ASME SA213 T91: ما مقدار ما تعرفه؟

الخلفية والمقدمة

ASME SA213 T91، رقم الفولاذ في ASME SA213/SA213M ينتمي هذا الفولاذ القياسي إلى الفولاذ المحسن 9Cr-1Mo، والذي تم تطويره من سبعينيات إلى ثمانينيات القرن العشرين بواسطة مختبر Rubber Ridge الوطني الأمريكي ومختبر المواد المعدنية التابع لشركة هندسة الاحتراق الأمريكية بالتعاون. تم تطويره على أساس الفولاذ 9Cr-1Mo السابق، المستخدم في مواد الأجزاء المضغوطة عالية الحرارة للطاقة النووية (يمكن استخدامه أيضًا في مجالات أخرى)، وهو الجيل الثالث من منتجات الفولاذ ذات القوة الساخنة؛ ميزتها الرئيسية هي تقليل محتوى الكربون، في الحد من الحدود العليا والسفلى لمحتوى الكربون، ورقابة أكثر صرامة على محتوى العناصر المتبقية، مثل P و S، في نفس الوقت، إضافة أثر من 0.030-0.070% من N، وآثار من عناصر تشكيل الكربيد الصلبة 0.18-0.25% من V و0.06-0.10% من Nb، لتحسين متطلبات الحبوب، وبالتالي تحسين صلابة البلاستيك وقابلية اللحام للصلب، وتحسين استقرار الصلب في درجات الحرارة العالية، بعد هذا التعزيز متعدد المركبات، وتشكيل نوع جديد من سبائك الفولاذ المقاوم للحرارة المارتنسيتية عالية الكروم.

ASME SA213 T91، عادة ما يتم إنتاج منتجات للأنابيب ذات القطر الصغير، ويتم استخدامها بشكل أساسي في الغلايات وأجهزة التسخين الفائقة والمبادلات الحرارية.

الدرجات الدولية المقابلة للفولاذ T91

دولة	الولايات المتحدة الأمريكية	ألمانيا	اليابان	فرنسا	الصين
درجة الفولاذ المكافئة	SA-213 T91	X10CrMoVNNb91	إتش سي إم 95	TUZ10CDVNb0901	10Cr9Mo1VNbN

سوف نتعرف على هذا الفولاذ من عدة جوانب هنا.

أولا: التركيب الكيميائي من ASME SA213 T91

عنصر	ج	من	ص	س	سي	سجل تجاري	شهر	ني	الخامس	ملحوظة	ن	آل
محتوى	0.07-0.14	0.30-0.60	.00.020	.00.010	0.20-0.50	8.00-9.50	0.85-1.05	.40.40	0.18-0.25	0.06-0.10	0.030-0.070	.00.020

II. تحليل الأداء

2.1 دور عناصر السبائك على خصائص المواد: تلعب عناصر سبائك الفولاذ T91 دورًا في تقوية المحلول الصلب وتعزيز الانتشار وتحسين مقاومة الفولاذ للأكسدة والتآكل، ويتم تحليلها صراحةً على النحو التالي.
2.1.1 الكربون هو التأثير الأكثر وضوحًا لتعزيز المحلول الصلب لعناصر الفولاذ؛ مع زيادة محتوى الكربون، تنخفض قوة الفولاذ على المدى القصير، والمرونة، والصلابة، مثل الفولاذ T91، فإن ارتفاع محتوى الكربون سيسرع من سرعة كروية الكربيد وسرعة التجميع، ويسرع إعادة توزيع عناصر السبائك، مما يقلل من قابلية اللحام ومقاومة التآكل ومقاومة الأكسدة للفولاذ، لذلك يرغب الفولاذ المقاوم للحرارة عمومًا في تقليل كمية محتوى الكربون. ومع ذلك، ستنخفض قوة الفولاذ إذا كان محتوى الكربون منخفضًا جدًا. يتمتع الفولاذ T91، مقارنة بالفولاذ 12Cr1MoV، بمحتوى كربون مخفض يبلغ 20%، وهو اعتبار دقيق لتأثير العوامل المذكورة أعلاه.
2.1.2 يحتوي فولاذ T91 على آثار من النيتروجين؛ وينعكس دور النيتروجين في جانبين. من ناحية، دور تقوية المحلول الصلب، والنيتروجين في درجة حرارة الغرفة في قابلية ذوبان الفولاذ ضئيل، ومنطقة التأثر بالحرارة الملحومة بفولاذ T91 في عملية تسخين اللحام والمعالجة الحرارية بعد اللحام، سيكون هناك تتابع لعملية المحلول الصلب وترسيب VN: تم تشكيل منطقة التأثر بالحرارة لتسخين اللحام داخل المنظمة الأوستنيتية بسبب قابلية ذوبان VN، ويزداد محتوى النيتروجين، وبعد ذلك، تزداد درجة التشبع الفائق في تنظيم درجة حرارة الغرفة في المعالجة الحرارية اللاحقة للحام، وهناك ترسب طفيف لـ VN، مما يزيد من استقرار التنظيم ويحسن قيمة القوة الدائمة لمنطقة التأثر بالحرارة. من ناحية أخرى، يحتوي فولاذ T91 أيضًا على كمية صغيرة من A1؛ يمكن تشكيل النيتروجين مع A1N، A1N في أكثر من 1 100 ℃ فقط عدد كبير من المذاب في المصفوفة، ثم يعاد ترسيبه في درجات حرارة منخفضة، مما يمكن أن يلعب تأثير تقوية الانتشار بشكل أفضل.
2.1.3 إضافة الكروم بشكل أساسي لتحسين مقاومة الأكسدة للفولاذ المقاوم للحرارة ومقاومة التآكل، ومحتوى الكروم أقل من 5%، 600 ℃ بدأ يتأكسد بعنف، في حين أن كمية محتوى الكروم حتى 5% لها مقاومة أكسدة ممتازة. يتمتع الفولاذ 12Cr1MoV في 580 ℃ التالية بمقاومة أكسدة جيدة، وعمق التآكل 0.05 مم / أ، 600 ℃ عندما بدأ الأداء في التدهور، وعمق التآكل 0.13 مم / أ. T91 يحتوي على محتوى كروم يبلغ 1 100 ℃ قبل عدد كبير من المذاب في المصفوفة، وفي درجات حرارة أقل وإعادة الترسيب يمكن أن تلعب تأثير تقوية انتشار الصوت. /T91 تم زيادة محتوى الكروم إلى حوالي 9%، ويمكن أن يصل استخدام درجة الحرارة إلى 650 درجة مئوية، والتدبير الأساسي هو جعل المصفوفة تذوب في المزيد من الكروم.
2.1.4 الفاناديوم والنيوبيوم من العناصر الأساسية في تشكيل الكربيدات. وعند إضافتهما لتشكيل كربيد سبيكة ناعم ومستقر مع الكربون، يحدث تأثير تقوية الانتشار الصلب.
2.1.5 يؤدي إضافة الموليبدينوم بشكل أساسي إلى تحسين القوة الحرارية للفولاذ وتقوية المحاليل الصلبة.

2.2 الخصائص الميكانيكية

تتمتع كتلة T91، بعد المعالجة الحرارية النهائية للتطبيع + التبريد عالي الحرارة، بقوة شد في درجة حرارة الغرفة ≥ 585 ميجا باسكال، وقوة خضوع في درجة حرارة الغرفة ≥ 415 ميجا باسكال، وصلابة ≤ 250 HB، واستطالة (تباعد 50 مم للعينة الدائرية القياسية) ≥ 20%، وقيمة الإجهاد المسموح بها [σ] 650 ℃ = 30 ميجا باسكال.

عملية المعالجة الحرارية: درجة حرارة التطبيع 1040 درجة مئوية، وقت الاحتفاظ لا يقل عن 10 دقائق، درجة حرارة التلطيف 730 ~ 780 درجة مئوية، وقت الاحتفاظ لا يقل عن ساعة واحدة.

2.3 أداء اللحام

وفقًا لصيغة المكافئ الكربوني الموصى بها من قبل معهد اللحام الدولي، يتم حساب المكافئ الكربوني لفولاذ T91 عند 2.43%، وقابلية اللحام المرئية لفولاذ T91 ضعيفة.
الفولاذ لا يميل إلى إعادة التسخين التشقق.

2.3.1 مشاكل اللحام T91

2.3.1.1 تشقق التنظيم المتصلب في المنطقة المتأثرة بالحرارة
سرعة التبريد الحرجة لـ T91 منخفضة، والأوستينيت مستقر للغاية، ولا يحدث التبريد بسرعة أثناء تحويل البيرلايت القياسي. يجب تبريده إلى درجة حرارة أقل (حوالي 400 درجة مئوية) للتحول إلى مارتنسيت ومنظمة خشنة.
اللحام الناتج عن المنطقة المتأثرة بالحرارة للمنظمات المختلفة له كثافات مختلفة ومعاملات تمدد وأشكال شبكية مختلفة في عملية التسخين والتبريد سيصاحبه حتماً تمدد وانكماش حجمي مختلف؛ من ناحية أخرى، بسبب تسخين اللحام له خصائص غير متساوية وعالية الحرارة، لذلك فإن المفاصل الملحومة T91 تتعرض لضغوط داخلية هائلة. المفاصل المنظمة المارتنسيتية الخشنة المتصلبة التي تكون في حالة إجهاد معقدة، في نفس الوقت، عملية تبريد اللحام انتشار الهيدروجين من اللحام إلى منطقة التماس القريبة، ساهم وجود الهيدروجين في هشاشة المارتنسيت، هذه التركيبة من التأثيرات، من السهل إنتاج شقوق باردة في المنطقة المطفأة.

2.3.1.2 نمو الحبوب في المنطقة المتأثرة بالحرارة
تؤثر الدورة الحرارية للحام بشكل كبير على نمو الحبوب في المنطقة المتأثرة بالحرارة للمفاصل الملحومة، وخاصة في منطقة الانصهار المجاورة مباشرة لدرجة حرارة التسخين القصوى. عندما يكون معدل التبريد طفيفًا، ستظهر المنطقة المتأثرة بالحرارة الملحومة منظمة خشنة من الفريت والكربيد بحيث تقل مرونة الفولاذ بشكل كبير؛ يكون معدل التبريد مهمًا بسبب إنتاج منظمة مارتنسيت خشنة، ولكن أيضًا ستقل مرونة المفاصل الملحومة.

2.3.1.3 إنشاء طبقة ناعمة
في حالة اللحام بالصلب T91 في الحالة المخففة، تنتج المنطقة المتأثرة بالحرارة طبقة تليين حتمية، وهي أكثر حدة من تليين الفولاذ المقاوم للحرارة المصنوع من البيرلايت. يكون التليين أكثر وضوحًا عند استخدام المواصفات ذات معدلات التسخين والتبريد الأبطأ. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط عرض الطبقة المخففة ومسافتها من خط الانصهار بظروف التسخين وخصائص اللحام والتسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام.

2.3.1.4 التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي
الفولاذ T91 في المعالجة الحرارية بعد اللحام قبل درجة حرارة التبريد لا تقل عمومًا عن 100 درجة مئوية. إذا كان التبريد في درجة حرارة الغرفة وكانت البيئة رطبة نسبيًا، فمن السهل حدوث تشققات تآكل الإجهاد. اللوائح الألمانية: قبل المعالجة الحرارية بعد اللحام، يجب تبريده إلى أقل من 150 درجة مئوية. في حالة قطع العمل الأكثر سمكًا، واللحامات الجانبية، والهندسة الرديئة، لا تقل درجة حرارة التبريد عن 100 درجة مئوية. إذا كان التبريد في درجة حرارة الغرفة والرطوبة محظورًا تمامًا، فمن السهل حدوث شقوق تآكل الإجهاد.

2.3.2 عملية اللحام

2.3.2.1 طريقة اللحام: يمكن استخدام اللحام اليدوي، أو اللحام المحمي بالغاز باستخدام قطب التنغستن، أو اللحام الأوتوماتيكي باستخدام قطب الانصهار.
2.3.2.2 مادة اللحام: يمكن اختيار سلك اللحام أو قضيب اللحام WE690.

اختيار مواد اللحام:
(1) لحام نفس النوع من الفولاذ - إذا كان من الممكن استخدام اللحام اليدوي لصنع قضيب اللحام اليدوي CM-9Cb، فيمكن استخدام اللحام المحمي بغاز التنغستن لصنع TGS-9Cb، ويمكن استخدام اللحام الأوتوماتيكي لعمود الصهر لصنع سلك MGS-9Cb؛
(2) لحام الفولاذ غير المتشابه - مثل اللحام باستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المتوفر بمواد اللحام الاستهلاكية ERNiCr-3.

2.3.2.3 نقاط عملية اللحام:
(1) اختيار درجة حرارة التسخين المسبق قبل اللحام
تبلغ نقطة Ms للفولاذ T91 حوالي 400 درجة مئوية؛ ويتم اختيار درجة حرارة التسخين المسبق بشكل عام عند 200 ~ 250 درجة مئوية. لا يمكن أن تكون درجة حرارة التسخين المسبق مرتفعة للغاية. خلاف ذلك، يتم تقليل معدل تبريد المفصل، والذي قد يحدث في المفاصل الملحومة عند حدود الحبوب لترسب الكربيد وتكوين منظمة الفريت، وبالتالي تقليل صلابة الصدمات للمفاصل الملحومة الفولاذية بشكل كبير في درجة حرارة الغرفة. توفر ألمانيا درجة حرارة تسخين مسبق تتراوح من 180 إلى 250 درجة مئوية؛ توفر USCE درجة حرارة تسخين مسبق تتراوح من 120 إلى 205 درجة مئوية.

(2) اختيار قناة اللحام / درجة حرارة الطبقة البينية
لا ينبغي أن تكون درجة حرارة الطبقة الداخلية أقل من الحد الأدنى لدرجة حرارة التسخين المسبق. ومع ذلك، كما هو الحال مع اختيار درجة حرارة التسخين المسبق، لا يمكن أن تكون درجة حرارة الطبقة الداخلية مرتفعة للغاية. يتم التحكم في درجة حرارة الطبقة الداخلية للحام T91 بشكل عام عند 200 ~ 300 درجة مئوية. اللوائح الفرنسية: لا تتجاوز درجة حرارة الطبقة الداخلية 300 درجة مئوية. اللوائح الأمريكية: يمكن تحديد درجة حرارة الطبقة الداخلية بين 170 ~ 230 درجة مئوية.

(3) اختيار درجة حرارة بدء المعالجة الحرارية بعد اللحام
تتطلب T91 تبريدًا بعد اللحام إلى أقل من نقطة Ms والاحتفاظ بها لفترة معينة قبل معالجة التقسية، بمعدل تبريد بعد اللحام يتراوح من 80 إلى 100 درجة مئوية / ساعة. إذا لم يتم عزلها، فقد لا يتحول التنظيم الأوستنيتي للمفصل بالكامل؛ سيعزز تسخين التقسية ترسب الكربيد على طول حدود الحبوب الأوستنيتية، مما يجعل التنظيم هشًا للغاية. ومع ذلك، لا يمكن تبريد T91 إلى درجة حرارة الغرفة قبل التقسية بعد اللحام لأن التشقق البارد أمر خطير عندما يتم تبريد وصلاته الملحومة إلى درجة حرارة الغرفة. بالنسبة لـ T91، فإن أفضل درجة حرارة بدء معالجة حرارية بعد اللحام تتراوح من 100 إلى 150 درجة مئوية والاحتفاظ بها لمدة ساعة يمكن أن تضمن تحول التنظيم الكامل.

(4) اختيار درجة حرارة المعالجة الحرارية بعد اللحام، ووقت التثبيت، ومعدل تبريد المعالجة
درجة حرارة التلطيف: ميل التشقق البارد لفولاذ T91 أكثر أهمية، وفي ظل ظروف معينة، يكون عرضة للتشقق المتأخر، لذلك يجب تلطيف المفاصل الملحومة في غضون 24 ساعة بعد اللحام. يمكن تغيير حالة ما بعد اللحام T91 لتنظيم مارتنسيت الشبكة، بعد التلطيف، إلى مارتنسيت مخفف؛ أداؤه متفوق على مارتنسيت الشبكة. درجة حرارة التلطيف منخفضة؛ تأثير التلطيف غير واضح؛ المعدن الملحوم سهل الشيخوخة والهشاشة؛ درجة حرارة التلطيف مرتفعة للغاية (أكثر من خط AC1)، قد يتم أوستنيت المفصل مرة أخرى، وفي عملية التبريد اللاحقة لإعادة الإخماد. في الوقت نفسه، كما هو موضح سابقًا في هذه الورقة، يجب أن يأخذ تحديد درجة حرارة التلطيف في الاعتبار أيضًا تأثير طبقة تليين المفصل. بشكل عام، درجة حرارة تلطيف T91 من 730 ~ 780 ℃.
وقت الاحتفاظ: يتطلب T91 وقت الاحتفاظ بالتسخين بعد اللحام لمدة ساعة على الأقل لضمان تحول تنظيمه بالكامل إلى مارتنسيت مخفف.
معدل تبريد التلطيف: لتقليل الإجهاد المتبقي في الوصلات الملحومة بالفولاذ T91، يجب أن يكون معدل التبريد أقل من خمس درجات مئوية / دقيقة.
بشكل عام، يمكن التعبير بشكل موجز عن عملية لحام الفولاذ T91 في عملية التحكم في درجة الحرارة في الشكل أدناه:

ثالثًا: فهم معيار ASME SA213 T91

3.1 الفولاذ T91، من خلال مبدأ السبائك، وخاصة إضافة كمية صغيرة من النيوبيوم والفاناديوم والعناصر النزرة الأخرى، يحسن بشكل كبير من قوة درجات الحرارة العالية ومقاومة الأكسدة مقارنة بالفولاذ 12Cr1MoV، ولكن أداء اللحام الخاص به ضعيف.
3.2 يميل الفولاذ T91 بشكل أكبر إلى التشقق البارد أثناء اللحام ويحتاج إلى التسخين المسبق للحام إلى 200 ~ 250 درجة مئوية، للحفاظ على درجة حرارة الطبقة البينية عند 200 ~ 300 درجة مئوية، مما يمكن أن يمنع التشققات الباردة بشكل فعال.
3.3 يجب تبريد المعالجة الحرارية بعد اللحام للفولاذ T91 إلى 100 ~ 150 درجة مئوية، والعزل لمدة ساعة واحدة، ودرجة حرارة التسخين والتلطيف إلى 730 ~ 780 درجة مئوية، ووقت العزل لا يقل عن ساعة واحدة، وأخيرًا، لا تزيد سرعة التبريد إلى درجة حرارة الغرفة عن 5 درجات مئوية / دقيقة.

IV. عملية تصنيع ASME SA213 T91

تتطلب عملية تصنيع SA213 T91 عدة طرق، بما في ذلك الصهر والثقب والدرفلة. يجب أن تتحكم عملية الصهر في التركيب الكيميائي لضمان أن يتمتع الأنبوب الفولاذي بمقاومة ممتازة للتآكل. تتطلب عمليات الثقب والدرفلة التحكم الدقيق في درجة الحرارة والضغط للحصول على الخصائص الميكانيكية والدقة الأبعادية المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك، تحتاج الأنابيب الفولاذية إلى المعالجة الحرارية لإزالة الضغوط الداخلية وتحسين مقاومة التآكل.

V. تطبيقات ASME SA213 T91

ASME SA213 T91 SA213 T91 هو فولاذ مقاوم للحرارة عالي الكروم، يستخدم بشكل أساسي في تصنيع سخانات المياه عالية الحرارة وأجهزة إعادة التسخين والأجزاء المضغوطة الأخرى لغلايات محطات الطاقة دون الحرجة وفوق الحرجة مع درجات حرارة جدار معدني لا تتجاوز 625 درجة مئوية، ويمكن استخدامه أيضًا كأجزاء مضغوطة عالية الحرارة لأوعية الضغط والطاقة النووية. يتمتع SA213 T91 بمقاومة ممتازة للزحف ويمكنه الحفاظ على حجم وشكل ثابتين في درجات الحرارة العالية وتحت الأحمال الطويلة الأجل. تشمل تطبيقاته الرئيسية الغلايات وأجهزة السخان الفائقة والمبادلات الحرارية وغيرها من المعدات في صناعات الطاقة والكيميائية والبترول. يستخدم على نطاق واسع في جدران الغلايات عالية الضغط المبردة بالماء في صناعة البتروكيماويات وأنابيب الموفر وأجهزة السخان الفائقة وأجهزة إعادة التسخين والأنابيب.