外从腐蚀的角度来看，焊接接头总是不锈钢结构的最薄弱环节，实际上管道最终的耐蚀水平是由焊工决定的，為(wèi)了尽可(kě)能(néng)的取得良好的结果，焊接操作过程应当遵守一些基本规则。总结出的SAF2205 DSS一些关键技术如下。

1）焊前准备  采用(yòng)机加工制备试板坡口，用(yòng)不锈钢专用(yòng)砂轮片打磨坡口及坡口两侧各30mm围，并用(yòng)丙酮清洗，以除去氧化膜、油污。

2）焊接方法  一般的焊接方法，如焊条電(diàn)弧焊、钨极氩弧焊和熔化极气體(tǐ)保护焊埋弧焊等，都可(kě)用(yòng)于双相不锈钢的焊接。焊条電(diàn)弧焊时最常用(yòng)的焊接工艺方法，其特点灵活方便，并可(kě)实现全位置焊接，因此焊条電(diàn)弧焊是焊接修复的常用(yòng)工艺方法。钨极氩弧焊的特点是焊接质量优良，自动化的焊接效率也较高，因此广泛用(yòng)于管道的封底焊缝及薄壁管道的焊接。钨极氩弧焊的保护气體(tǐ)通常采用(yòng)纯Ar，当进行管道封底焊时，应采用(yòng)Ar+2%N2 或Ar+5%N2保护气體(tǐ)，同时还应采用(yòng)纯Ar或高纯N进行焊缝背面保护，以防止根部焊道的铁素體(tǐ)化。熔化极气體(tǐ)保护焊的特点是较高的熔敷效率，即可(kě)采用(yòng)较灵活的半自动焊，也可(kě)实现自动焊。

3）焊材的选择  对于焊条電(diàn)弧焊，根据耐腐蚀性，接头韧性的要求即焊接位置，可(kě)选用(yòng)酸性或碱性焊条。采用(yòng)酸性焊条时，脱渣优良，焊缝光滑，接头成形美观，但是焊缝金属的冲击韧性较低，于此同时，為(wèi)了防止焊接气孔及焊接氢致裂纹需严格控制焊条中的含氢量。当要求焊缝金属具有(yǒu)较高的冲击韧度，并需进行全位置焊接时，应采用(yòng)碱性焊条。另外，在根部封底焊时，通常采用(yòng)碱性焊条，当对焊缝金属的耐腐蚀性能(néng)有(yǒu)特殊要求时，还应采用(yòng)超级双相不锈钢成分(fēn)的碱性焊条。对于实芯气體(tǐ)保护焊焊丝，在保证焊接金属具有(yǒu)良好的耐腐蚀性与力學(xué)性能(néng)的同时，还应注意其焊接工艺性能(néng)。对于药芯焊丝，当要求焊缝光滑，接头成形美观时，可(kě)采用(yòng)金红石型或钛-钙型药芯焊丝。当要求较高的冲击韧度或在较大的拘束条件下焊接时，宜采用(yòng)碱度较高的药芯焊丝。对于埋弧焊焊丝，宜采用(yòng)直径较小(xiǎo)的焊丝，实现中小(xiǎo)焊接规下的多(duō)层多(duō)道焊，以防止焊接热影响區(qū)的脆化，与此同时，应采用(yòng)配套的碱性焊剂，以防止焊接氢致裂纹。焊接材料要选用(yòng)比母材含镍量高的双相不锈钢焊材，确保焊缝中奥氏體(tǐ)相占优势，焊缝铁素體(tǐ)含量控制在30%～45%為(wèi)宜。

4）焊接工艺参数的选择  焊接線(xiàn)能(néng)量太大或太小(xiǎo)都不好，一般控制在0.5～2.5 kJ/cm围，其具體(tǐ)大小(xiǎo)要根据焊件厚度选择。一般焊接时不需要预热，但焊件壁厚过大或环境温度过低时，為(wèi)防止冷速过快造成焊缝和热影响區(qū)铁素體(tǐ)含量过高，必要时要采取预热措施。為(wèi)避免冷却速度过低而引起析出相的产生，多(duō)层/多(duō)道焊的层间温度要控制。

5）焊接熔池及背面的保护  气體(tǐ)保护焊时保护气體(tǐ)中加氮可(kě)以提高焊缝的耐蚀性。有(yǒu)效的背面气體(tǐ)保护是保证焊接质量的前提，保护气體(tǐ)的纯度应满足工艺要求，应采取有(yǒu)效的背面保护工装，开始焊接时要对焊缝背面的氧含量进行检测，满足工艺要求后才能(néng)开始焊接。

6）定位焊缝  定位焊缝焊接时，如果長(cháng)度过短，焊接未建立起平衡过程即结束，焊缝冷却会很(hěn)快，可(kě)能(néng)导致铁素體(tǐ)含量过高、低韧性并因氮化物(wù)析出而降低耐腐蚀性能(néng)。因此，如采用(yòng)定位焊，对定位焊缝的最短長(cháng)度应进行规定，且应采用(yòng)较大热输入参数。

7）焊接过程材料的保护  材料表面的弧击和起弧，是一个瞬间的高温过程，冷却速度很(hěn)快，表面显微组织中铁素體(tǐ)含量很(hěn)高，这种组织对裂纹和腐蚀很(hěn)敏感， 应尽力避免，如果产生必须用(yòng)细砂轮打磨去除。现场焊接过程中材料的保护非常重要，应避免碳钢、铜、低熔点金属或其他(tā)杂质对不锈钢的污染，可(kě)能(néng)情况下，不锈钢和碳钢管应分(fēn)开存放和焊接。焊接和切割过程中应采取措施防止飞溅、弧击、渗碳、局部过热等。