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西安2507/2205不銹鋼管的組織與性能

日期：2025-12-07 21:34

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摘要： 西安2507/2205不銹鋼管的組織與性能 采用熱穿孔工藝，結合多道次冷軋變形，開發出大口徑2507無縫鋼管，規格為219*20mm。結果表明：2507無縫鋼管金相組織優良，鐵素體含量約45%～55%。鋼管具有良好的力學性能，低溫沖擊功可達70J以上。同時，鋼管具有較好的耐點腐蝕性能，腐蝕速率小于3.0mdd。本次開發的大口徑2507無縫鋼管化學組成、金相組織及室溫力學性能、低溫沖擊性能均滿足ASME SA790、ISO 13680等產品標準要求，可以用于石化、海洋、油氣開采等領域。 超級雙相不銹鋼(UNS 2507)由于超低碳和高鉻、高鉬、高氮的成分設計，與UNS S32205雙相不銹鋼相比，具有更高的強度、更好的耐點腐蝕、耐應力腐蝕性能。目前主要用于各種苛刻環境，尤其是在高氯化物環境中，常用作海水熱交換器、海底油田管道纜、海水淡化等裝置。 苛刻的酸性油氣田環境中，根據介質濃度、溫度、壓力等工況，可選用的材料主要有馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和鎳基合金等。因此，在一些高溫、高壓、高含CO2、H2S環境中常采用鎳基合金材料。而在一些含CO2、Cl-且H2S含量較低的油氣開采環境中，2507合金由于具有冷加工硬化顯著、抗應力腐蝕性能好、耐點蝕，相對于鎳基合金油井管而言，具有價格低、性能相當等特點，綜合性能則優于馬氏體不銹鋼。因此得到越來越廣泛的應用，應用形式主要是管材[1]-[5]。 通常來講，無縫鋼管尺寸較小時，通過熱擠壓工藝或者熱穿孔工藝，結合冷軋工藝可以生產出符合要求的超級雙相無縫鋼管。但是，對于大口徑超級雙相無縫鋼管，采用熱擠壓工藝生產比較困難，特別是管材長度要求較長時。因此，針對大口徑(外徑大于219mm)、長度較長(9m以上)等特殊需求，本公司開展了2507超級雙相無縫鋼管的研制開發，并形成了批量生產的能力。 1、大口徑2507無縫鋼管的制造流程 大口徑2507合金無縫鋼管的整個開發制造流程可以簡化為：鋼錠冶煉→鍛造開坯→管坯加工→熱穿孔→冷軋成形→固溶熱處理→酸洗→檢驗→成品。 鋼坯由某特鋼公司提供，采用電爐+AOD精煉工藝冶煉。經公司入廠復驗，管坯化學成分見表1，結果表明成分符合ASME SA790、ISO 13680等相關產品標準要求。管坯各類夾雜物含量為0.5～1.5級，也符合技術條件要求，如圖1所示 鋼坯經剝皮機剝皮后，徹底消除表面的缺陷(氧化皮、裂紋等)。根據實際要求將鋼坯進行分段、機加工，并進行尺寸公差和表面質量檢查。管坯在加熱前進行清洗，**管坯內外表面上的油脂和污物，防止管坯在加熱過程中被污染，確保管坯質量。將清洗后的管坯送入斜底式加熱爐中進行加熱到設定溫度后，送入斜軋穿孔機中進行熱穿孔，得到內外表面質量良好、性能均勻的穿孔荒管。荒管經過固溶熱處理后進行內外表面檢驗，為后續冷軋工藝提供合格的荒管，并為*終的成品管材提供了可靠的質量保證。穿孔荒管在周期式冷軋管機上完成冷軋變形，經過多道次冷軋，*終軋制出251mm×17mm的成品鋼管，長度達10m以上。 2、大口徑2507無縫鋼管的組織與性能 2.1 金相組織演化  由于采用熱穿孔工藝進行荒管制備，穿孔工藝對荒管金相組織的影響非常顯著，特別影響到兩相比與相組織、形態的控制。如果穿孔工藝控制不好的話，在荒管組織中容易產生金屬間相、二次奧氏體相等，進而影響到荒管質量和成品管材的性能。 試驗檢驗結果表明，熱穿孔荒管金相組織較差，兩相比例不協調，并且含有較多的**相，如圖2(a)所示。特別是，由于鋼材存在隨溫度的降低發生由韌性到脆性的轉變。一旦鋼管組織不正常，低溫(-10℃～-50℃)沖擊性能則大大惡化，沖擊功降低到20J左右，甚至更低，此時斷口形貌為明顯的脆性斷裂特征，如圖3(a)所示。因此對熱穿孔荒管及中間規格管進行合適的熱處理，調整鋼管內部組織中的兩相比例與相組成、形態。試驗結果表明，經過適當熱處理后，中間管的金相組織逐漸恢復正常，基本上未見金屬間相等出現，如圖2(b)所示。低溫(-10℃～-50℃)沖擊性能逐漸提高到60～150J左右，斷口特征從脆性斷裂轉變為韌性斷裂特征，如圖3(b)所示 2.2 力學性能 從成品鋼管取樣分別進行包括金相、室溫拉伸和低溫沖擊試驗、點腐蝕性能評價試驗，以評價鋼管的使用性能及工藝性能。 金相結果如圖2(c)中所示。從測試結果可以看出，成品鋼管中兩相含量比較均勻，鐵素體含量大約在45%～55%左右，符合相關產品標準。同時，兩相界面清晰、過渡光滑，未見金屬間等**相。 對成品規格的2507管的沖擊功，進行了檢測，結果如圖4所示。從圖中可以發現，無論是固溶態還是冷變形態的成品管，其沖擊性能優異。沖擊功隨著實驗溫度的降低而降低，且固溶態的沖擊功遠高于冷加工態。 此外，成品管的低溫(-10℃)沖擊功均高于70J。對其斷口進行觀察發現，為韌性斷裂，如圖3(b)所示。 采用ASTM G48A法進行了點腐蝕實驗。結果表明，點腐蝕速率小于3.0 mdd。綜合金相組織、沖擊性能、室溫拉伸、點腐蝕等檢驗結果，可以發現，本次開發的大口徑2507無縫鋼管性能優異，完全滿足ASMESA790、ISO13680標準要求。 3、結論 西安華達不銹鋼有限公司有限公司采用熱穿孔和冷軋工藝成功開發了規格為219*20mm的大口徑2507超級雙相無縫鋼管。大口徑2507無縫鋼管金相組織、力學性能優異，符合ASME SA790、狀態抗拉強度/MPa 屈服強度/MPa 延伸率/% 硬度/HRC冷變形1060 960 27 33固溶態815 580 44 25ISO13680等產品標準，可用于石化、海洋、油氣開采等領域。

采用熱穿孔工藝，結合多道次冷軋變形，開發出大口徑2507無縫鋼管，規格為219*20mm。結果表明：2507無縫鋼管金相組織優良，鐵素體含量約45%～55%。鋼管具有良好的力學性能，低溫沖擊功可達70J以上。同時，鋼管具有較好的耐點腐蝕性能，腐蝕速率小于3.0mdd。本次開發的大口徑2507無縫鋼管化學組成、金相組織及室溫力學性能、低溫沖擊性能均滿足ASME SA790、ISO 13680等產品標準要求，可以用于石化、海洋、油氣開采等領域。

超級雙相不銹鋼(UNS 2507)由于超低碳和高鉻、高鉬、高氮的成分設計，與UNS S32205雙相不銹鋼相比，具有更高的強度、更好的耐點腐蝕、耐應力腐蝕性能。目前主要用于各種苛刻環境，尤其是在高氯化物環境中，常用作海水熱交換器、海底油田管道纜、海水淡化等裝置。
苛刻的酸性油氣田環境中，根據介質濃度、溫度、壓力等工況，可選用的材料主要有馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和鎳基合金等。因此，在一些高溫、高壓、高含CO2、H2S環境中常采用鎳基合金材料。而在一些含CO2、Cl-且H2S含量較低的油氣開采環境中，2507合金由于具有冷加工硬化顯著、抗應力腐蝕性能好、耐點蝕，相對于鎳基合金油井管而言，具有價格低、性能相當等特點，綜合性能則優于馬氏體不銹鋼。因此得到越來越廣泛的應用，應用形式主要是管材[1]-[5]。
通常來講，無縫鋼管尺寸較小時，通過熱擠壓工藝或者熱穿孔工藝，結合冷軋工藝可以生產出符合要求的超級雙相無縫鋼管。但是，對于大口徑超級雙相無縫鋼管，采用熱擠壓工藝生產比較困難，特別是管材長度要求較長時。因此，針對大口徑(外徑大于219mm)、長度較長(9m以上)等特殊需求，本公司開展了2507超級雙相無縫鋼管的研制開發，并形成了批量生產的能力。

1、大口徑2507無縫鋼管的制造流程

大口徑2507合金無縫鋼管的整個開發制造流程可以簡化為：鋼錠冶煉→鍛造開坯→管坯加工→熱穿孔→冷軋成形→固溶熱處理→酸洗→檢驗→成品。
鋼坯由某特鋼公司提供，采用電爐+AOD精煉工藝冶煉。經公司入廠復驗，管坯化學成分見表1，結果表明成分符合ASME SA790、ISO 13680等相關產品標準要求。管坯各類夾雜物含量為0.5～1.5級，也符合技術條件要求，如圖1所示
鋼坯經剝皮機剝皮后，徹底消除表面的缺陷(氧化皮、裂紋等)。根據實際要求將鋼坯進行分段、機加工，并進行尺寸公差和表面質量檢查。管坯在加熱前進行清洗，**管坯內外表面上的油脂和污物，防止管坯在加熱過程中被污染，確保管坯質量。將清洗后的管坯送入斜底式加熱爐中進行加熱到設定溫度后，送入斜軋穿孔機中進行熱穿孔，得到內外表面質量良好、性能均勻的穿孔荒管?；墓芙涍^固溶熱處理后進行內外表面檢驗，為后續冷軋工藝提供合格的荒管，并為*終的成品管材提供了可靠的質量保證。穿孔荒管在周期式冷軋管機上完成冷軋變形，經過多道次冷軋，*終軋制出251mm×17mm的成品鋼管，長度達10m以上。

2、大口徑2507無縫鋼管的組織與性能

2.1 金相組織演化
由于采用熱穿孔工藝進行荒管制備，穿孔工藝對荒管金相組織的影響非常顯著，特別影響到兩相比與相組織、形態的控制。如果穿孔工藝控制不好的話，在荒管組織中容易產生金屬間相、二次奧氏體相等，進而影響到荒管質量和成品管材的性能。
試驗檢驗結果表明，熱穿孔荒管金相組織較差，兩相比例不協調，并且含有較多的**相，如圖2(a)所示。特別是，由于鋼材存在隨溫度的降低發生由韌性到脆性的轉變。一旦鋼管組織不正常，低溫(-10℃～-50℃)沖擊性能則大大惡化，沖擊功降低到20J左右，甚至更低，此時斷口形貌為明顯的脆性斷裂特征，如圖3(a)所示。因此對熱穿孔荒管及中間規格管進行合適的熱處理，調整鋼管內部組織中的兩相比例與相組成、形態。試驗結果表明，經過適當熱處理后，中間管的金相組織逐漸恢復正常，基本上未見金屬間相等出現，如圖2(b)所示。低溫(-10℃～-50℃)沖擊性能逐漸提高到60～150J左右，斷口特征從脆性斷裂轉變為韌性斷裂特征，如圖3(b)所示

2.2 力學性能
從成品鋼管取樣分別進行包括金相、室溫拉伸和低溫沖擊試驗、點腐蝕性能評價試驗，以評價鋼管的使用性能及工藝性能。
金相結果如圖2(c)中所示。從測試結果可以看出，成品鋼管中兩相含量比較均勻，鐵素體含量大約在45%～55%左右，符合相關產品標準。同時，兩相界面清晰、過渡光滑，未見金屬間等**相。

對成品規格的2507管的沖擊功，進行了檢測，結果如圖4所示。從圖中可以發現，無論是固溶態還是冷變形態的成品管，其沖擊性能優異。沖擊功隨著實驗溫度的降低而降低，且固溶態的沖擊功遠高于冷加工態。
此外，成品管的低溫(-10℃)沖擊功均高于70J。對其斷口進行觀察發現，為韌性斷裂，如圖3(b)所示。
采用ASTM G48A法進行了點腐蝕實驗。結果表明，點腐蝕速率小于3.0 mdd。綜合金相組織、沖擊性能、室溫拉伸、點腐蝕等檢驗結果，可以發現，本次開發的大口徑2507無縫鋼管性能優異，完全滿足ASMESA790、ISO13680標準要求。

3、結論

西安華達不銹鋼有限公司有限公司采用熱穿孔和冷軋工藝成功開發了規格為219*20mm的大口徑2507超級雙相無縫鋼管。大口徑2507無縫鋼管金相組織、力學性能優異，符合ASME SA790、狀態抗拉強度/MPa 屈服強度/MPa 延伸率/% 硬度/HRC冷變形1060 960 27 33固溶態815 580 44 25ISO13680等產品標準，可用于石化、海洋、油氣開采等領域。

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