腐蚀是水工钢结构的主要技术难题

水工金属结构由于所处的环境介质与运行工况较为复杂，有些处于潮湿大气中，有些处于静水、流水及高速泥沙冲刷下，有些处于海水和生物及化学腐蚀中，因此水工金属结构在使用过程中都会受到环境因素的作用（化学、电化学、微生物和摩擦）而发生腐蚀破坏，水工金属结构腐蚀不仅可以缩短寿命周期，其维护成本高昂，而且给水电站安全稳定运行带来安全事故隐患。

不锈钢作为优良的耐腐蚀合金钢，在水工钢结构行业一直被广泛使用，随着我国不锈钢产业的快速发展，已逐步打破国外垄断和技术壁垒，不锈钢制造体系与不锈钢品类日渐完备，目前正由不锈钢制造大国向制造强国迈进，目前我国不锈钢产量占全球份额60%稳居世界第一，成功解决了核电、石化、航空航空、海洋装备、新能源、轨道交通、建筑桥梁等重大装备的卡脖子难题，同时也为水工钢结构合理选用不锈钢材料提供了更多的选择，为解决水工钢结构中耐腐蚀、耐摩擦、高强度等技术难题，延长其设计使用寿命，对于减少水工金属结构腐蚀损失，降低运维成本，保证水电站安全、高效、稳定运营具有十分重要的意义。

合理选用不锈钢材料意义重大

国内水电站大量使用不锈钢应该追溯到80年代葛洲坝水轮机叶片的选材上，当时认为15MnMoVCu低合金是优先的材料，但是通过反复试验与实际运行情况，该材料的强度虽高，但韧性较差，可焊性较差，耐腐蚀能力更差，后最终参照国外同行业材料，由机械工业部组织郑州机械研究所、广重、二重等单位技术攻关，确定叶片材料为ZG0Cr13Ni6Mo，通过新材料的革新，彻底解决了叶片强度、抗空化、耐腐蚀等技术难题，目前该材料已普遍采用，三峡等巨型电站水轮机均使用该不锈钢材料至今，由此衍生的S135水电板广泛使用在蜗壳椎体、坐环、尾水椎管等部位，运行良好。

三峡工程排沙管道1#、2#设计采用304复合钢板，水环境下氯离子的存在，以及大量高速泥沙的冲击摩擦，导致锈蚀严重，从此开创了水利工程使用双相不锈钢的先河，从最早的第二代双相不锈钢S185到最终S32205，三峡公司一直在后来的金沙江四座巨型梯级电站中累计使用2205复合钢板4万余吨，并在凤仪、深溪沟、银盘、龙开口、引汉济渭等国家重点水电工程广泛使用。

实践证明：双相不锈钢因其良好的耐腐蚀能力，以及优良的机械性能，是解决水工金属结构，耐腐蚀、耐摩擦、高强度完美的解决方案，是适合淡水及海水环境金属结构的不锈钢材料。但是由于S32205不锈钢价格高昂，无形中增加了工程造价，多数业主为了降低成本节约投资，在不锈钢的选材上，选择了并不适合在水工钢结构使用的奥氏体300系列不锈钢，因此从经济性方面，制约了双相不锈钢S32205在水工行业的推广和应用。

S32304经济型双相钢介绍

经济型双相钢S32304的成功研发，其更低的含镍量，在未来量产成本有望接近或者低于304，其具有的高强度，以及富氯离子介质中的优异耐点蚀性能、优异耐应力腐蚀性能等材料特点，决定了其尤其符合水工金属钢结构不锈钢使用特点，其成本较2205造价更加低廉，略高于300系列不锈钢，但可以彻底解决300系列耐氯离子腐蚀差、强度低、硬度低的缺点，因此经济型双相不锈钢S32304适合在水工行业与海洋工程大力推广。

1、主要化学成分

S32304参照美国标准ASTM A959-09与ASTM A790/A790-14生产，现将主要化学成分与水工常用不锈钢对比：

S32304的主要性能

耐点蚀指数

耐点蚀指数PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%对比表

主要力学性能对照表

从上表数据对比可以看出，S32304的力学性能要优于S32205，达到普通奥氏体不锈钢的两倍，延伸率明显优于S32205，完全可以满足水利行业耐冲击，抗摩擦的用途。

S2304经济型双相钢的主要优势

1、节约贵金属镍，价格稳定

成分设计中S32304Ni含量为4.5%，Mo含量为0.46，原材料成本低，受国际镍价波动影响幅度较小，符合我国贫镍国情，目前主要存在批量不足，工艺成本较高，如果可以形成批量，其售价略高于304，但远低于S32205，经济优势明显，可以大幅降低工程造价。通常采用双相不锈钢S32304制造的设备，要比常用的奥氏体304厚度可减少30-50%，有利于降低制造成本。

2、高强度，降低设计厚度，保证水工金属结构产品轻量化。

屈服强度是奥氏体304不锈钢的两倍，可广泛用于闸门、格栅、轨道、滑块、支垫、防护堤螺纹钢、紧固件等需要高强度和耐腐蚀的部件等，大幅度减轻设备重量，降低水工钢结构工程造价。

3、具有优良的耐腐蚀性能，特别适合耐氯离子腐蚀

S2304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。它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体316L不锈钢。

4、优良的加工性能

S32304双相不锈钢实现了N含量在500-4000ppm的精确控制，其独特的双相组织，可以实现与异种金属的焊接。 热处理工艺控制技术完善，掌握了不同合金成分下ɗ相的析出规律及防止措施，保证热处理后性能合格率达到100%，不同热输入、层间温度等焊接工艺的开发，可保证了焊接后的强度和耐蚀性。S32304还具有高的横向韧性、可切削性及良好的可锻造性能，较之S32205双相不锈钢，更容易制造爆炸焊接复合板及热处理过程中更容易控制ɗ相的析出。

综上所述，成分设计含镍量仅为304的一半，采用双相不锈钢S32304在水工钢结构中，取代传统奥氏体304不锈钢，不仅可以节约贵金属镍，利国利民，下游水工钢结构制造成本易控，促进水工钢结构企业健康发展，保证水工金属结构的先进性、合理性、经济型，促进我国水工金属结构提质升级意义重大。

双相钢的品种与发展

随着双相不锈钢家族的壮大，其品种、牌号、类型日趋完善，在2205型双相不锈钢的基础上，通过进一步提高铬、钼或钨、氮含量的水平，人们相继开发出了超级双相不锈钢和特超级双相不锈钢，如2507、2707、 3207等，这些双相不锈钢的PREN值大于40，甚至达到50，此类双相不锈钢的强度更高，耐蚀性能可以达到超级奥氏体不锈钢，甚至达到镍基合金材料的水平。在另外一个方向，人们通过以氮代镍，降低钼、镍贵金属元素含量水平，开发出了经济型双相不锈钢，其镍含量一般低于4%、铬含量约为21%、氮含量大于0.15%，如S32101、 S32001、S32003等。其中S32304双相不锈钢耐点蚀性能等同于316L，远优于304奥氏体不锈钢，但强度是其两倍，原材料成本更是显著降低。

双相钢产品种类包括板材、圆钢、螺纹管、线材、钢管、锻件、铸件等，不同牌号的PREN值可以从22变化到40，这比304和316L牌号之间的差异更大。因此，为广大水工钢结构设计人员提供了更加广阔的选材方案，科研院所做好相关技术储备，性能分析及产品鉴定，并在实际工程中推广使用，在应用实践过程中，积累各种牌号的应用经验，在不同的环境与工况下实现搭配组合使用，并及时反馈使用中遇到的问题，以便进行钢种成分设计及性能改善，开发出更适合于水工钢结构的不锈钢材料,并逐步形成水工钢结构用钢规范和行业标准，编制加工使用手册，引导下游水工金属结构生产企业正确使用双相不锈钢，系统性地解决水工钢结构存在的材料腐蚀等难点问题，促进我国水工钢结构提质升级。

双相不锈钢的应用案例

波斯湾国家卡塔尔新建的新多哈国际机场屋顶来说，还要遭受紫外线强、高温、磨蚀等影响。传统的建筑材料耐点蚀性能不足，施工方最初建议使用钛合金来建造机场屋顶，但由于其施工困难、成本高昂，不得不放弃使用该材料，转而考虑采用经久耐用、全寿命周期成本更有优势的双相不锈钢S32101，建造出了世界上最大的波浪形不锈钢屋顶。摩纳哥公国选用S32304钢筋筑堤抵御海水腐蚀，设计寿命超过百年。法国歇尔山挡潮闸八扇门使用S32304作为面板，防止海水腐蚀及减轻启闭重量，我国香港的昂船洲大桥（图4），设计寿命120年并免维修，这座连接香港和深圳的跨海湾高速公路大桥共使用了约2000吨2205钢板制造桥塔上部的外表面结构，另外还使用了约1250吨2205和316作为高速路钢筋，世界上总体跨度最长的跨海大桥——港珠澳大桥中，设计寿命120年，采用了8200吨S3204双相不锈钢钢筋，主要应用在大桥的承台、塔座及墩身等多个部位。浙江文莱石化海水淡化项目使用2000余吨32304，上电集团电站辅机厂为该项目制作海水淡化设备，在水利工程上，目前广西百色船闸、平寨人字门、珠海石角船闸等均开始设计及使用，开创了我国水电钢结构采用经济型双相钢S32304的先例，经济型双相不锈钢依靠其独特的性能和更加经济的成本，必将在水工钢结构耐腐蚀方面发挥更大的作用，并创造更多的经济效益和社会效益。