ASME SA213 T91 : que savez-vous ?

Contexte et introduction

ASME SA213 T91, le numéro d'acier dans le Norme ASME SA213/SA213M L'acier standard 9Cr-1Mo est un acier amélioré développé dans les années 1970 à 1980 par le laboratoire national américain Rubber Ridge et le laboratoire des matériaux métallurgiques de la société américaine Combustion Engineering Corporation en coopération. Développé sur la base de l'acier 9Cr-1Mo précédent, utilisé dans les matériaux pour pièces sous pression à haute température de l'énergie nucléaire (peut également être utilisé dans d'autres domaines), il s'agit de la troisième génération de produits en acier résistant à chaud ; sa principale caractéristique est de réduire la teneur en carbone, dans la limitation des limites supérieure et inférieure de la teneur en carbone, et un contrôle plus strict de la teneur en éléments résiduels, tels que P et S, en même temps, en ajoutant une trace de 0,030-0,070% du N, et des traces des éléments formant du carbure solide 0,18-0,25% de V et 0,06-0,10% de Nb, pour affiner les exigences de grain, améliorant ainsi la ténacité plastique et la soudabilité de l'acier, améliore la stabilité de l'acier à haute température, après ce renforcement multicomposite, la formation d'un nouveau type d'acier allié martensitique résistant à la chaleur à haute teneur en chrome.

La norme ASME SA213 T91, qui produit généralement des produits pour tubes de petit diamètre, est principalement utilisée dans les chaudières, les surchauffeurs et les échangeurs de chaleur.

Nuances internationales correspondantes de l'acier T91

Pays	USA	Allemagne	Japon	France	Chine
Nuance d'acier équivalente	SA-213 T91	X10CrMoVNNb91	HCM95	TUZ10CDVNb0901	10Cr9Mo1VNbN

Nous reconnaîtrons ici cet acier sous plusieurs aspects.

I. Composition chimique de la norme ASME SA213 T91

Élément

Contenu

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. Analyse des performances

2.1 Le rôle des éléments d’alliage sur les propriétés des matériaux : Les éléments d'alliage d'acier T91 jouent un rôle de renforcement de la solution solide et de renforcement de la diffusion et améliorent la résistance à l'oxydation et à la corrosion de l'acier, analysés explicitement comme suit.
2.1.1 Le carbone est l'effet de renforcement de la solution solide le plus évident des éléments en acier ; avec l'augmentation de la teneur en carbone, la résistance à court terme de l'acier, la plasticité et la ténacité diminuent, l'acier T91, l'augmentation de la teneur en carbone accélérera la vitesse de sphéroïdisation et d'agrégation du carbure, accélérera la redistribution des éléments d'alliage, réduisant la soudabilité, la résistance à la corrosion et la résistance à l'oxydation de l'acier, de sorte que l'acier résistant à la chaleur souhaite généralement réduire la quantité de teneur en carbone. Cependant, la résistance de l'acier sera diminuée si la teneur en carbone est trop faible. L'acier T91, par rapport à l'acier 12Cr1MoV, a une teneur en carbone réduite de 20%, ce qui constitue un examen attentif de l'impact des facteurs ci-dessus.
2.1.2 L'acier T91 contient des traces d'azote ; le rôle de l'azote se reflète dans deux aspects. D'une part, le rôle du renforcement de la solution solide, l'azote à température ambiante dans la solubilité de l'acier est minime, la zone affectée thermiquement soudée en acier T91 dans le processus de chauffage de soudage et de traitement thermique après soudage, il y aura une succession de processus de solution solide et de précipitation de VN : la zone affectée thermiquement par le chauffage de soudage s'est formée au sein de l'organisation austénitique en raison de la solubilité du VN, la teneur en azote augmente, et après cela, le degré de sursaturation dans l'organisation de la température ambiante augmente dans le traitement thermique ultérieur de la soudure, il y a une légère précipitation de VN, ce qui augmente la stabilité de l'organisation et améliore la valeur de la résistance durable de la zone affectée thermiquement. D'autre part, l'acier T91 contient également une petite quantité d'A1 ; L'azote peut être formé avec son A1N, A1N dans plus de 1 100 ℃ seulement un grand nombre de dissous dans la matrice, puis re-précipité à des températures plus basses, ce qui peut jouer un meilleur effet de renforcement de la diffusion.
2.1.3 ajouter du chrome principalement pour améliorer la résistance à l'oxydation de l'acier résistant à la chaleur, résistance à la corrosion, teneur en chrome inférieure à 5%, 600 ℃ a commencé à s'oxyder violemment, tandis que la quantité de teneur en chrome jusqu'à 5% a une excellente résistance à l'oxydation. L'acier 12Cr1MoV dans les 580 ℃ suivants a une bonne résistance à l'oxydation, la profondeur de corrosion de 0,05 mm/a, 600 ℃ lorsque les performances ont commencé à se détériorer, la profondeur de corrosion de 0,13 mm/a. T91 contenant une teneur en chrome de 1 100 ℃ avant qu'un grand nombre de se dissolvent dans la matrice, et à des températures plus basses et une re-précipitation peut jouer un effet de renforcement de la diffusion sonore. /T91 teneur en chrome augmentée à environ 9%, l'utilisation de la température peut atteindre 650 ℃, la mesure principale est de faire en sorte que la matrice se dissolve dans plus de chrome.
2.1.4 Le vanadium et le niobium sont des éléments essentiels à la formation de carbures. Lorsqu'ils sont ajoutés au carbone pour former un alliage fin et stable de carbures, ils produisent un effet de renforcement par diffusion solide.
2.1.5 L’ajout de molybdène améliore principalement la résistance thermique de l’acier et renforce les solutions solides.

2.2 Propriétés mécaniques

La billette T91, après le traitement thermique final de normalisation + revenu à haute température, a une résistance à la traction à température ambiante ≥ 585 MPa, une limite d'élasticité à température ambiante ≥ 415 MPa, une dureté ≤ 250 HB, un allongement (espacement de 50 mm de l'échantillon circulaire standard) ≥ 20%, la valeur de contrainte admissible [σ] 650 ℃ = 30 MPa.

Processus de traitement thermique : température de normalisation de 1040 ℃, temps de maintien d'au moins 10 min, température de revenu de 730 ~ 780 ℃, temps de maintien d'au moins une heure.

2.3 Performances de soudage

Conformément à la formule d'équivalent carbone recommandée par l'Institut international de soudage, l'équivalent carbone de l'acier T91 est calculé à 2,43% et la soudabilité visible du T91 est médiocre.
L'acier n'a pas tendance à se réchauffer Fissuration.

2.3.1 Problèmes liés au soudage T91

2.3.1.1 Fissuration de l'organisation durcie dans la zone affectée thermiquement
La vitesse critique de refroidissement du T91 est faible, l'austénite est très stable et le refroidissement ne se produit pas rapidement lors de la transformation standard de la perlite. Il doit être refroidi à une température plus basse (environ 400 ℃) pour être transformé en martensite et en organisation grossière.
Les soudures produites par les zones affectées thermiquement des différentes organisations ont des densités, des coefficients de dilatation différents et des formes de réseau différentes dans le processus de chauffage et de refroidissement qui s'accompagneront inévitablement de différentes dilatations et contractions de volume ; d'autre part, en raison du chauffage par soudage, les caractéristiques sont inégales et à haute température, de sorte que les joints soudés T91 sont soumis à d'énormes contraintes internes. Les joints d'organisation en martensite grossière durcie qui sont dans un état de contrainte complexe, en même temps, le processus de refroidissement de la soudure diffuse de l'hydrogène de la soudure vers la zone proche du joint, la présence d'hydrogène a contribué à la fragilisation de la martensite, cette combinaison d'effets, il est facile de produire des fissures à froid dans la zone trempée.

2.3.1.2 Croissance des grains dans la zone affectée par la chaleur
Les cycles thermiques de soudage affectent considérablement la croissance des grains dans la zone affectée thermiquement des joints soudés, en particulier dans la zone de fusion immédiatement adjacente à la température de chauffage maximale. Lorsque la vitesse de refroidissement est faible, la zone affectée thermiquement soudée présentera une organisation massive grossière de ferrite et de carbure, de sorte que la plasticité de l'acier diminuera considérablement ; la vitesse de refroidissement est importante en raison de la production d'une organisation martensitique grossière, mais la plasticité des joints soudés sera également réduite.

2.3.1.3 Génération de la couche ramollie
L'acier T91 soudé à l'état revenu produit inévitablement une couche de ramollissement dans la zone affectée par la chaleur, plus sévère que l'adoucissement de l'acier perlitique résistant à la chaleur. L'adoucissement est plus remarquable lors de l'utilisation de spécifications avec des vitesses de chauffage et de refroidissement plus lentes. De plus, la largeur de la couche ramollie et sa distance par rapport à la ligne de fusion sont liées aux conditions de chauffage et aux caractéristiques du soudage, du préchauffage et du traitement thermique après soudage.

2.3.1.4 Fissuration par corrosion sous contrainte
L'acier T91 dans le traitement thermique après soudage avant la température de refroidissement n'est généralement pas inférieure à 100 ℃. Si le refroidissement est à température ambiante et que l'environnement est relativement humide, il est facile de produire des fissures de corrosion sous contrainte. Réglementation allemande : avant le traitement thermique après soudage, il doit être refroidi à moins de 150 ℃. Dans le cas de pièces plus épaisses, de soudures d'angle et de mauvaise géométrie, la température de refroidissement n'est pas inférieure à 100 ℃. Si le refroidissement à température ambiante et à humidité est strictement interdit, il est facile de produire des fissures de corrosion sous contrainte.

2.3.2 Procédé de soudage

2.3.2.1 Méthode de soudage : Le soudage manuel, le soudage sous protection gazeuse par pôle tungstène ou le soudage automatique par pôle de fusion peuvent être utilisés.
2.3.2.2 Matériau de soudage : vous pouvez choisir le fil de soudage WE690 ou la baguette de soudage.

Sélection du matériel de soudage :
(1) Soudage du même type d'acier - si le soudage manuel peut être utilisé pour fabriquer une baguette de soudage manuelle CM-9Cb, le soudage sous protection gazeuse au tungstène peut être utilisé pour fabriquer du TGS-9Cb, le soudage automatique par pôle de fusion peut être utilisé pour fabriquer du fil MGS-9Cb ;
(2) soudage d'aciers différents - comme le soudage avec de l'acier inoxydable austénitique disponible avec des consommables de soudage ERNiCr-3.

2.3.2.3 Points du procédé de soudage :
(1) le choix de la température de préchauffage avant le soudage
La température de point Ms de l'acier T91 est d'environ 400 ℃ ; la température de préchauffage est généralement choisie entre 200 et 250 ℃. La température de préchauffage ne peut pas être trop élevée. Sinon, la vitesse de refroidissement du joint est réduite, ce qui peut entraîner une précipitation de carbure et la formation d'une organisation de ferrite dans les joints soudés aux joints de grains, réduisant ainsi considérablement la ténacité aux chocs des joints soudés en acier à température ambiante. L'Allemagne fournit une température de préchauffage de 180 à 250 ℃ ; l'USCE fournit une température de préchauffage de 120 à 205 ℃.

(2) le choix du canal de soudage / de la température intercalaire
La température de la couche intermédiaire ne doit pas être inférieure à la limite inférieure de la température de préchauffage. Cependant, comme pour la sélection de la température de préchauffage, la température de la couche intermédiaire ne peut pas être trop élevée. La température de la couche intermédiaire de soudage T91 est généralement contrôlée à 200 ~ 300 ℃. Réglementation française : la température de la couche intermédiaire ne doit pas dépasser 300 ℃. Réglementation américaine : la température de la couche intermédiaire peut être située entre 170 ~ 230 ℃.

(3) le choix de la température de début du traitement thermique post-soudage
Le T91 nécessite un refroidissement post-soudage en dessous du point Ms et un maintien pendant une certaine période avant le traitement de revenu, avec une vitesse de refroidissement post-soudage de 80 à 100 ℃/h. S'il n'est pas isolé, l'organisation austénitique du joint risque de ne pas être complètement transformée ; le chauffage de revenu favorisera la précipitation de carbure le long des joints de grains austénitiques, rendant l'organisation très fragile. Cependant, le T91 ne peut pas être refroidi à température ambiante avant le revenu après le soudage car la fissuration à froid est dangereuse lorsque ses joints soudés sont refroidis à température ambiante. Pour le T91, la meilleure température de départ du traitement thermique post-soudage de 100 à 150 ℃ et un maintien pendant une heure peuvent assurer une transformation complète de l'organisation.

(4) température de revenu du traitement thermique après soudage, temps de maintien, sélection du taux de refroidissement du revenu
Français : Température de revenu : La tendance à la fissuration à froid de l'acier T91 est plus importante et, dans certaines conditions, il est sujet à une fissuration retardée, de sorte que les joints soudés doivent être revenus dans les 24 heures suivant le soudage. L'état post-soudage T91 de l'organisation de la martensite lattice, après revenu, peut être changé en martensite revenu ; ses performances sont supérieures à la martensite lattice. La température de revenu est basse ; l'effet de revenu n'est pas apparent ; le métal soudé est facile à vieillir et à se fragiliser ; la température de revenu est trop élevée (supérieure à la ligne AC1), le joint peut être à nouveau austénitisé et dans le processus de refroidissement ultérieur pour se retremper. En même temps, comme décrit précédemment dans cet article, la détermination de la température de revenu doit également prendre en compte l'influence de la couche de ramollissement du joint. En général, la température de revenu T91 de 730 ~ 780 ℃.
Temps de maintien : Le T91 nécessite un temps de maintien après revenu de soudage d'au moins une heure pour garantir que son organisation soit entièrement transformée en martensite revenue.
Taux de refroidissement par revenu : pour réduire la contrainte résiduelle des joints soudés en acier T91, le taux de refroidissement doit être inférieur à cinq ℃/min.
Dans l’ensemble, le processus de soudage de l’acier T91 dans le processus de contrôle de la température peut être brièvement exprimé dans la figure ci-dessous :

Procédé de contrôle de la température dans le processus de soudage des tubes en acier T91

III. Compréhension de la norme ASME SA213 T91

L'acier 3.1 T91, par le principe d'alliage, en ajoutant notamment une petite quantité de niobium, de vanadium et d'autres oligo-éléments, améliore considérablement la résistance à haute température et la résistance à l'oxydation par rapport à l'acier 12 Cr1MoV, mais ses performances de soudage sont médiocres.
L'acier 3.2 T91 a une plus grande tendance à la fissuration à froid pendant le soudage et doit être pré-soudé préchauffé à 200 ~ 250 ℃, en maintenant la température intercouche à 200 ~ 300 ℃, ce qui peut prévenir efficacement les fissures à froid.
3.3 Le traitement thermique post-soudage de l'acier T91 doit être refroidi à 100 ~ 150 ℃, isolé pendant une heure, la température de réchauffement et de revenu à 730 ~ 780 ℃, le temps d'isolation d'au moins une heure et enfin, pas plus de 5 ℃ / min de refroidissement à température ambiante.

IV. Procédé de fabrication de la norme ASME SA213 T91

Le processus de fabrication du SA213 T91 nécessite plusieurs méthodes, notamment la fusion, le perçage et le laminage. Le processus de fusion doit contrôler la composition chimique pour garantir que le tube en acier présente une excellente résistance à la corrosion. Les processus de perçage et de laminage nécessitent un contrôle précis de la température et de la pression pour obtenir les propriétés mécaniques et la précision dimensionnelle requises. De plus, les tubes en acier doivent être traités thermiquement pour éliminer les contraintes internes et améliorer la résistance à la corrosion.

V. Applications de la norme ASME SA213 T91

ASME SA213 T91 L'acier SA213 T91 est un acier résistant à la chaleur à haute teneur en chrome, principalement utilisé dans la fabrication de surchauffeurs et réchauffeurs à haute température et d'autres pièces sous pression de chaudières de centrales électriques sous-critiques et supercritiques dont la température des parois métalliques ne dépasse pas 625 °C, et peut également être utilisé comme pièces sous pression à haute température de récipients sous pression et d'énergie nucléaire. Le SA213 T91 présente une excellente résistance au fluage et peut maintenir une taille et une forme stables à des températures élevées et sous des charges à long terme. Ses principales applications comprennent les chaudières, les surchauffeurs, les échangeurs de chaleur et d'autres équipements dans les industries électrique, chimique et pétrolière. Il est largement utilisé dans les parois refroidies par eau des chaudières à haute pression, des tubes économiseurs, des surchauffeurs, des réchauffeurs et des tubes de l'industrie pétrochimique.