国产不锈钢材料在工业应用中的一些问题

　　摘要：对列举了一些国产300系列奥氏体不锈钢产品在工业应用中常出现的问题，并对这些问题产生的原因进行了深入分析，同时也提出了一些改进意见。

　　关键词：奥氏体不锈钢；原因分析；改进措施

　　1、概述

　　不锈钢材料在工业生产装置中的应用是很广泛的，几乎每个生产单元都会用到，例如：石油加工装置中有高温环烷酸、硫化氢、高温氢、盐等介质存在的工况条件，都常常采用不锈钢材料来抗腐蚀；化工和化肥装置中的严重腐蚀环境和高温环境也常采用不锈钢材料；电力装置的高温环境也常用不锈钢做耐热材料；食品、医药等有洁净要求的环境也大量采用不锈钢材料，等等。在这些不锈钢材料中，300系列奥氏体不锈钢占85%以上。

　　在众多的工业用不锈钢产品中，用量最大的是钢板和钢管（包括无缝钢管和焊接钢管）。

　　受国内生产商的加工设备能力和产品质量稳定性等方面的影响，目前工业生产装置上采用的300系列奥氏体不锈钢还是采用进口产品，例如：高温、高压、临氢工况条件下应用的加热炉炉管和换热管；高温、高压、临氢工况条件下应用的大直径工艺管道；尿素级不锈钢钢管和钢板；需要大变形量加工的板式换热器用钢板；高温、高压工况条件下采用的宽厚板，等等。

　　应该说，300系列奥氏体不锈钢材料是一种很成熟的材料，也是具有优良加工性能的材料。国内的生产技术、生产装备也基本上能满足产品生产的需要。但国内的用户还是针对特定的介质条件而选择进口产品，究其原因，是很复杂的。其中，有国内的产品质量问题，有用户的思维定势和技术判断力问题，也有国内生产企业的生产经营理念和生产管理方面的问题。

　　目前，工程界比较流行一种新的设计理念，即风险设计。也就是说，工程设计中的很多设计方案是好与不好的问题，是风险概率的问题，而不是非此即彼的问题。就300系列不锈钢产品的进口和国产来说，没有人说在一些工况条件下采用国产产品就一定出问题，但由于国产产品在实际的工程实践中表现出来的种种问题，会增加用户的使用风险。

　　可喜的是，国内的生产商一直在不断地改进生产理念和生产管理，产品质量也在不断的提高，而生产装置上应用的产品国产化率也在逐年增加。

　　2、国产不锈钢在工业应用中的一些问题

　　在多年的工业建设和生产实践中，笔者碰到了一些国产不锈钢产品发生的问题。这些问题有些属于个案，可认为是偶然发生的，有些则是深层次的问题。

　　2.1 元素匹配及杂质的控制

　　2006年，遇到一个实例：国内某个炼油工程对进口的SS321钢管提出这样一个要求，即要求所供钢管须进行550℃高温拉伸试验，并要求在550℃时的瞬时拉伸屈服极限不低于180MPa。按ASME规范推算，SS321钢管在550℃时的屈服极限只要不低于121.3MPa即可。很显然，设计方将材料的屈服指标要求提高了近50%。

　　首先，这样的要求是缺乏依据的。其次，这样的要求是没有必要的。因为作为设计依据的ASME规范给出的许用应力是设计方无法提高的，在许用应力不能提高的情况下，要求如此高的屈服强度也就毫无意义。

　　在这里想说的是：国内的一些生产商竟答应了这样的要求，而且是通过采取一些临时措施来满足这些要求的。而国外的工厂则不接受这样的要求，理由是：虽然通过临时措施，如降低稳定化热处理温度、缩短稳定化热处理时间、单项增加铬元素含量或添加一定量的铌等都可以提高材料的高温强度，但却打破了他们原来的、经过一系列形式试验证明了的、成熟的元素配比，虽然高温强度提高了，但其他方面的性能，如耐腐蚀性、焊接性能、材料的韧性等可能发生不利变化，甚至达不到标准或既定的要求。

　　这实际上反映了一个深层次的问题：一个成熟而且良好的产品，是经过一系列的形式试验证明了的，并通过最终形成的加工工序指标来保证工业化生产的产品质量。其中包括，不是材料中的每个单个元素满足标准要求就可以的，而且还应考虑某些元素间的配比关系，如铬/镍比、硫/锰比、碳/钛比等。国内的一些生产商往往忽略了元素间的比例对材料性能的影响，因此使得最终的产品性能不稳定。

　　除了化学成分的匹配要求之外，诸如材料中的残余元素、杂质元素、材料的纯净度、产品金属的晶粒度等，虽然在很多标准中没有要求，但它们对材料的性能都会产生影响，甚至在一些工况条件下呈现出不可忽视的影响。所以，产品仅仅满足标准的最低要求，有时候是行不通的。

　　2.2 残余铁素体含量

　　近几年来，笔者至少碰到过3次国产SS304/321/316钢管和法兰铁素体超标问题，表现为产品对磁铁有吸引现象。

　　对于300系列奥氏体不锈钢产品，铁素体含量较高时，不仅降低材料的耐腐蚀性能，还会降低材料的韧性，尤其是当产品用于高温环境时，材料有产生σ等脆性相的危险。产品金属中一旦出现足够多的脆性相，可能会产生严重的后果。

　　铁素体含量过高的问题多数是由热处理不当引起的，也有化学成分控制不当引起的。此类问题的多次发生，实际上反映了一些生产商在生产中质量控制不到位的现状。

　　2.3 晶间腐蚀

　　针对300系列不锈钢钢管的晶间腐蚀合格率，我们进行了一个市场调查。调查发现，国内钢管厂的晶间腐蚀一次合格率（按ASTMA262E法）为60%~70%，而国外的几个主流供货商的一次合格率几乎为100%。这就产生一个问题：同样都是满足标准要求的产品，为什么会有这样的差别？

　　前面的介绍已经部分回答了这个问题。不锈钢晶间腐蚀合格率问题实际上是一个综合问题，它包括一些主加元素的匹配问题、残余元素和杂质元素的控制问题、热处理控制问题、变形加工过程中的变形控制问题等等。同时，它再次说明：有时候，一个产品仅仅满足标准的最低要求是不够的。

　　2.4 表面质量

　　主要表现在重皮、酸洗不到位、尺寸偏差等。以下是几个工程案例：

　　（1）某食品加工装置采购的国产304无缝钢管，当进行钢管切割时，从断面处发现钢管的内表面发黑。结果诊断为酸洗不彻底。

　　（2）某板式换热器厂采用国产不锈钢薄板加工波纹板时，结果频现开裂、不规则变形等问题，表现为深冲性能欠佳。最后，工厂选择了进口钢板。

　　（3）某国内不锈钢钢管厂为国外的一个换热器厂提供了数百吨的换热器管。在换热器厂对管子进行涨接连接时，频现开裂问题。结果诊断为钢管的塑性较差，并初步认为是由较多的非金属夹杂物所致。

　　（4）国内某大型不锈钢焊管厂，在采用国内某工厂生产的钢板进行制管时，频繁发现成品钢管在酸洗钝化后出现分层、脱皮等现象。最后，该工厂不得不更换其他工厂生产的钢板。

　　类似的案例还有很多。正是由于这些问题的频繁发生，才使用户在一些情况下宁可多花钱也要买进口的成品，同时也说明国产与进口产品的差距。

　　3、国产不锈钢质量问题的分析

　　国产不锈钢产品频繁出现问题，主要原因有以下几个方面。

　　3.1 工厂的经营理念

　　正如前面已经提到的，国内的许多生产商都以“只要其产品符合标准要求就行了”作为最终控制目标。很显然，多数情况下仅做到满足标准要求是不够的。例如，对于高温环境下应用的金属材料，当环境温度高于材料蠕变发生的门限温度时，蠕变和持久强度往往对材料的使用性能起决定作用，而金属材料的常温性能与高温性能并非是完全对等的。因此，对于某些常用高温的材料，即使制造标准没有关于高温蠕变和持久指标的要求，生产商还是应该进行此类形式试验。可惜的是，国内的一些工厂并不愿意进行此类形式试验。

　　在我们与国外众多生产商的接触中，强烈的感受到他们从来不以标准的最小要求作为控制目标的。

　　涉及到经营理念的问题还可以列举很多，例如企业研发的投入问题。总之，正因为国内外生产商的生产经验理念的差异，导致众多用户产生这样一个思维定势：用进口产品是可以放心的。

　　3.2 形式试验

　　形式试验不完整是国内金属加工企业普遍存在的一个问题，尤其是一些小规模生产企业，这方面的问题更加突出。形式试验不完整，会直接影响到产品的使用性能，或导致产品质量的不稳定。下面挑选几个方面进行说明：

　　（1）化学成分的筛选。

　　前面说过，在很多情况下，金属产品中的每个元素都满足标准要求是不够的，还要兼顾一些元素的匹配问题。业内人士都知道，标准给出的元素含量都是一个范围，每个元素的含量只要都落入标准规定的范围，都是合格的材料。但当每个元素的含量上下变化时，都可能引起材料性能一定程度的变化，包括耐腐蚀性、材料塑性和韧性、焊接性能、高温性能的变化等。负责任的制造商应该对这些变化进行试验分析，对元素的变化进而引起的材料性能变化的关联关系做进一步筛选和评定，找出最佳的比例关系，固定下来，并作为生产控制指标。只有这样才能保证工业化批量生产的质量稳定。否则，就会出现产品质量时好时差的问题。

　　除了主加元素的筛选和评定之外，还应该对不同的残余元素、杂质元素、非金属夹杂物的含量等对产品性能的影响进行筛选和评定，并给出为满足一定的质量等级而设置的内控指标。反之，就很容易出现前面提到的质量问题。

　　（2）热处理参数的筛选。

　　热处理也是影响产品最终性能的主要因素之一。制造标准给出了热处理温度范围或最低热处理温度要求，并没用对相关的细节给出要求，这需要生产商根据产品的材料种类、产品的尺寸（尤其是厚度）、产品在变形加工过程中的变形方式和变形量、加热炉温度偏差等因素进行更精确的确定。多数情况下针对不同的情况，热处理参数是不同的。

　　热处理温度过高，或恒温时间过长，会引起材料表面脱碳、晶粒长大、甚至过烧等问题；温度较低，或恒温时间较短，可能会导致变形晶粒恢复不完全、材料性能下降等问题。合适的热处理参数，也是需要制造商通过一系列形式试验进行筛选和评定的。否则，也会造成工业化批量生产的产品性能的不稳定。

　　（3）变形加工方法的筛选。

　　不同的加工方法，获得的产品性能是有很大差别的。加工参数的筛选与评定，也直接影响到产品的质量。

　　形式试验的内容远不止上面提到的这些。应该说，凡是影响到最终产品质量的工序参数，都应通过形式试验进行筛选和评定，排除一切可能对最终产品质量不利的因素，以保证工业化生产的产品质量。

　　3.3 细节处理

　　客观地讲，国内产品出现的各种问题，很多情况下并不是一个技术问题，而是在细节处理上。所谓的细节包括在产品设计、形式试验、原材料控制、生产参数控制、热处理控制、检查试验、质量控制、员工的技能、员工的责任心等各个环节和各个层面。前面提到的化学成分控制、热处理控制、成型参数的控制都属于细节处理的范围。

　　以不锈钢的酸洗钝化为例：某工厂供应的一批钢管中，由于酸洗钝化处理的不好，使得钢管表面明显地呈现不同的颜色，其中一部分呈过度酸洗状态。很显然，这是生产管理不到位的一个细节问题。

　　3.4 质量管理

　　ISO9001是一个非常好的质量控制程序，但到了中国制造商手里就变了味。其中一个重要的原因是，ISO9001本身只是一个系统程序，只有配以好的作业程序，才能保证最终的产品质量。如果一个生产商的作业程序内容不好，也就是说编制的作业文件水平不高、参数不全、指标不明确，那么产品的质量水平就差，操作工人执行起来的偏差也较大，最终导致产品质量也较低。

　　4、结束语

　　针对上述问题和分析，笔者也与业内的许多人员进行了探讨，尤其是一些生产企业表示也存在文中讲到的问题。希望有更多的不锈钢产品生产企业能够从文中得到启示，检查并改正不足的习惯做法，从而生产出质量稳定、可靠的产品，进而提升国产品牌的认知度，全面参与国际市场的竞争。

　　文/杨永恩 王丽梅