海水泵双相不锈钢材料选材分析

王强

摘 要：由于浙江LNG项目周边海水水质含沙量高，对海水泵用材料要求比较苛刻。需要选择即能抵抗海水腐蚀，又能抵抗高含砂海水的冲蚀的材料。

关键词：海水泵；双相钢

1 概述

浙江省LNG接收站项目采购共5台流量为7550M3/h，扬程43.9米的进口海水泵。因项目周边海水水质较差，含有大量泥沙，同时考虑海水的腐蚀，为保障采购的海水泵满足严苛的工况要求，需要针对目前可能采用的海水泵材料进行比选研究，研究情况如下。

目前海水泵过流部件的主要应用材质有：300系列不锈钢、高性能合金、双相钢（超级双相钢）等。因篇幅所限，300系列不锈钢和高性能合金等材料不再详述，下文主要就新兴材料双相不锈钢材料进行表述。

2 双相不锈钢材料性能

所谓双相不锈钢是在它的金相组织中铁素体相和奥氏体相的比例约各占一半，一般较少相的含量也需要达到30%以上。双相不锈钢是一类集优良的耐腐蚀、高强度和易于加工制造等诸多优异性能于一身的钢种。它的物理性能介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间，但更接近于铁素体不锈钢和碳钢。

2.1 耐蚀性能

a）耐孔蚀性能：

在特殊的氯化物环境中，每一种不锈钢都可用一温度来表述其特征，高于此温度孔蚀开始出现，并且在24小时之内可发展成肉眼可见的大小。低于此温度即所谓的临界孔蚀温度（CPT）。对于不同牌号的CPT通常以一个温度范围来表示。

b）耐缝隙腐蚀性能：

缝隙腐蚀也有一个类似的临界温度，称为临界缝隙腐蚀温度（CCT）。CCT与不锈钢不同式样、氯化物环境和缝隙的形状（缝隙的宽度、深度等）有关。在同样的腐蚀环境中CCT往往比CPT低15～20℃。

双相不锈钢中的高铬、钼和氮使其在水的环境中具有非常好的耐氯化物局部腐蚀性能。在这方面，即使是极低合金化的双相不锈钢牌号和优于316型钢，一些牌号甚至跻身于高性能不锈钢的行列。材料焊接态的临界温度要低一些。较高的临界孔蚀和缝隙腐蚀温度表明该钢对这种类型腐蚀的成核具有较大的抗力。2205钢的CPT和CCT都高于316型钢。这使2205钢成为有多方面用途的材料。

c）耐应力腐蚀断裂性能：

双相不锈钢最早期的某些应用是基于它们耐氯化物应力腐蚀断裂（SCC）的性能。与具有类似耐氯化物应力孔蚀和缝隙腐蚀性能的奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢表现出明显优越的耐应力腐蚀断裂性能。

2.2 力学性能

双相不锈钢力学性能优异，它们在固熔状态下的室温屈服强度比未添加氮的标准奥氏体不锈钢高两倍多，这样在某些应用中就可以减少壁厚。

尽管双相不锈钢强度高，但它们表现出良好的塑性和韧性。与碳钢或铁素体不锈钢相比，双相不锈钢塑性-脆性的转变是渐进的。双相不锈钢即使在低温如-40℃下仍保持良好的韧性，但是双相不锈钢的韧性和塑性相比奥氏体不锈钢低。奥氏体不锈钢一般没有塑性-脆性转变，在低至深冷温度条件下仍保持优异的韧性。

双相不锈钢在常温下具有较高的冲击韧性，但是在300℃以上的环境中持续长时间工作，材料金相组织会发生变化，从而导致冲击韧性下降。因此国外压力容器相关标准将250℃～280℃作为它的极限使用温度。另外，-50℃又是双相不锈钢低温脆性转变温度，因此-40℃～250℃是双相不锈钢的适宜工作温度。

3 与奥氏体不锈钢的比较

由于两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，使双相钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。

3.1 优势

a）屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，塑韧性较好；

b）具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中；

c）在许多介质中应用最普遍的S31803（2205）双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的316L奥氏体不锈钢；

d）具有良好的耐局部腐蝕性能和疲劳腐蚀性能；

e）比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，和碳钢接近，适合与碳钢连接；

f）不论在动载或静载条件下，比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力，这对结构件应付突发事故如冲撞，爆炸等，双相不锈钢优势明显，有实际应用价值。

3.2 弱势

a）应用的普遍性与多面性不如奥氏体不锈钢，例如其使用温度必须控制在250摄氏度以下；

b）其塑韧性较奥氏体不锈钢低；

c）存在中温脆性区，需要严格控制热处理和焊接的工艺制度。

4 与铁素体不锈钢的比较

4.1 优势

a）综合力学性能比铁素体不锈钢好，尤其是塑韧性；

b）除耐应力腐蚀性能外，其他耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢；

c）冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢；

d）焊接性能也远优于铁素体不锈钢，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。应用范围较铁素体不锈钢宽。

4.2 弱势

合金元素含量高，价格相对高，一般铁素体不含镍。

综上所述，可以概括地看出双相钢具有优越的力学与耐腐蚀综合性。

5 与超级双相钢的比较

双相钢S31803是较普遍的钢种，超级双相钢中则以S32750为代表。

5.1 成分表和机械性能参数

5.2 双相钢和超级双相钢应用比较

超级双相不锈钢也已在油、气工业中使用，如UR52N+ 已用在北海油田的油气集合管和输送管线，SAF2507钢用的阿拉斯加、北海、墨西哥湾等地的油气井生产，海上采油平台设施以及油气输送管线等，多用在没有缓蚀剂的苛刻酸性环境。

目前就热海水用钢而言，大多数都是使用25Cr-3Mo型的双相不锈钢，当然超级双相不锈钢有更好的使用效果，例如SAF2507钢制造的海水热交换器，壳程是含有少量氟化物的丁烷（入口温度80℃，出口温度30℃），管程是海水，工艺温度可能从40℃升至80℃，钛管因不耐F-腐蚀，只能用3个月，SAF2507使用3年后仍未发现腐蚀。北海采油平台上的管道系统使用的是Zeron100钢，海水出口温度可达60～65℃，也未发现腐蚀问题，而使用6%Mo的奥氏体不锈钢时，在此温度会产生应力腐蚀断裂。

6 结论

根据以上分析，海水泵材料采用双相不锈钢或更高级的超级双相钢作为海水泵过流部件，即满足抵抗海水腐蚀要求，又具备抵抗海水中泥沙的冲蚀的能力，是适合海水环境下新兴的泵体过流部件材料。