二相ステンレス鋼製継手の割れの原因と対策

雙相不銹鋼具有奧氏體+鐵素體雙相組織，兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點。 因有較高的强度和耐應力腐蝕效能，同時有良好的焊接性、超塑性和低溫衝擊韌性等優越的效能使雙相不銹鋼廣泛用於石油化工領域。 因為雙相不銹鋼兼有鐵素體和奧氏體兩相組織，對成形和熱處理等方面的工藝要求較高，管件的製造難度大。 對某項目煤氣化裝置中的雙相不銹鋼管件在開工過程中出現裂紋的原因進行了詳細分析，並提出了雙相不銹鋼管件製造過程中的多項控制措施。

近年、二相鋼は、高強度、良好な靭性、耐食性を持つため、ますます広く使用されています。欠点は、フェライトとオーステナイトの二相組織であるため、成形や熱処理に必要な技術要件が高く、管継手の製造に大きな困難を伴うため、二相鋼継手の品質問題が時々発生しています。 2023年、石炭ガス化プラントの配管システムの圧力試験中に、黒水配管のティー（材質S32750）に浸水が発生し、貫通亀裂があることが判明。 同メーカーの二相ステンレス鋼製継手の抜き取り検査（破壊検査）では、多くの技術的指標で不合格が確認されました。

1. 煤氣化裝置雙相不銹鋼管件的附加科技要求

石炭ガス化プラントの二相ステンレス鋼継手は、より厳しい条件下で使用され、製造規格ASTM A815/A815Mを満たすだけでなく、S32750スーパー二相ステンレス鋼継手技術要件を満たす設計が求められます：

• (1) ASTM A370の-46℃衝撃試験において、AKV2≧70J、最低値65J以上；
• (2) 標準ASTM E10によるブリネル硬度試験、硬度≤310HB；
• (3) フェライトとオーステナイトが均一に分布し、第三相の析出がないこと。 ASTM E562 によるフェライトの含有量は、35%-60%；
• (4) ASTM A923 Method C に従って腐食試験を実施し、試験片に腐食の兆候がなく、重量減少が 6 mdd 未満であること。

2. 開裂管件檢測結果

1）對部分開裂管件的硬度、耐蝕性、衝擊吸收功、鐵素體含量（可擕式鐵素體儀）和金相組織進行了檢驗，管件上取樣部位見圖1-圖3，檢驗結果見錶1。 檢查所有三通的鐵素體含量，結果不合格比率為35%。

圖.1 彎頭的取樣位置

圖.2 三通的取樣位置

圖.3 大小頭取樣位置
2）對該廠家多個規格的原材料鋼管現場取樣分析，選取了不同鐵素體含量的管件進行了衝擊試驗、硬度檢測、腐蝕試驗、金相組織檢驗，各項檢驗結果均合格。 由錶1可知：圖4-圖6的性能指標均有不合格。

3. 檢驗檢測結果分析

(1)割れたティーの衝撃吸収機能と金属組織は不適格であり、金属組織にはσ相があり、データを脆くし、使用過程でσ相が亀裂の起源となり、亀裂の拡大で継手全体の亀裂につながります。残りのサンプリングされた継手は、少なくとも一つの技術的な指標で不適格であり、衝撃値で不適格なもの、金属組織で不適格なもの、二つ以上の項目で不適格なものがあります。残りのサンプルは、少なくとも1つの技術的指標で不合格でした。 この検査結果は、これらのUNS S32750二相鋼製品が、プロジェクトの技術要件に厳密に従った試験が行われないまま納入されたこと、およびメーカー側の品質意識の深刻な欠如を示しています。

錶.1 抽樣管件的檢驗結果

樣品編號	エーケービー2 7.5倍×10倍×55/J	エッチビーダブリュー	腐蝕速率/mdd	金相		綜合結論
				鐵素體含量，%	組織
1號彎頭-1	110.6/162.4/9.1	275/274/272	77.69	37	在鐵素體和奧氏體的相界上有大量σ相，圖4	該彎頭整體力學性能不均勻一端衝擊值和硬度值較好，中間位置及另一端則效能很快下降； 腐蝕速率、衝擊值和硬度值、金相組織不合格。
1號彎頭-2	3.4/3.1/3.6	3171315/313	225.61	18
1號彎頭-3	3.2/2.3/3.2	373/3731375	455.83	17
6號三通	（試樣10×10×55}12.0/3.3/5.2	293/292/292	1.59	57	σ相分佈在鐵素體和奧氏體的相界上，並擴展至鐵素體圖5	衝擊值、金相組織不合格腐蝕率、硬度值合格。
8號大小頭	25.3、36.2、12.2	271/269/266	1.93	53	鐵素體和奧氏體圖6	衝擊值不合格腐蝕率和硬度值、金相組和鐵素體含量合格。

圖.4 彎頭組織

圖.5 三通組織

圖.6 大小頭組織
2）雙相不銹鋼的熱處理較奧氏體不銹鋼要更敏感，存在雙相鋼中由於有害相的析出導致資料的韌性和耐蝕性下降風險。 產生有害相析出的主要原因是：由於熱處理溫度不够或保溫時間不足，析出的有害相未能完全溶解，或者在製造過程中的資料長時間暴露在有害相析出的溫度（範圍）下。
(3) 二相鋼の見かけの組織、すなわちオーステナ イト相とフェライト相の相平衡は、二相鋼の 性能に影響する重要な要素です。 二相鋼のフェライト相の含有量は、化学成分 および熱サイクル履歴に依存します。 二相鋼はフェライト相を多量に含 んでおり、熱処理工程でσ相を生成しやすく、最終 製品の不良につながります。熱処理により、 フェライト相の含有量が低下し、SCCに対する耐 性が低下する可能性があります。 このように、合理的な成形および熱処理技術を開発し、製造工程で二相鋼材料の特殊性に対して効果的な管理措置を講じることが、製品の品質を確保する鍵です。
(4)エルボ外側の高硬度部は、曲げ加工時の激しい冷間変形により、高塑性変形部に高い残留引張応力が発生し、硬度が急激に上昇するためで、この部もClを含む環境では高温で応力腐食割れする可能性があります。

4. 製造雙相不銹鋼管件的過程中應採取的控制措施

4.1 製造雙相不銹鋼管件的原材料控制

• 1）在採購雙相不銹鋼鋼管、鋼板等原材料時，應結合設計要求和制造技術提出對材料採購要求。 原材料進廠必須進行嚴格的複驗，包括無損檢測和取樣試驗，以確保所使用的資料符合採購要求。
• 2）焊管上鋸下的管件坯料，需進行焊縫磨平處理，但不要修磨過度。

4.2 雙相不銹鋼管件的成形控制

成形工程は冷間成形を優先させるべきであ る。 熱間成形が必要な場合、二相鋼では700-950℃ でσ相が形成されるため、最終成形温度は 950℃以下とし、冷却速度はできるだけ速くす る必要があります。

• 1）成形過程必須嚴格控制，配備和選用精確的模具，儘量減少整形操作；
• 2）成形溫度應嚴格控制；
• 3）熱成形和熱整形前的加熱，應儘量採用整體加熱管道；
• 4）一次加熱工件數量不應太多，防止後取出的工件溫度達不到成形要求；
• 5）熱成形和熱整形後，工件應立即水冷；
• 6）工件出爐至鍛壓過程應儘量縮短時間並採取適當保溫措施，以防止工件溫度迅速下降； 不得採用直接捶擊的管道進行整形。

4.3 雙相不銹鋼管件的焊接控制

做好焊前準備工作，包括對熔合面和接頭兩側的徹底清理，清除氧化皮、銹蝕、油脂、油漆、色筆印等其它异物。 可在熔合面和相鄰母材採用丙酮、丙醇或异丙醇徹底去除油脂，不得使用含氯元素的溶液、甲醇和工業甲基化酒精。
スポット溶接は、アルゴン・ガスで保護された GTAWプロセスで行なう必要があります。 シールド・ガスに空気が混入しないよう、トーチは できるだけ垂直にし、作業ポイントにできるだけ近 づける必要があります。 スポット溶接部でのルート・チャンネルの割れを 防ぐため、スポット溶接部はルート・チャンネルから 外す必要があります。

4.4 雙相不銹鋼管件的熱處理控制

產品成形後應進行固溶處理，水淬冷卻。 雙相不銹鋼管件應進行熱處理工藝評定，評定合格的工藝方能使用，以防止熱處理不當造成產品效能不合格。

4.5 雙相不銹鋼管件的檢驗與試驗

產品必須嚴格按照設計要求進行無損檢測及取樣試驗，產品的各項性能指標均符合設計要求方能交付使用。

5. 結語

二相ステンレス鋼管継手は、オーステナイトとフェライトの二相組織であるため、変形加工の難易度が高くなり、変形加工温度制御範囲が狭くなり、熱処理工程の制御が不適切な場合、σ相または相比の不均衡が発生しやすいため、二相鋼管継手の製造は、化学工程計画を通じて最適化する必要があり、ワーク、製造経験の蓄積、製品品質の信頼性を確保するための厳格な管理措置を改善します。
作者：趙保興
管件製造商 - 雅昂管業 (www.tourochina.com)