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Hintergrund & Einführung

ASME SA213 T91, die Stahlnummer in der ASME SA213/SA213M Standardmäßig handelt es sich um den verbesserten 9Cr-1Mo-Stahl, der in den 1970er bis 1980er Jahren vom US Rubber Ridge National Laboratory und dem Metallurgical Materials Laboratory der US Combustion Engineering Corporation in Zusammenarbeit entwickelt wurde. Entwickelt auf der Grundlage des früheren 9Cr-1Mo-Stahls, der in der Kernenergie (kann auch in anderen Bereichen verwendet werden) als Material für hochtemperaturbeständige Teile verwendet wird, ist er die dritte Generation von warmfesten Stahlprodukten. Seine Hauptfunktion besteht in der Reduzierung des Kohlenstoffgehalts, in der Begrenzung der Ober- und Untergrenzen des Kohlenstoffgehalts und einer strengeren Kontrolle des Gehalts an Restelementen wie P und S. Gleichzeitig werden Spuren von 0,030–0,070% N und Spuren der festen karbidbildenden Elemente 0,18–0,25% V und 0,06–0,10% Nb hinzugefügt, um die Kornanforderungen zu verfeinern und dadurch die plastische Zähigkeit und Schweißbarkeit des Stahls zu verbessern sowie die Stabilität des Stahls bei hohen Temperaturen zu verbessern. Nach dieser Mehrfachverbundverstärkung entsteht ein neuer Typ von martensitischem, hitzebeständigem legiertem Stahl mit hohem Chromgehalt.

ASME SA213 T91 stellt normalerweise Produkte für Rohre mit kleinem Durchmesser her und wird hauptsächlich in Kesseln, Überhitzern und Wärmetauschern verwendet.

International entsprechende Güteklassen für T91-Stahl

Land	USA	Deutschland	Japan	Frankreich	China
Äquivalente Stahlsorte	SA-213 T91	X10CrMoVNNb91	HCM95	TUZ10CDVNb0901	10Cr9Mo1VNbN

Wir werden diesen Stahl hier unter mehreren Gesichtspunkten betrachten.

I. Chemische Zusammensetzung von ASME SA213 T91

Element

C

Mn

P

S

Si

Cr

Mo

Ni

V

Nr.

N

Al

Inhalt

0.07-0.14

0.30-0.60

≤0,020

≤0,010

0.20-0.50

8.00-9.50

0.85-1.05

≤0,40

0.18-0.25

0.06-0.10

0.030-0.070

≤0,020

II. Leistungsanalyse

2.1 Die Rolle von Legierungselementen auf die Werkstoffeigenschaften: Die Legierungselemente des Stahls T91 wirken als Festlösungs- und Diffusionsverstärkung und verbessern die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit des Stahls. Diese werden im Folgenden genauer analysiert.
2.1.1 Kohlenstoff ist der offensichtlichste feststofflösliche Verstärkungseffekt von Stahlelementen. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nehmen die kurzfristige Festigkeit, Plastizität und Zähigkeit des Stahls ab. Bei T91-Stahl beschleunigt ein Anstieg des Kohlenstoffgehalts die Geschwindigkeit der Karbidsphäroidisierung und -aggregation, beschleunigt die Umverteilung von Legierungselementen und verringert die Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit des Stahls. Daher sollte der Kohlenstoffgehalt bei hitzebeständigem Stahl im Allgemeinen gesenkt werden. Dennoch verringert sich die Festigkeit des Stahls, wenn der Kohlenstoffgehalt zu niedrig ist. T91-Stahl hat im Vergleich zu 12Cr1MoV-Stahl einen um 20% reduzierten Kohlenstoffgehalt, was eine sorgfältige Berücksichtigung der Auswirkungen der oben genannten Faktoren darstellt.
2.1.2 T91-Stahl enthält Spuren von Stickstoff. Die Rolle von Stickstoff spiegelt sich in zwei Aspekten wider. Einerseits spielt es die Rolle der Festlösungsverfestigung. Bei Raumtemperatur ist die Stickstofflöslichkeit im Stahl minimal. In der geschweißten Wärmeeinflusszone von T91-Stahl kommt es während des Schweißerwärmungsvorgangs und der Wärmebehandlung nach dem Schweißen zu einem Prozess von Festlösung und Ausfällung von VN: In der Wärmeeinflusszone beim Schweißen bildet sich aufgrund der Löslichkeit von VN eine austenitische Organisation, der Stickstoffgehalt steigt an, und danach steigt der Übersättigungsgrad in der Organisation bei Raumtemperatur an. Bei der nachfolgenden Wärmebehandlung der Schweißnaht kommt es zu einer leichten VN-Ausfällung, die die Stabilität der Organisation erhöht und den Wert der dauerhaften Festigkeit der Wärmeeinflusszone verbessert. Andererseits enthält T91-Stahl auch eine kleine Menge A1. Stickstoff kann zusammen mit AlN gebildet werden. Bei Temperaturen über 1.100 °C löst sich eine große Menge AlN nur in der Matrix und wird dann bei niedrigeren Temperaturen wieder ausgefällt, wodurch eine bessere diffusionsverstärkende Wirkung erzielt werden kann.
2.1.3 Die Zugabe von Chrom dient hauptsächlich dazu, die Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit von hitzebeständigem Stahl zu verbessern. Chromgehalte unter 5% beginnen bei 600 °C heftig zu oxidieren, während Chromgehalte bis zu 5% eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit aufweisen. 12Cr1MoV-Stahl weist bei 580 °C eine gute Oxidationsbeständigkeit auf, die Korrosionstiefe beträgt 0,05 mm/a, und bei 600 °C beginnt sich die Leistung zu verschlechtern, die Korrosionstiefe beträgt 0,13 mm/a. T91 mit einem Chromgehalt von 1 bis 100 °C löst sich vor der Verwendung in der Matrix stark auf, und bei niedrigeren Temperaturen und bei erneuter Ausfällung kann es eine gute diffusionsverstärkende Wirkung haben. /T91 Der Chromgehalt wird auf etwa 9% erhöht, die Anwendungstemperatur kann 650 °C erreichen. Die Hauptmaßnahme besteht darin, mehr Chrom in der Matrix aufzulösen.
2.1.4 Vanadium und Niob sind wichtige karbidbildende Elemente. Wenn sie zu einer feinen und stabilen Karbidlegierung mit Kohlenstoff hinzugefügt werden, entsteht ein fester diffusionsverstärkender Effekt.
2.1.5 Die Zugabe von Molybdän verbessert vor allem die Wärmefestigkeit des Stahls und verstärkt feste Lösungen.

2.2 Mechanische Eigenschaften

Der T91-Knüppel hat nach der letzten Wärmebehandlung zum Normalisieren + Hochtemperaturanlassen eine Zugfestigkeit bei Raumtemperatur ≥ 585 MPa, eine Streckgrenze bei Raumtemperatur ≥ 415 MPa, eine Härte ≤ 250 HB, eine Dehnung (50 mm Abstand der Standardkreisprobe) ≥ 20% und den zulässigen Spannungswert [σ] 650 ℃ = 30 MPa.

Wärmebehandlungsprozess: Normalisierungstemperatur von 1040 °C, Haltezeit von nicht weniger als 10 Minuten, Anlasstemperatur von 730 – 780 °C, Haltezeit von nicht weniger als einer Stunde.

2.3 Schweißleistung

Entsprechend der empfohlenen Formel zum Kohlenstoffäquivalent des International Welding Institute errechnet sich das Kohlenstoffäquivalent von T91-Stahl mit 2,43%, und die sichtbare Schweißbarkeit von T91 ist schlecht.
Der Stahl neigt nicht zur Wiedererwärmungsrissbildung.

2.3.1 Probleme beim T91-Schweißen

2.3.1.1 Rissbildung bei gehärteter Organisation in der Wärmeeinflusszone
Die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit von T91 ist niedrig, Austenit ist sehr stabil und die Abkühlung erfolgt bei der normalen Perlitumwandlung nicht schnell. Um in Martensit und grobe Organisation umgewandelt zu werden, muss es auf eine niedrigere Temperatur (ca. 400 °C) abgekühlt werden.
Beim Schweißen entstehen unterschiedliche Organisationsformen der Wärmeeinflusszone mit unterschiedlichen Dichten, Ausdehnungskoeffizienten und unterschiedlichen Gitterformen, die beim Erhitzen und Abkühlen zwangsläufig mit unterschiedlicher Volumenausdehnung und -kontraktion einhergehen. Andererseits hat das Schweißen aufgrund der ungleichmäßigen Erwärmung und der Hochtemperatureigenschaften enorme innere Spannungen, sodass die Schweißverbindungen T91 enormen inneren Spannungen ausgesetzt sind. Gehärtete Verbindungen mit grober Martensitorganisation befinden sich in einem komplexen Spannungszustand. Gleichzeitig diffundiert beim Abkühlen der Schweißnaht Wasserstoff von der Schweißnaht in den Nahtbereich. Das Vorhandensein von Wasserstoff trägt zur Martensitversprödung bei. Diese Kombination von Effekten führt leicht zur Bildung von Kaltrissen im abgeschreckten Bereich.

2.3.1.2 Kornwachstum in der Wärmeeinflusszone
Thermische Zyklen beim Schweißen beeinflussen das Kornwachstum in der Wärmeeinflusszone von Schweißverbindungen erheblich, insbesondere in der Schmelzzone unmittelbar neben der maximalen Heiztemperatur. Wenn die Abkühlrate gering ist, erscheint in der geschweißten Wärmeeinflusszone eine grobe, massive Ferrit- und Karbidstruktur, sodass die Plastizität des Stahls erheblich abnimmt. Die Abkühlrate ist aufgrund der Bildung einer groben Martensitstruktur erheblich, aber auch die Plastizität der Schweißverbindungen wird reduziert.

2.3.1.3 Erzeugung der erweichten Schicht
Beim Schweißen von T91-Stahl im angelassenen Zustand bildet sich in der Wärmeeinflusszone eine unvermeidliche Erweichungsschicht, die stärker ist als die Erweichung von hitzebeständigem Perlitstahl. Die Erweichung ist deutlicher, wenn Spezifikationen mit langsameren Heiz- und Abkühlraten verwendet werden. Darüber hinaus hängen die Breite der erweichten Schicht und ihr Abstand von der Schmelzlinie mit den Heizbedingungen und -eigenschaften des Schweißens, Vorwärmens und der Wärmebehandlung nach dem Schweißen zusammen.

2.3.1.4 Spannungsrisskorrosion
Bei T91-Stahl beträgt die Abkühltemperatur bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen im Allgemeinen nicht weniger als 100 °C. Wenn die Abkühlung bei Raumtemperatur und relativ feuchter Umgebung erfolgt, kann es leicht zu Spannungsrisskorrosion kommen. Deutsche Vorschriften: Vor der Wärmebehandlung nach dem Schweißen muss auf unter 150 °C abgekühlt werden. Bei dickeren Werkstücken, Kehlnähten und schlechter Geometrie beträgt die Abkühltemperatur nicht weniger als 100 °C. Wenn die Abkühlung bei Raumtemperatur und Feuchtigkeit strengstens untersagt ist, kann es leicht zu Spannungsrisskorrosion kommen.

2.3.2 Schweißverfahren

2.3.2.1 Schweißverfahren: Es kann Handschweißen, Wolframpol-Schutzgasschweißen oder Schmelzpol-Automatenschweißen verwendet werden.
2.3.2.2 Schweißmaterial: Sie können zwischen WE690-Schweißdraht oder Schweißstab wählen.

Auswahl des Schweißmaterials:
(1) Schweißen der gleichen Stahlsorte – wenn Handschweißen verwendet werden kann, um CM-9Cb-Handschweißstäbe herzustellen, kann Wolframgasschweißen verwendet werden, um TGS-9Cb herzustellen, kann automatisches Schmelzpolschweißen verwendet werden, um MGS-9Cb-Draht herzustellen;
(2) Schweißen von ungleichen Stählen - beispielsweise beim Schweißen mit austenitischem Edelstahl stehen ERNiCr-3-Schweißzusätze zur Verfügung.

2.3.2.3 Schweißprozesspunkte:
(1) die Wahl der Vorwärmtemperatur vor dem Schweißen
Der Ms-Punkt von T91-Stahl liegt bei etwa 400 °C; die Vorwärmtemperatur wird im Allgemeinen bei 200 bis 250 °C gewählt. Die Vorwärmtemperatur darf nicht zu hoch sein. Andernfalls wird die Abkühlrate der Verbindung verringert, was zu Karbidausfällungen und zur Bildung von Ferritstrukturen an den Korngrenzen der Schweißverbindungen führen kann, wodurch die Schlagzähigkeit der Stahlschweißverbindungen bei Raumtemperatur erheblich verringert wird. In Deutschland beträgt die Vorwärmtemperatur 180 bis 250 °C; in den USA beträgt sie 120 bis 205 °C.

(2) die Wahl der Schweißkanal- / Zwischenschichttemperatur
Die Zwischenschichttemperatur darf nicht unter der Untergrenze der Vorwärmtemperatur liegen. Dennoch darf die Zwischenschichttemperatur, wie bei der Auswahl der Vorwärmtemperatur, nicht zu hoch sein. Die Zwischenschichttemperatur beim T91-Schweißen wird im Allgemeinen auf 200 bis 300 °C geregelt. Französische Vorschriften: Die Zwischenschichttemperatur darf 300 °C nicht überschreiten. US-Vorschriften: Die Zwischenschichttemperatur kann zwischen 170 und 230 °C liegen.

(3) die Wahl der Starttemperatur der Wärmebehandlung nach dem Schweißen
T91 muss nach dem Schweißen unter den Ms-Punkt abgekühlt und für einen bestimmten Zeitraum gehalten werden, bevor es angelassen wird. Die Abkühlrate nach dem Schweißen sollte 80 bis 100 °C/h betragen. Ohne Isolierung kann die austenitische Struktur der Verbindung möglicherweise nicht vollständig umgewandelt werden. Durch das Anlassen wird die Karbidausfällung entlang der austenitischen Korngrenzen gefördert, wodurch die Struktur sehr spröde wird. T91 kann jedoch vor dem Anlassen nach dem Schweißen nicht auf Raumtemperatur abgekühlt werden, da beim Abkühlen der Schweißverbindungen auf Raumtemperatur Kaltrisse entstehen können. Für T91 kann eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen mit einer Starttemperatur von 100 bis 150 °C und einer Haltezeit von einer Stunde eine vollständige Umwandlung der Struktur gewährleisten.

(4) Auswahl der Anlasstemperatur, der Haltezeit und der Abkühlrate bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen
Anlasstemperatur: T91-Stahl neigt stärker zur Kaltrissbildung und neigt unter bestimmten Bedingungen zu verzögerter Rissbildung. Daher müssen die Schweißverbindungen innerhalb von 24 Stunden nach dem Schweißen angelassen werden. Der nach dem Schweißen gebildete Zustand des Lattenmartensits bei T91 kann sich nach dem Anlassen in angelassenen Martensit ändern. Seine Leistung ist der von Lattenmartensit überlegen. Bei niedriger Anlasstemperatur ist der Anlasseffekt nicht sichtbar. Das Schweißmetall altert und versprödet leicht. Bei zu hoher Anlasstemperatur (über der AC1-Linie) kann die Verbindung erneut austenitisiert werden und im anschließenden Abkühlprozess erneut abgeschreckt werden. Gleichzeitig sollte, wie bereits zuvor in diesem Dokument beschrieben, bei der Bestimmung der Anlasstemperatur auch der Einfluss der Erweichungsschicht der Verbindung berücksichtigt werden. Im Allgemeinen beträgt die Anlasstemperatur bei T91 730 bis 780 °C.
Haltezeit: T91 erfordert eine Anlasshaltezeit nach dem Schweißen von mindestens einer Stunde, um sicherzustellen, dass seine Organisation vollständig in angelassenes Martensit umgewandelt wird.
Anlassabkühlrate: Um die Restspannung von Schweißverbindungen aus T91-Stahl zu reduzieren, muss die Abkühlrate weniger als fünf °C/min betragen.
Insgesamt lässt sich der T91-Stahlschweißprozess im Temperaturkontrollprozess in der folgenden Abbildung kurz darstellen:

III. Verständnis von ASME SA213 T91

Bei 3.1 T91-Stahl werden durch das Legierungsprinzip, insbesondere durch die Zugabe kleiner Mengen Niob, Vanadium und anderer Spurenelemente, die Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit im Vergleich zu 12 Cr1MoV-Stahl deutlich verbessert, die Schweißleistung ist jedoch schlecht.
3.2 T91-Stahl neigt beim Schweißen stärker zur Kaltrissbildung und muss vor dem Schweißen auf 200–250 °C vorgewärmt werden. Dabei muss die Zwischenschichttemperatur bei 200–300 °C gehalten werden, um Kaltrisse wirksam zu verhindern.
3.3 Nach der Wärmebehandlung muss T91-Stahl auf 100–150 °C abgekühlt werden, eine Stunde lang isoliert werden, bei einer Erwärmungs- und Anlasstemperatur von 730–780 °C erhitzt werden, die Isolierungszeit darf nicht weniger als eine Stunde betragen und schließlich muss mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 5 °C/min auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

IV. Herstellungsprozess von ASME SA213 T91

Der Herstellungsprozess von SA213 T91 erfordert mehrere Methoden, darunter Schmelzen, Durchstechen und Walzen. Der Schmelzprozess muss die chemische Zusammensetzung kontrollieren, um sicherzustellen, dass das Stahlrohr eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist. Die Durchstech- und Walzprozesse erfordern eine präzise Temperatur- und Druckkontrolle, um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften und Maßgenauigkeit zu erreichen. Darüber hinaus müssen Stahlrohre wärmebehandelt werden, um innere Spannungen zu entfernen und die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.

V. Anwendungen von ASME SA213 T91

ASME SA213 T91 ist ein hitzebeständiger Stahl mit hohem Chromgehalt, der hauptsächlich bei der Herstellung von Hochtemperatur-Überhitzern und Nacherhitzern und anderen unter Druck stehenden Teilen von unterkritischen und überkritischen Kraftwerkskesseln mit Metallwandtemperaturen von nicht mehr als 625 °C verwendet wird und auch als unter Druck stehende Hochtemperaturteile von Druckbehältern und Kernkraftanlagen verwendet werden kann. SA213 T91 hat eine ausgezeichnete Kriechfestigkeit und kann bei hohen Temperaturen und unter Langzeitbelastung seine Größe und Form stabil halten. Zu seinen Hauptanwendungen gehören Kessel, Überhitzer, Wärmetauscher und andere Geräte in der Energie-, Chemie- und Erdölindustrie. Es wird häufig in den wassergekühlten Wänden von Hochdruckkesseln, Economizer-Rohren, Überhitzern, Nacherhitzern und Rohren der petrochemischen Industrie verwendet.