Дуплексная сталь: сочетает в себе прочность и коррозионную стойкость

Он представляет

Нержавеющая сталь — один из наиболее широко используемых конструкционных сплавов в различных отраслях промышленности. Однако не все нержавеющие стали одинаковы по своим свойствам. Некоторые из них, например, аустенитные, обладают превосходной коррозионной стойкостью, но ограниченной механической прочностью. Другие, например, ферритные, обладают приемлемой прочностью, но более низкой пластичностью и коррозионной стойкостью. Для преодоления этих ограничений был разработан специальный класс сталей, известный как дуплексные нержавеющие стали, сочетающий аустенитную и ферритную микроструктуры.

Эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и превосходной механической прочностью , что делает их идеальными для использования в нефтяной, газовой, нефтехимической, опреснительной и коррозионной среде.

Что такое дуплексная сталь?

Дуплексная сталь — это тип нержавеющей стали, микроскопическая структура которой состоит из двух основных фаз:

Соотношение этих двух фаз обычно близко к 50/50 , но фактическое соотношение колеблется от 40% до 60% . Такое сочетание придаёт дуплексной стали превосходные свойства, отличающие два разных типа стали (аустенит и феррит).

Химический состав дуплексной стали

Химический состав дуплексных сталей разработан таким образом, чтобы поддерживать баланс аустенита и феррита. Важнейшими легирующими элементами этой группы являются:

Хром (Cr): содержание составляет от 18% до 28% для повышения коррозионной стойкости.
Никель (Ni): около 4–8 %, используется для стабилизации аустенитной фазы.
Молибден (Mo): его содержание составляет от 2% до 5%, и он используется для повышения устойчивости к локальной коррозии (точечной и щелевой).
Азот (N): его содержание очень мало (около 0,2–0,3%), но он очень эффективен для повышения прочности и стабильности аустенита.

Такое сочетание придает дуплексной стали высокую устойчивость к хлоридам и коррозионным средам.

Микроструктура и кристаллические свойства

Ферритная (ОЦК): обладает высокой прочностью и стойкостью к растрескиванию под напряжением.
Аустенитная (ГЦК): обладает лучшей пластичностью и большей стойкостью к коррозии.
Сочетание этих двух фаз придает дуплексной стали прочность на растяжение примерно в два раза выше, чем у аустенитной стали, сохраняя при этом приемлемую пластичность.

Механические и химические свойства дуплексной стали

1. Механические свойства

Высокая прочность на растяжение: примерно в два раза выше прочности аустенитной стали серии 300.
Умеренная твёрдость: Хотя немного меньше, чем у аустенитных сталей.
Отличная стойкость к растрескиванию под действием хлоридов (SCC).
Прочнее традиционной нержавеющей стали.

2. Коррозионная стойкость

Общая коррозионная стойкость: аналогична или даже лучше, чем у стали 316.
Стойкость к точечной и щелевой коррозии: значительно лучше, чем у аустенитных сталей, благодаря наличию молибдена и азота.
Стойкость к коррозии под напряжением: значительно выше , чем у аустенитной стали.

классификация дуплексной стали

В зависимости от содержания легирующих элементов дуплексная сталь подразделяется на несколько категорий:

Низколегированная дуплексная нержавеющая сталь (низколегированная):
- Уменьшить содержание никеля и молибдена.
- Более экономично.
- Подходит для строительных конструкций и общего применения.
Стандартный дуплекс:
- Хороший баланс между механическими свойствами и износостойкостью.
- Наиболее часто используемый тип.
Супердуплекс:
- Он содержит от 25 до 28% хрома, от 3 до 5% молибдена и большое количество азота.
- Высокая устойчивость к воздействию агрессивных сред.
- Используется в нефтяной, газовой и водоопреснительной промышленности.
Супердуплекс:
- Продукция последнего поколения с максимально высоким минеральным составом.
- Отличная стойкость в высокоагрессивных хлоридных средах.

Преимущества двухстенной стали

Прочность на растяжение и предел текучести вдвое выше, чем у аустенитной стали.
Обладает превосходной стойкостью к растрескиванию под воздействием хлоридов.
Очень высокая устойчивость к локальной коррозии.
Низкий спрос на никель → Его производство дешевле, чем высоколегированную аустенитную сталь.
Приемлемые навыки сварки и обработки.

Ограничения и недостатки

Низкотемпературная твёрдость ниже, чем у аустенитной стали.
Процесс сварки более чувствителен из-за возможности образования вредных фаз, таких как сигма.
При высоких температурах (более 300°С) кристаллическая структура может стать нестабильной.
Она дороже обычной углеродистой или нержавеющей стали.

Промышленное применение дуплексной стали

1. Нефтегазовая промышленность

Трубопроводы с кислой нефтью и газом (содержащие H₂S).
Оборудование для морского бурения.
Сосуды под давлением и теплообменники .

2. Водоснабжение и водоотведение

Термические и обратноосмотические опреснительные установки.
Трубопровод морской воды.
Оборудование для очистных сооружений.

3. Химическая и нефтехимическая промышленность

Реакторы и резервуары для хранения кислоты.
Установки по производству удобрений и едких химикатов.

4. Морское дело и судостроение

Гребной винт судна.
Колонны и подшипники.
Наземные и морские сооружения.

5. Целлюлозно-бумажная промышленность

Оборудование, контактировавшее с хлором и отбеливателем.

Термическая обработка дуплексной стали

Термическая обработка играет важную роль в производстве этих сталей. К наиболее важным процессам относятся:

Отжиг в твердый раствор: нагрев до 1040-1100°С с последующим быстрым охлаждением → гомогенизация микроструктуры.
Снятие напряжения: снижает остаточное напряжение после сварки.
Примечание: Отжиг при умеренных температурах (400–900 °C) не рекомендуется, так как это может привести к образованию сигма-фаз и снижению коррозионных свойств.

Сравнение дуплексной стали с аустенитной и ферритной сталью

особенность	аустенит	Феррит	двухфазный
предел прочности	половина	половина	очень высокий
коррозионная стойкость	отличный	половина	очень хороший.
Стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением	слабый	Да	отличный
низкотемпературная твердость	отличный	слабый	половина
Это стоит	выше	меньше	половина
Применение в хлоридных средах	слабый	слабый	отличный

Окончательно

Дуплексная нержавеющая сталь представляет собой искусное сочетание феррита и аустенита, обладающее превосходными свойствами, такими как высокая механическая прочность , отличная коррозионная стойкость и длительный срок службы в агрессивных средах . Поэтому этот тип стали занимает важное место в нефтегазовой, нефтехимической, опреснительной, морской и химической промышленности.

Хотя стоимость и чувствительность к сварке этих сталей выше, чем у обычных сталей, их использование будет весьма экономически эффективным во многих стратегических проектах из-за увеличения срока службы оборудования и снижения затрат на техническое обслуживание.