浅谈S32101和S32205双相不锈钢性能对比及核电应用研究

浅谈S32101和S32205双相不锈钢性能对比及核电应用研究

邓克剑

（中国核工业二四建设有限公司）

摘要：本文主要从S32101和S32205双相不锈钢的市场应用前景、化学成分、力学性能、焊接特性、工艺要求和耐腐蚀性能以及核电应用情况作了基础的市场及资料调研。对两种钢材进行了对比研究，从而初步确定S32101材质更适合于“华龙一号”ACP1000核电机组不锈钢水池覆面板的制作和安装。

关键词：S32101S32205双相不锈钢焊接特性焊接工艺耐腐蚀性核电应用

1.引言

双相不锈钢由于其具有铁素体和奥氏体双相组织，性能介于铁素体和奥氏体不锈钢之间，并且抗晶间腐蚀能力远高于其他不锈钢，因此目前在化工、制药、造纸、海水泵、环保、核电等行业应用于抗腐蚀要求较高的项目。在投资巨大的核电站建设项目中，经济性和可靠性是最核心的问题。在核建材料方面，如何既节约成本，又充分保障材料的可靠性，对钢材提出了较高要求，也涌现出了一些新的材料。这之中，双相不锈钢因兼顾了经济性和可靠性，是最具代表性的。目前AP1000堆型大都是采用S32101不锈钢来制造的，而“华龙一号”ACP1000堆型是用S32101还是用S32205需要大量的试验数据来选择最优材质。

2.S32101和S32205双相不锈钢的市场应用前景介绍

双相不锈钢已成为一种重要的工程材料,广泛应用于石油、天然气和化工等领域。双相不锈钢具有优良的综合性能,如高强度、高抗疲劳强度、低温高韧性、耐孔蚀性和对应力腐蚀裂纹不敏感等,在-50～280℃范围内具有优良的力学性能和焊接性能。双相不锈钢无论在生产还是加工方面都逐渐成熟,不仅钢种和产品种类齐全、质量高而且有价格竞争力,有望成为奥氏体不锈钢的替代产品。

2.1S32101双相不锈钢市场应用情况

国内外S32101双相不锈钢多应用在制造热交换器，蒸发器，国内主要用在尿素装置，制造有耐腐蚀疲劳性能要求的甲铵泵体，阀门等部件。双相不锈钢相比普通的奥氏体不锈钢抗应力腐蚀断裂的能力要强很多，所以多应用在有腐蚀介质的溶液的环境中。含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。在具有相同的孔蚀抗力当量值（PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%）时，双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位相仿。双相不锈钢与奥氏体不锈钢耐孔蚀性能与AISI316L相当。含25%Cr的，尤其是含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了AISI316L。双相不锈钢提供了更高的硬度和更好的耐氯离子应力腐蚀开裂。锰元素的应用保持了铁素体和奥氏体的相位平衡，镍元素在材料中相对较少，因此在价格上S32101比其他双相不锈钢比更有竞争优势。并且在考虑同等强度300系列不锈钢的时候，使用S32101的重量更轻，重量上的减少可以大幅度的降低零部件的材料和生产的成本。随着双相不锈钢制造技术越来越成熟，S32101双相不锈钢未来在造船、核电、石化等高端行业的使用率会越来越广泛。

2.2S32205双相不锈钢市场应用情况

S32205双相不锈钢在国外多用于桥梁，如美国俄勒冈州（OREGON）COOS海湾大桥，长235m，宽20m，设计寿命120年，用双相钢SAF2205，用钢365吨。以及应用于汽车，如双相钢（S32205）结构的林肯超长轿车。在美国西屋公司设计的第三代核电非动能先进压水堆AP1000模块中也有少量应用。

全世界双相不锈钢产量的80%是2205双相不锈钢。随着2205双相不锈钢在我国的大量推广使用,越来越多的化工反应器、换热器、储存容器和管道等都用其制造。由于该钢的抗拉强度下限标准值达540MPa,可用来制造三类压力容器,对它的制造、检验和使用国家都有严格的标准法规。海上化学品船

S32205双相不锈钢是目前工程领域用的最多的，至于在核电行业制造中能否符合标准使用要求还需要大量试验及研究来证实。

3.两种双相不锈钢在核电应用研究

3.1S32101双相不锈钢核电应用研究

在AP1000核电站建设中大量运用模块化建造，这些模块的主要结构为钢结构，其中不少模块需要与换料水池、燃料槽、燃料水储存箱等易腐蚀液体介质相接触，形成潮湿接触面。在选择制造这些结构模块的材料中就大量使用了一种ASTMA240/240M标准下牌号为UNSS32101的双相不锈钢，其用途是用于制造中等腐蚀环境中的工艺设备，并应用于基础结构。双相不锈钢在AP1000核电站建设中的创新点在于将双相不锈钢使用在了核电站的结构建造上，而不再仅仅用于核电设备制造。在核电站建设中，材料的寿命、安全性与可靠性是最需要加以关注的。AP1000项目所选用的S32101双相不锈钢其抗疲劳能力比普通不锈钢更好，因此结构件的寿命更长久。而其良好的耐腐蚀性能可以支持其在易腐蚀环境下保持设计要求，这对位于换料槽、反应堆腔、加料水箱等区域的结构件具有深远的意义，可以保证其在设计工况下的安全性和可靠性。而较之普通不锈钢更高的屈服强度则可以在力学要求相同的情况下减少不锈钢的使用量。在设计方面，选用双相不锈钢可降低结构的自承重，对于提高结构件的可靠性有较大帮助。双相不锈钢的缺点是在制造方面，成型性能较差，比奥氏体不锈钢的加工难度大。在核电站建设中，材料的成本和经济性也是值得关注的。S32101双相不锈钢以Mn、N来代替Ni，降低Ni的含量，价格较便宜。在AP1000核电站的CA01模块中，由于与腐蚀介质接触较多，使用S32101双相不锈钢的量也多，因此其优势非常突出，能使整个工程建设具备良好的可靠性和经济性。

3.2S32205双相不锈钢核电应用研究

目前在AP1000核电站建造中大多使用的S32101双相不锈钢，用S32205双相不锈钢的地方极少。主要用在一些非承重构件以及少量管道中用到它。它保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀、缝隙及氯化物应力腐蚀的特点;又具有奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点。在性能上的突出表现是屈服强度高和耐应力腐蚀能力强。

由于目前S32205双相不锈钢还没有专门针对核电应用这一块的工艺试验及研究，所以很难下结论，它就不能应用于核电站AP1000核电站换料水池、换料通道、乏燃料水池等重要结构的材料。

不过从AP1000的设计选材来看，“华龙一号”ACP1000核电机组选用S32205双相不锈钢来制作换料水池、换料通道、乏燃料水池等重要结构的材料以及不锈钢塔架的可能性不太。

4.结语

4.1根据市场调研及资料显示，S32101双相不锈钢由于其具有良好的耐局部腐蚀性能，与S32205不锈钢相比，相对更适合在腐蚀介质工况下使用，且它的耐磨损腐蚀和腐蚀疲劳性能都比S32205不锈钢更优异。

4.2在焊接性能上比较，S32101不锈钢热裂纹倾向和变形要比S32205不锈钢小，并且S32101不锈钢热影响区脆化没有S32205不锈钢明显。力学性能方面，两种双相不锈钢屈服强度相当，结构安全性都很高。而不论在动载或静载条件下，双相不锈钢比普通不锈钢具有更高的能量吸收能力。这对于核电站结构件应付诸如冲撞、爆炸等突发状况时优势明显，可靠性更高。

4.3初步确认S32101材质更适合于“华龙一号”ACP1000核电机组不锈钢水池覆面板的制作和安装，S32101双相不锈钢将会成为未来核电最重要的建设用材之一。

参考文献

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[2]岳斌，马鹏举，王大治，等．2205双相不锈钢的焊接工艺研究[J]工程科技[I].金属学及金属工艺,化工机械2009.01