海水泵选材分析

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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;超级双相钢

Abstract: The Zhejiang LNG projects in the surrounding seawater quality high sediment concentration, more demanding of material requirement of sea water pump. Need to choose which can resist corrosion in seawater, and can resist the erosion of sand with high water material.

Key words: water pump; dual phase steel; super duplex steel

中图分类号：P734.2文献标识码：A文章编号：

1、概述

浙江省LNG接收站项目采购共5台流量为7500M3/h, 扬程0.35MPa的进口海水泵，海水泵用过流部件材质使用超级双相钢。采购前期就泵用体材料做了一番比较。研究情况如下。

2、海水泵主要部件材质

海水泵主要部件包括轴SHAFT、筒体和弯头COLUMN&ELBOW、吸入口BOWL、叶轮IMPELLERS、电机基础MOTOR BASE、轴承BEARING、轴套SLEEVE等。

这些主要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。下文主要就新兴材料双相钢材料进行表述。

双相钢

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.双相不锈钢耐蚀性能

①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。现在在ASTM G150标准中采用电位测量法可以准确和可靠的测量出CPT。

只有铬、钼和氮对CPT有影响，关系式如下：

CPT=常数＋（％Cr＋3.3×％Mo＋16×％N）

式中三个元素乘以各自的回归常数之和即通常称之为孔蚀抗力当量值（PRE）。

②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。

③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。双相钢在化学加工工业的许多应用都是在有很大的应力腐蚀断裂危险的场合，代替奥氏体不锈钢的使用。

青岛海洋腐蚀研究所、舟山海洋腐蚀研究所、洛阳七二五研究所、七二五研究所厦门分部等4个海水腐蚀试验站联合在青岛、舟山、厦门、榆林曾对5种海水腐蚀材料进行了试验，试验钢种在海水中的耐蚀性优劣顺序为HRS-3（双相钢）、316L(或000Cr18Mo2)、00Cr19Ni10(304L)、1Cr18Ni9Ti（18-8）、00Cr17Ti （F179）、2Cr13。在青岛腐蚀较轻，在榆林腐蚀较重。在青岛，2Cr13浸泡3个月已溃烂穿孔；F179有严重的沟槽腐蚀，浸泡1年已经穿孔；1Cr18Ni9Ti浸泡2年后发生缝隙腐蚀，并已穿孔；00Cr19Ni10暴露4年时发生缝隙腐蚀，并出现穿孔；000Cr18Mo2腐蚀较轻，暴露4年的最大点蚀深度为0.25mm。而在榆林，2Cr13浸泡3个月也已穿孔，F179、1Cr18Ni9Ti和00Cr19Ni10浸泡1年后都穿孔，000Cr18Mo2暴露4年的最大点蚀深度为2.03mm。

2.2 双相不锈钢力学性能

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。室温到300℃范围内几种双相不锈钢的典型屈服强度与316L奥氏体不锈钢的对比如图。

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。

2.3 双相钢与奥氏体不锈钢的优缺点比较

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。

1)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下： ①屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，且具有成型需要的足够的塑韧性。采用双相不锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用的奥氏体减少30-50%，有利于降低成本。②具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力，即使是含合金量最低的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中。应力腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的突出问题。③在许多介质中应用最普遍的2205双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的316L奥氏体不锈钢，而超级双相不锈钢具有极高的耐腐蚀性，再一些介质中，如醋酸，甲酸等甚至可以取代高合金奥氏体不锈钢，乃至耐蚀合金。④具有良好的耐局部腐蚀性能，与合金含量相当的奥氏体不锈钢相比，它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体不锈钢。⑤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，具有重要的工程意义，如生产复合板或衬里等。⑥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。

2)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：①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。②其塑韧性较奥氏体不锈钢低，冷，热加工工艺和成型性能不如奥氏体不锈钢。③存在中温脆性区，需要严格控制热处理和焊接的工艺制度，以避免有害相的出现，损害性能。

2.4 双相钢与铁素体不锈钢的优缺点比较

1)与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：①综合力学性能比铁素体不锈钢好，尤其是塑韧性，不像铁素体不锈钢那样对脆性敏感。②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。③冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。④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。

2）与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势： 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的使用性能和工艺性能的概貌，它以其优越的力学与耐腐蚀综合性能赢得了使用者的青睐，已成为既节省重量又节省投资的优良的耐蚀工程材料。

2.5 双相钢和超级双相钢的差异

双相钢中S31803钢是最为普遍的钢种，超级双相钢中则以S32750为代表。

1）双相钢和超级双相钢的成分表（%）

2）双相钢和超级双相钢的机械性能：

3）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，SAF 2507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，SAF 2507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。

3.结论

根据以上分析，海水泵材料采用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材料。