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Contesto e introduzione

ASME SA213 T91, il numero dell'acciaio nel Normativa ASME SA213/SA213M standard, appartiene all'acciaio 9Cr-1Mo migliorato, sviluppato dagli anni '70 agli anni '80 dal Rubber Ridge National Laboratory degli Stati Uniti e dal Metallurgical Materials Laboratory della Combustion Engineering Corporation degli Stati Uniti in collaborazione. Sviluppato sulla base del precedente acciaio 9Cr-1Mo, utilizzato nell'energia nucleare (può essere utilizzato anche in altri settori) materiali per parti pressurizzate ad alta temperatura, è la terza generazione di prodotti in acciaio ad alta resistenza; la sua caratteristica principale è quella di ridurre il contenuto di carbonio, nella limitazione dei limiti superiore e inferiore del contenuto di carbonio e un controllo più rigoroso del contenuto di elementi residui, come P e S, aggiungendo allo stesso tempo una traccia di 0,030-0,070% di N e tracce di elementi solidi formanti carburo 0,18-0,25% di V e 0,06-0,10% di Nb, per affinare i requisiti del grano, migliorando così la tenacità plastica e la saldabilità dell'acciaio, migliorare la stabilità dell'acciaio ad alte temperature, dopo questo rinforzo multicomposito, la formazione di un nuovo tipo di acciaio legato martensitico resistente al calore ad alto tenore di cromo.

Lo standard ASME SA213 T91, che solitamente realizza prodotti per tubi di piccolo diametro, è utilizzato principalmente in caldaie, surriscaldatori e scambiatori di calore.

Gradi corrispondenti internazionali dell'acciaio T91

Paese	U.S.A.	Germania	Giappone	Francia	Cina
Grado di acciaio equivalente	SA-213 T91	X10CrMoVNNb91	HCM95	TUZ10CDVNb0901	10Cr9Mo1VNbN

Riconosceremo questo acciaio sotto diversi aspetti.

I. Composizione chimica di ASME SA213 T91

Elemento

C

Mn

P

S

Sì

Cr

Mo

Ni

V

N.B

N

Al

Contenuto

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. Analisi delle prestazioni

2.1 Il ruolo degli elementi di lega sulle proprietà del materiale: Gli elementi di lega in acciaio T91 svolgono una solida funzione di rafforzamento della soluzione e di rafforzamento per diffusione e migliorano la resistenza all'ossidazione e alla corrosione dell'acciaio, come analizzato esplicitamente come segue.
2.1.1 Il carbonio è l'effetto di rafforzamento della soluzione solida più evidente degli elementi in acciaio; con l'aumento del contenuto di carbonio, la resistenza a breve termine dell'acciaio, la plasticità e la tenacità diminuiscono, l'acciaio T91, l'aumento del contenuto di carbonio accelererà la velocità di sferoidizzazione del carburo e la velocità di aggregazione, accelererà la ridistribuzione degli elementi di lega, riducendo la saldabilità, la resistenza alla corrosione e la resistenza all'ossidazione dell'acciaio, quindi l'acciaio resistente al calore in genere desidera ridurre la quantità di contenuto di carbonio. Tuttavia, la resistenza dell'acciaio diminuirà se il contenuto di carbonio è troppo basso. L'acciaio T91, rispetto all'acciaio 12Cr1MoV, ha un contenuto di carbonio ridotto di 20%, che è un'attenta considerazione dell'impatto dei fattori di cui sopra.
2.1.2 L'acciaio T91 contiene tracce di azoto; il ruolo dell'azoto si riflette in due aspetti. Da un lato, il ruolo del rafforzamento della soluzione solida, l'azoto a temperatura ambiente nella solubilità dell'acciaio è minimo, la zona termicamente alterata saldata in acciaio T91 nel processo di riscaldamento della saldatura e trattamento termico post-saldatura, ci sarà una successione di soluzione solida e processo di precipitazione di VN: la zona termicamente alterata del riscaldamento della saldatura è stata formata all'interno dell'organizzazione austenitica a causa della solubilità del VN, il contenuto di azoto aumenta e, successivamente, il grado di sovrasaturazione nell'organizzazione della temperatura ambiente aumenta nel successivo trattamento termico della saldatura c'è una leggera precipitazione di VN, che aumenta la stabilità dell'organizzazione e migliora il valore della resistenza duratura della zona termicamente alterata. D'altra parte, l'acciaio T91 contiene anche una piccola quantità di A1; l'azoto può essere formato con il suo A1N, A1N a più di 1 100 ℃ solo un gran numero di disciolti nella matrice, e poi riprecipitati a temperature più basse, il che può svolgere un migliore effetto di rafforzamento della diffusione.
2.1.3 aggiungere cromo principalmente per migliorare la resistenza all'ossidazione dell'acciaio resistente al calore, resistenza alla corrosione, contenuto di cromo inferiore a 5%, 600 ℃ ha iniziato a ossidarsi violentemente, mentre la quantità di contenuto di cromo fino a 5% ha un'eccellente resistenza all'ossidazione. L'acciaio 12Cr1MoV nei seguenti 580 ℃ ha una buona resistenza all'ossidazione, la profondità di corrosione di 0,05 mm/a, 600 ℃ quando le prestazioni hanno iniziato a deteriorarsi, la profondità di corrosione di 0,13 mm/a. T91 contenente contenuto di cromo di 1 100 ℃ prima di un gran numero di disciolti nella matrice e a temperature più basse e riprecipitazione può svolgere un effetto di rafforzamento della diffusione del suono. /Il contenuto di cromo T91 è aumentato a circa 9%, l'uso della temperatura può raggiungere 650 ℃, la misura primaria è quella di rendere la matrice disciolta in più cromo.
2.1.4 vanadio e niobio sono elementi vitali che formano carburi. Quando vengono aggiunti per formare una lega di carburo fine e stabile con carbonio, si verifica un solido effetto di rafforzamento della diffusione.
2.1.5 L'aggiunta di molibdeno migliora principalmente la resistenza termica dell'acciaio e rafforza le soluzioni solide.

2.2 Proprietà meccaniche

La billetta T91, dopo il trattamento termico finale di normalizzazione + rinvenimento ad alta temperatura, ha una resistenza alla trazione a temperatura ambiente ≥ 585 MPa, una resistenza allo snervamento a temperatura ambiente ≥ 415 MPa, una durezza ≤ 250 HB, un allungamento (spaziatura di 50 mm del campione circolare standard) ≥ 20%, un valore di sollecitazione ammissibile [σ] 650 ℃ = 30 MPa.

Processo di trattamento termico: temperatura di normalizzazione di 1040 ℃, tempo di mantenimento non inferiore a 10 min, temperatura di rinvenimento di 730 ~ 780 ℃, tempo di mantenimento non inferiore a un'ora.

2.3 Prestazioni di saldatura

Secondo la formula del carbonio equivalente raccomandata dall'International Welding Institute, il carbonio equivalente dell'acciaio T91 è calcolato a 2,43% e la saldabilità visibile del T91 è scarsa.
L'acciaio non tende a riscaldarsi e a fessurarsi.

2.3.1 Problemi con la saldatura T91

2.3.1.1 Rottura dell'organizzazione indurita nella zona termicamente alterata
La velocità critica di raffreddamento T91 è bassa, l'austenite è molto stabile e il raffreddamento non avviene rapidamente durante la trasformazione standard della perlite. Deve essere raffreddata a una temperatura inferiore (circa 400 ℃) per essere trasformata in martensite e organizzazione grossolana.
La saldatura prodotta dalla zona termicamente alterata delle varie organizzazioni ha densità, coefficienti di espansione e forme reticolari diverse nel processo di riscaldamento e raffreddamento saranno inevitabilmente accompagnate da diverse espansioni e contrazioni del volume; d'altra parte, a causa del riscaldamento della saldatura ha caratteristiche irregolari e ad alta temperatura, quindi i giunti saldati T91 sono enormi sollecitazioni interne. Giunti di organizzazione di martensite grossolana temprata che si trovano in uno stato di sollecitazione complesso, allo stesso tempo, il processo di raffreddamento della saldatura diffonde l'idrogeno dalla saldatura all'area vicina alla cucitura, la presenza di idrogeno ha contribuito all'infragilimento della martensite, questa combinazione di effetti, è facile produrre crepe fredde nell'area temprata.

2.3.1.2 Crescita del grano nella zona influenzata dal calore
Il ciclo termico di saldatura influisce in modo significativo sulla crescita dei grani nella zona interessata dal calore dei giunti saldati, in particolare nella zona di fusione immediatamente adiacente alla massima temperatura di riscaldamento. Quando la velocità di raffreddamento è minore, la zona interessata dal calore saldata apparirà con un'organizzazione massiccia di ferrite e carburo grossolana, in modo che la plasticità dell'acciaio diminuisca in modo significativo; la velocità di raffreddamento è significativa a causa della produzione di un'organizzazione grossolana di martensite, ma anche la plasticità dei giunti saldati sarà ridotta.

2.3.1.3 Generazione dello strato ammorbidito
Acciaio T91 saldato allo stato temprato, la zona termicamente alterata produce un inevitabile strato di rammollimento, che è più grave del rammollimento dell'acciaio resistente al calore perlite. Il rammollimento è più notevole quando si utilizzano specifiche con velocità di riscaldamento e raffreddamento più lente. Inoltre, la larghezza dello strato ammorbidito e la sua distanza dalla linea di fusione sono correlate alle condizioni di riscaldamento e alle caratteristiche di saldatura, preriscaldamento e trattamento termico post-saldatura.

2.3.1.4 Cricche da corrosione sotto sforzo
Acciaio T91 nel trattamento termico post-saldatura prima che la temperatura di raffreddamento non sia generalmente inferiore a 100 ℃. Se il raffreddamento avviene a temperatura ambiente e l'ambiente è relativamente umido, è facile che si formino cricche da corrosione sotto sforzo. Normative tedesche: prima del trattamento termico post-saldatura, deve essere raffreddato a meno di 150 ℃. Nel caso di pezzi più spessi, saldature d'angolo e geometria scadente, la temperatura di raffreddamento non è inferiore a 100 ℃. Se il raffreddamento a temperatura ambiente e umidità è severamente vietato, altrimenti è facile che si producano cricche da corrosione sotto sforzo.

2.3.2 Processo di saldatura

2.3.2.1 Metodo di saldatura: è possibile utilizzare la saldatura manuale, la saldatura con poli di tungsteno protetti da gas o la saldatura automatica con poli di fusione.
2.3.2.2 Materiale di saldatura: è possibile scegliere tra filo o bacchetta di saldatura WE690.

Selezione del materiale di saldatura:
(1) Saldatura dello stesso tipo di acciaio: se la saldatura manuale può essere utilizzata per realizzare la bacchetta di saldatura manuale CM-9Cb, la saldatura con gas di protezione al tungsteno può essere utilizzata per realizzare il TGS-9Cb, la saldatura automatica a polo di fusione può essere utilizzata per realizzare il filo MGS-9Cb;
(2) saldatura di acciai dissimili – come la saldatura con acciaio inossidabile austenitico disponibile con materiali di consumo per saldatura ERNiCr-3.

2.3.2.3 Punti del processo di saldatura:
(1) la scelta della temperatura di preriscaldamento prima della saldatura
Il punto Ms dell'acciaio T91 è di circa 400 ℃; la temperatura di preriscaldamento è generalmente selezionata a 200 ~ 250 ℃. La temperatura di preriscaldamento non può essere troppo alta. Altrimenti, la velocità di raffreddamento del giunto è ridotta, il che può essere causato nei giunti saldati ai confini dei grani della precipitazione del carburo e della formazione di organizzazione della ferrite, riducendo così significativamente la tenacità all'impatto dei giunti saldati in acciaio a temperatura ambiente. La Germania fornisce una temperatura di preriscaldamento di 180 ~ 250 ℃; l'USCE fornisce una temperatura di preriscaldamento di 120 ~ 205 ℃.

(2) la scelta del canale di saldatura/temperatura interstrato
La temperatura dell'interstrato non deve essere inferiore al limite inferiore della temperatura di preriscaldamento. Tuttavia, come per la selezione della temperatura di preriscaldamento, la temperatura dell'interstrato non può essere troppo alta. La temperatura dell'interstrato di saldatura T91 è generalmente controllata a 200 ~ 300 ℃. Normative francesi: la temperatura dell'interstrato non supera i 300 ℃. Normative statunitensi: la temperatura dell'interstrato può essere compresa tra 170 ~ 230 ℃.

(3) la scelta della temperatura di inizio del trattamento termico post-saldatura
T91 richiede un raffreddamento post-saldatura al di sotto del punto Ms e un mantenimento per un certo periodo prima del trattamento di rinvenimento, con una velocità di raffreddamento post-saldatura di 80 ~ 100 ℃ / h. Se non isolato, l'organizzazione austenitica del giunto potrebbe non essere completamente trasformata; il riscaldamento di rinvenimento promuoverà la precipitazione del carburo lungo i confini del grano austenitico, rendendo l'organizzazione molto fragile. Tuttavia, T91 non può essere raffreddato a temperatura ambiente prima del rinvenimento dopo la saldatura perché la criccatura a freddo è pericolosa quando i suoi giunti saldati vengono raffreddati a temperatura ambiente. Per T91, la migliore temperatura iniziale del trattamento termico post-saldatura di 100 ~ 150 ℃ e il mantenimento per un'ora possono garantire la completa trasformazione dell'organizzazione.

(4) selezione della temperatura di rinvenimento del trattamento termico post-saldatura, tempo di mantenimento, velocità di raffreddamento del rinvenimento
Temperatura di rinvenimento: la tendenza alla criccatura a freddo dell'acciaio T91 è più significativa e, in determinate condizioni, è soggetta a criccatura ritardata, quindi i giunti saldati devono essere rinvenuti entro 24 ore dalla saldatura. Lo stato post-saldatura T91 dell'organizzazione della martensite della latrina, dopo la rinvenimento, può essere modificato in martensite rinvenuta; le sue prestazioni sono superiori alla martensite della latrina. La temperatura di rinvenimento è bassa; l'effetto di rinvenimento non è evidente; il metallo di saldatura è facile da invecchiare e fragilizzare; la temperatura di rinvenimento è troppo alta (più della linea AC1), il giunto può essere nuovamente austenitizzato e nel successivo processo di raffreddamento per ritemprare. Allo stesso tempo, come descritto in precedenza in questo documento, la determinazione della temperatura di rinvenimento dovrebbe anche considerare l'influenza dello strato di rammollimento del giunto. In generale, la temperatura di rinvenimento T91 di 730 ~ 780 ℃.
Tempo di mantenimento: T91 richiede un tempo di mantenimento del rinvenimento post-saldatura di almeno un'ora per garantire che la sua organizzazione sia completamente trasformata in martensite rinvenuta.
Velocità di raffreddamento durante il rinvenimento: per ridurre lo stress residuo dei giunti saldati in acciaio T91, la velocità di raffreddamento deve essere inferiore a 5 ℃/min.
Nel complesso, il processo di saldatura dell'acciaio T91 nel processo di controllo della temperatura può essere brevemente espresso nella figura seguente:

III. Comprensione di ASME SA213 T91

L'acciaio 3.1 T91, grazie al principio della lega, in particolare aggiungendo una piccola quantità di niobio, vanadio e altri oligoelementi, migliora significativamente la resistenza alle alte temperature e la resistenza all'ossidazione rispetto all'acciaio 12 Cr1MoV, ma le sue prestazioni di saldatura sono scarse.
L'acciaio 3.2 T91 ha una maggiore tendenza alla formazione di cricche da freddo durante la saldatura e deve essere preriscaldato prima della saldatura a 200 ~ 250 ℃, mantenendo la temperatura interstrato a 200 ~ 300 ℃, il che può prevenire efficacemente le cricche da freddo.
3.3 Il trattamento termico post-saldatura dell'acciaio T91 deve essere raffreddato a 100 ~ 150 ℃, isolamento di un'ora, temperatura di riscaldamento e rinvenimento a 730 ~ 780 ℃, tempo di isolamento non inferiore a un'ora e, infine, raffreddamento a temperatura ambiente a una velocità non superiore a 5 ℃/min.

IV. Processo di fabbricazione di ASME SA213 T91

Il processo di fabbricazione di SA213 T91 richiede diversi metodi, tra cui fusione, foratura e laminazione. Il processo di fusione deve controllare la composizione chimica per garantire che il tubo in acciaio abbia un'eccellente resistenza alla corrosione. I processi di foratura e laminazione richiedono un controllo preciso della temperatura e della pressione per ottenere le proprietà meccaniche e la precisione dimensionale richieste. Inoltre, i tubi in acciaio devono essere trattati termicamente per rimuovere le sollecitazioni interne e migliorare la resistenza alla corrosione.

V. Applicazioni di ASME SA213 T91

Norma ASME SA213 T91 è un acciaio resistente al calore ad alto tenore di cromo, utilizzato principalmente nella fabbricazione di surriscaldatori e riscaldatori ad alta temperatura e altre parti pressurizzate di caldaie per centrali elettriche subcritiche e supercritiche con temperature delle pareti metalliche non superiori a 625 °C, e può anche essere utilizzato come parti pressurizzate ad alta temperatura di recipienti a pressione e centrali nucleari. SA213 T91 ha un'eccellente resistenza allo scorrimento e può mantenere dimensioni e forma stabili ad alte temperature e sotto carichi a lungo termine. Le sue principali applicazioni includono caldaie, surriscaldatori, scambiatori di calore e altre apparecchiature nei settori energetico, chimico e petrolifero. È ampiamente utilizzato nelle pareti raffreddate ad acqua dell'industria petrolchimica di caldaie ad alta pressione, tubi economizzatori, surriscaldatori, riscaldatori e tubi.