ASME SA213 T91: どれくらい知っていますか?
背景と概要
ASME SA213 T91、鋼材番号 ASME SA213/SA213M 9Cr-1Mo鋼は、1970年代から80年代にかけて米国ラバーリッジ国立研究所と米国燃焼工学公社の冶金材料研究所が協力して開発した、改良型9Cr-1Mo鋼の規格である。以前の9Cr-1Mo鋼をベースに開発され、原子力（他の分野でも使用可能）の高温加圧部品材料に使用される、第3世代の熱間強度鋼製品である。その主な特徴は、炭素含有量を減らし、炭素含有量の上限と下限を制限し、P、Sなどの残留元素の含有量をより厳密に制御し、同時に、0.030-0.070%の微量のN、および0.18-0.25%の微量のVと0.06-0.10%のNbを添加して、結晶粒の要件を微細化し、それによって鋼の塑性靭性と溶接性を向上させ、鋼の高温での安定性を向上させ、この多重複合強化後に、新しいタイプのマルテンサイト系高クロム耐熱合金鋼を形成します。
ASME SA213 T91 は、通常、小径チューブ用の製品を生産し、主にボイラー、過熱装置、熱交換器に使用されます。
T91鋼の国際対応グレード
|
国 |
アメリカ合衆国 | ドイツ | 日本 | フランス | 中国 |
| 同等の鋼種 | SA-213 T91 | 翻訳: | ＨＣＭ９５ | TUZ10CDVNb0901 | 10Cr9Mo1VNbN |
ここでは、この鋼をいくつかの側面から認識します。
I. 化学組成 ASME SA213 T91の
| 要素 | Ｃ | ミネソタ | ポ | S | シ | Cr | モ | ニ | 五 | いいえ | いいえ | アル |
| コンテンツ | 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. パフォーマンス分析
2.1 合金元素が材料特性に及ぼす役割： T91 鋼の合金元素は固溶強化と拡散強化の役割を果たして鋼の酸化耐性と耐腐食性を向上させます。具体的には次のように分析されます。
2.1.1 炭素は鋼鉄元素の中で最も顕著な固溶強化効果を持ちます。炭素含有量が増加すると、鋼鉄の短期強度、塑性、靭性が低下します。T91鋼の場合、炭素含有量の上昇により炭化物の球状化速度と凝集速度が加速され、合金元素の再分布が加速され、鋼鉄の溶接性、耐食性、耐酸化性が低下するため、耐熱鋼では一般的に炭素含有量を減らす必要があります。それでも、炭素含有量が低すぎると鋼鉄の強度が低下します。T91鋼は12Cr1MoV鋼に比べて炭素含有量が20%低く、上記の要因の影響を慎重に考慮しています。
2.1.2 T91鋼には微量の窒素が含まれています。窒素の役割は2つの側面に反映されています。一方では、固溶強化の役割があり、窒素は室温で鋼鉄の溶解度が最小限であるため、T91鋼の溶接熱影響部では、溶接加熱および溶接後の熱処理の過程で、VNの固溶と析出のプロセスが連続して発生します。溶接加熱熱影響部は、VNの溶解度によりオーステナイト組織内に形成され、窒素含有量が増加し、その後、室温での組織内の過飽和度が増加し、溶接部のその後の熱処理でわずかなVNの析出があり、組織の安定性が向上し、熱影響部の持続強度の値が向上します。一方、T91鋼には少量のA1も含まれています。窒素はAlNを形成し、AlNは1100℃以上でマトリックスに大量に溶解し、その後より低い温度で再沈殿し、より優れた拡散強化効果を発揮します。
2.1.3 クロムの添加は主に耐熱鋼の耐酸化性、耐食性を向上させるためで、クロム含有量が 5% 未満では、600 ℃ で激しく酸化し始めますが、クロム含有量が 5% までの量は優れた耐酸化性を持っています。 12Cr1MoV 鋼は 580 ℃ 以下では優れた耐酸化性を持ち、腐食深さは 0.05 mm/a で、600 ℃ になると性能が低下し始め、腐食深さは 0.13 mm/a です。 1/4 T91 に含まれるクロム含有量は、100 ℃ 前に大量にマトリックスに溶解し、より低い温度で再沈殿して音の拡散強化効果を発揮します。 /T91 のクロム含有量が 9% 程度に増加すると、使用温度が 650 ℃ に達することがあります。主な対策は、マトリックスにより多くのクロムを溶解させることです。
2.1.4 バナジウムとニオブは炭化物形成に不可欠な元素です。炭素と添加して微細で安定した合金炭化物を形成すると、強力な拡散強化効果が得られます。
2.1.5 モリブデンを添加すると、主に鋼の熱強度が向上し、固溶体が強化されます。
2.2 機械的性質
T91ビレットは、焼準+高温焼戻しの最終熱処理後、常温引張強度≥585MPa、常温降伏強度≥415MPa、硬度≤250HB、伸び（標準円形試験片の50mm間隔）≥20%、許容応力値[σ]650℃=30MPaを有する。
熱処理工程：焼準温度1040℃、保持時間10分以上、焼戻し温度730～780℃、保持時間1時間以上。
2.3 溶接性能
国際溶接協会が推奨する炭素当量式によれば、T91 鋼の炭素当量は 2.43% と計算され、目に見える T91 溶接性は劣っています。
鋼は再加熱により割れる傾向がありません。
2.3.1 T91溶接の問題点
2.3.1.1 熱影響部における硬化組織の亀裂
T91 の冷却臨界速度は低く、オーステナイトは非常に安定しており、標準的なパーライト変態中に冷却が急速に起こらないため、マルテンサイトや粗大組織に変態するには、より低い温度（約 400 ℃）まで冷却する必要があります。
溶接によって生成される各組織の熱影響部は密度、膨張係数が異なり、加熱および冷却プロセスにおける格子形態も異なるため、必然的に異なる体積膨張および収縮を伴います。一方、溶接加熱は不均一で高温特性があるため、T91溶接継手には膨大な内部応力が発生します。硬化した粗大なマルテンサイト組織継手は複雑な応力状態にあり、同時に、溶接冷却プロセスで溶接部から溶接線付近の領域に水素が拡散し、水素の存在がマルテンサイト脆化に寄与します。これらの影響が組み合わさって、焼入れ領域に冷間割れが発生しやすくなります。
2.3.1.2 熱影響部の結晶粒成長
溶接熱サイクルは、溶接継手の熱影響部、特に最高加熱温度に隣接する溶融部における結晶粒の成長に大きく影響します。冷却速度が遅い場合、溶接熱影響部には粗大な塊状フェライトおよび炭化物組織が現れ、鋼の可塑性が大幅に低下します。冷却速度が速い場合は、粗大なマルテンサイト組織が生成されるため、溶接継手の可塑性も低下します。
2.3.1.3 軟化層の生成
T91鋼を焼き戻し状態で溶接すると、熱影響部で必然的に軟化層が形成され、パーライト耐熱鋼の軟化よりも深刻になります。加熱速度と冷却速度が遅い仕様を使用すると、軟化がより顕著になります。また、軟化層の幅と溶融線からの距離は、溶接、予熱、溶接後の熱処理の加熱条件と特性に関係しています。
2.3.1.4 応力腐食割れ
T91鋼の溶接後熱処理前の冷却温度は、通常100℃以上です。冷却が室温で、環境が比較的湿度が高い場合、応力腐食割れが発生しやすくなります。ドイツの規制：溶接後熱処理の前に、150℃以下に冷却する必要があります。ワークピースが厚い場合、隅肉溶接の場合、および形状が悪い場合は、冷却温度は100℃以上です。室温と湿度での冷却は厳密に禁止されています。そうしないと、応力腐食割れが発生しやすくなります。
2.3.2 溶接プロセス
2.3.2.1 溶接方法：手溶接、タングステン極ガスシールド溶接、または溶融極自動溶接を使用できます。
2.3.2.2 溶接材料: WE690溶接ワイヤまたは溶接棒を選択できます。
溶接材料の選択:
（１）同種鋼の溶接－手動溶接法でCM-9Cb手動溶接棒を製造できる場合、タングステンガスシールド溶接法でTGS-9Cbを製造できる場合、溶融棒自動溶接法でMGS-9Cb線材を製造できる。
（２）異種鋼溶接 - オーステナイト系ステンレス鋼との溶接など、ERNiCr-3溶接材料が使用可能。
2.3.2.3 溶接工程のポイント:
（１）溶接前の予熱温度の選択
T91鋼のMs点は約400℃です。予熱温度は通常200〜250℃に選択されます。予熱温度は高すぎてはいけません。そうでないと、接合部の冷却速度が低下し、溶接継手の粒界に炭化物が析出したり、フェライト組織が形成されたりして、室温での鋼溶接継手の衝撃靭性が大幅に低下する可能性があります。ドイツでは予熱温度を180〜250℃と規定しています。USCEでは予熱温度を120〜205℃と規定しています。
（２）溶接チャネル／中間層温度の選択
層間温度は予熱温度の下限値より低くしてはいけません。ただし、予熱温度の選択と同様に、層間温度は高すぎてもいけません。T91 溶接の層間温度は、一般的に 200 ～ 300 ℃ に制御されます。フランスの規制: 層間温度は 300 ℃ を超えてはなりません。米国の規制: 層間温度は 170 ～ 230 ℃ の範囲にすることができます。
（３）溶接後熱処理開始温度の選択
T91 は、溶接後に Ms 点以下に冷却し、一定時間保持してから焼戻し処理する必要があり、溶接後の冷却速度は 80 ～ 100 ℃ / h です。断熱しないと、接合部のオーステナイト組織が完全に変態しない可能性があります。焼戻し加熱により、オーステナイト粒界に沿った炭化物析出が促進され、組織が非常に脆くなります。ただし、T91 は溶接後に焼戻しを行う前に室温まで冷却できません。溶接継手が室温まで冷却されると冷間割れが発生する危険があるためです。T91 の場合、溶接後の熱処理の開始温度を 100 ～ 150 ℃ にして 1 時間保持すると、組織が完全に変態することが保証されます。
（４）溶接後熱処理焼戻し温度、保持時間、焼戻し冷却速度の選択
焼戻し温度：T91鋼は冷間割れ傾向がより顕著であり、特定の条件下では遅延割れが発生しやすいため、溶接継手は溶接後24時間以内に焼戻しを行う必要があります。 T91の溶接後の組織はラスマルテンサイトであり、焼戻し後に焼戻しマルテンサイトに変化します。その性能はラスマルテンサイトよりも優れています。 焼戻し温度が低いと、焼戻し効果が明らかではなく、溶接金属は老化して脆くなりやすくなります。焼戻し温度が高すぎる（AC1ラインを超える）と、ジョイントが再びオーステナイト化し、その後の冷却プロセスで再焼入れされる可能性があります。 同時に、この記事で前述したように、焼戻し温度を決定する際には、ジョイント軟化層の影響も考慮する必要があります。 一般に、T91の焼戻し温度は730〜780℃です。
保持時間: T91 では、組織が完全に焼戻しマルテンサイトに変換されるように、溶接後の焼戻し保持時間を少なくとも 1 時間必要とします。
焼戻し冷却速度：T91鋼溶接継手の残留応力を低減するには、冷却速度を5℃/分未満にする必要があります。
全体的に、温度制御プロセスにおける T91 鋼溶接プロセスは、次の図で簡単に表すことができます。
T91鋼管の溶接工程における温度制御プロセス
III. ASME SA213 T91の理解
3.1 T91鋼は、合金化の原理により、特に少量のニオブ、バナジウム、その他の微量元素を添加することで、12Cr1MoV鋼に比べて高温強度と耐酸化性が大幅に向上しますが、溶接性能は劣ります。
3.2 T91鋼は溶接中に冷間割れが発生しやすいため、溶接前に200〜250℃に予熱し、層間温度を200〜300℃に維持する必要があります。これにより、冷間割れを効果的に防止できます。
3.3 T91鋼の溶接後の熱処理は、100〜150℃に冷却し、1時間保温し、その後、730〜780℃に加熱して焼き戻し、1時間以上の保温時間をかけ、最後に5℃/分以下の速度で室温まで冷却する必要があります。
IV. ASME SA213 T91の製造プロセス
SA213 T91 の製造プロセスには、製錬、穿孔、圧延など、いくつかの方法が必要です。製錬プロセスでは、鋼管の優れた耐食性を確保するために化学組成を制御する必要があります。穿孔および圧延プロセスでは、必要な機械的特性と寸法精度を得るために、正確な温度と圧力の制御が必要です。さらに、鋼管は、内部応力を除去して耐食性を向上させるために熱処理する必要があります。
V. ASME SA213 T91の応用
ASME SA213 T91 高クロム耐熱鋼で、主に金属壁温度が625℃を超えない亜臨界および超臨界発電所ボイラーの高温過熱器および再加熱器およびその他の加圧部品の製造に使用され、圧力容器や原子力の高温加圧部品としても使用できます。 SA213 T91は優れたクリープ耐性を備えており、高温および長期負荷の下で安定したサイズと形状を維持できます。 その主な用途には、電力、化学、石油産業のボイラー、過熱器、熱交換器、およびその他の機器が含まれます。 石油化学産業の高圧ボイラー、エコノマイザーチューブ、過熱器、再加熱器、チューブの水冷壁に広く使用されています。
