ASME SA213 T91: 당신은 얼마나 알고 있나요?
배경 및 소개
ASME SA213 T91, 강철 번호 미국 SME SA213/SA213M 표준은 1970년대부터 1980년대까지 미국 Rubber Ridge National Laboratory와 미국 Combustion Engineering Corporation의 Metallurgical Materials Laboratory가 협력하여 개발한 개량형 9Cr-1Mo강에 속합니다. 원자력(다른 분야에서도 사용 가능) 고온 가압 부품 재료에 사용되는 이전의 9Cr-1Mo강을 기반으로 개발된 3세대 고온 강도강 제품입니다. 그 주요 특징은 탄소 함량을 낮추고 탄소 함량의 상하한을 제한하는 동시에 P 및 S와 같은 잔류 원소의 함량을 보다 엄격하게 제어하는 동시에 미량 N(0.030-0.070%)과 미량 고체 탄화물 형성 원소인 V(0.18-0.25%) 및 Nb(0.06-0.10%)를 첨가하여 입자 요구 사항을 미세화하고 강의 소성 인성과 용접성을 개선하고 고온에서 강의 안정성을 개선하며 이러한 다중 복합 보강재를 형성하여 새로운 유형의 마르텐사이트 고크롬 내열 합금강을 형성합니다.
ASME SA213 T91은 일반적으로 소구경 튜브용 제품을 생산하며, 주로 보일러, 과열기, 열교환기에 사용됩니다.
T91강철의 국제적 대응 등급
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국가 |
미국 | 독일 | 일본 | 프랑스 | 중국 |
| 동등한 강철 등급 | SA-213 T91 | X10CrMoVNNb91 | HCM95 | TUZ10CDVNb0901 | 10Cr9Mo1VNbN |
여기서 우리는 여러 측면에서 이 강철을 인식하게 될 것입니다.
I. 화학성분 ASME SA213 T91의
| 요소 | 씨 | 망 | 피 | 에스 | 시 | Cr | 모 | 니 | V | NB | N | 알 |
| 콘텐츠 | 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. 성과 분석
2.1 재료 특성에 대한 합금 원소의 역할: T91강 합금원소는 고용체 강화 및 확산 강화 역할을 하며 강의 산화 및 내식성을 향상시킵니다. 구체적으로 분석하면 다음과 같습니다.
2.1.1 탄소는 강철 원소의 가장 명백한 고용체 강화 효과입니다. 탄소 함량이 증가함에 따라 강철의 단기 강도, 가소성 및 인성이 감소하고 T91과 같은 강철은 탄소 함량의 증가로 인해 탄화물 구형화 속도와 응집 속도가 가속화되고 합금 원소의 재분배가 가속화되어 강철의 용접성, 내식성 및 내산화성이 감소하므로 내열강은 일반적으로 탄소 함량의 양을 줄이고자 합니다. 그래도 탄소 함량이 너무 낮으면 강철의 강도가 감소합니다. T91 강철은 12Cr1MoV 강철에 비해 탄소 함량이 20%로 감소하여 위의 요인의 영향을 신중하게 고려한 것입니다.
2.1.2 T91강은 미량의 질소를 함유하고 있습니다. 질소의 역할은 두 가지 측면에서 반영됩니다. 한편으로는 고용 강화의 역할, 실온에서 강철 용해도의 질소는 최소이며, T91강 용접 열 영향부는 용접 가열 및 용접 후 열처리 과정에서 VN의 고용 및 침전 과정이 연속적으로 발생합니다. 용접 가열 열 영향부는 VN의 용해로 인해 오스테나이트 조직 내에 형성되었으며 질소 함량이 증가하고 그 후 실온 조직의 과포화 정도가 증가하여 용접의 후속 열처리에서 약간의 VN 침전이 발생하여 조직의 안정성이 증가하고 열 영향부의 지속적인 강도 값이 향상됩니다. 다른 한편으로, T91강은 소량의 A1도 함유하고 있습니다. 질소는 A1N과 결합하여 형성되며, A1N은 1,100℃ 이상에서 매트릭스에 대량으로 용해된 후 더 낮은 온도에서 재침전되어 더 나은 확산 강화 효과를 발휘할 수 있습니다.
2.1.3 크롬을 첨가하는 것은 주로 내열강의 내산화성, 내식성을 개선하기 위한 것이며, 크롬 함량이 5% 미만이면 600℃에서 격렬하게 산화되기 시작하지만, 크롬 함량이 5% 이상이면 내산화성이 우수하다. 12Cr1MoV강은 580℃ 이하에서 내산화성이 양호하고, 부식 깊이는 0.05mm/a, 600℃에서는 성능이 저하되기 시작하여 부식 깊이는 0.13mm/a이다. 크롬 함량이 1~100℃인 T91은 매트릭스에 대량으로 용해되고, 낮은 온도에서 재침전되어 건전한 확산 강화 효과를 낼 수 있다. /T91 크롬 함량이 약 9%로 증가하면 사용 온도가 650℃에 도달할 수 있으며, 주요 대책은 매트릭스에 더 많은 크롬을 용해시키는 것이다.
2.1.4 바나듐과 니오븀은 필수적인 카바이드 형성 원소입니다. 탄소와 함께 미세하고 안정적인 합금 카바이드를 형성하기 위해 첨가하면 고체 확산 강화 효과가 있습니다.
2.1.5 몰리브덴을 첨가하면 주로 강의 열 강도가 향상되고 고용체가 강화됩니다.
2.2 기계적 특성
T91 빌렛은 최종 열처리를 거쳐 정규화 + 고온 템퍼링 처리 후 상온 인장 강도 ≥ 585 MPa, 상온 항복 강도 ≥ 415 MPa, 경도 ≤ 250 HB, 신장률(표준 원형 시편 50mm 간격) ≥ 20%, 허용응력값 [σ] 650℃ = 30 MPa를 갖는다.
열처리 공정 : 정상화 온도 1040℃, 유지 시간 10분 이상, 템퍼링 온도 730~780℃, 유지 시간 1시간 이상.
2.3 용접 성능
국제용접협회(IWIA)에서 권장하는 탄소당량 공식에 따르면 T91강 탄소당량은 2.43%로 계산되며, 육안으로 확인되는 T91 용접성은 좋지 않습니다.
강철은 재가열되는 경향이 없습니다.
2.3.1 T91용접의 문제점
2.3.1.1 열영향부 경화조직의 균열
T91 냉각 임계속도가 낮고, 오스테나이트는 매우 안정적이며, 표준 펄라이트 변태 중에 냉각이 빠르게 일어나지 않습니다. 마르텐사이트와 조대 조직으로 변태하려면 더 낮은 온도(약 400℃)로 냉각해야 합니다.
다양한 조직의 열영향부에서 생산된 용접은 밀도, 팽창 계수가 다르고, 가열 및 냉각 과정에서 격자 형태가 다르므로 필연적으로 다른 체적 팽창 및 수축이 수반됩니다. 반면에 용접 가열이 불균일하고 고온 특성을 가지고 있기 때문에 T91 용접 조인트는 엄청난 내부 응력입니다. 복잡한 응력 상태에 있는 경화된 거친 마르텐사이트 조직 조인트는 동시에 용접 냉각 과정에서 용접부에서 이음매 근처 영역으로 수소 확산이 발생하여 수소의 존재가 마르텐사이트 취성에 기여했으며 이러한 효과의 조합으로 담금질된 영역에서 차가운 균열이 발생하기 쉽습니다.
2.3.1.2 열영향부 입자성장
용접 열 사이클은 용접 접합부의 열 영향부, 특히 최대 가열 온도에 바로 인접한 용융부에서 입자 성장에 상당한 영향을 미칩니다. 냉각 속도가 작을 때 용접 열 영향부는 거친 거대한 페라이트와 카바이드 조직으로 나타나 강의 가소성이 상당히 감소합니다. 거친 마르텐사이트 조직이 생성되어 냉각 속도가 상당하지만 용접 접합부의 가소성도 감소합니다.
2.3.1.3 연화된 층의 생성
T91강은 템퍼링 상태에서 용접하면 열영향부에서 불가피한 연화층이 생성되는데, 이는 펄라이트 내열강의 연화보다 더 심합니다. 가열 및 냉각 속도가 느린 사양을 사용할 경우 연화가 더 두드러집니다. 또한 연화층의 폭과 용융선으로부터의 거리는 용접, 예열 및 용접 후 열처리의 가열 조건 및 특성과 관련이 있습니다.
2.3.1.4 응력부식균열
T91강은 용접 후 열처리 전 냉각 온도가 일반적으로 100℃ 이상입니다. 냉각이 실온이고 환경이 비교적 습한 경우 응력 부식 균열이 발생하기 쉽습니다. 독일 규정: 용접 후 열처리 전에 150℃ 이하로 냉각해야 합니다. 두꺼운 작업물, 필렛 용접 및 형상이 불량한 경우 냉각 온도는 100℃ 이상입니다. 실온 및 습도에서 냉각하는 것이 엄격히 금지되어 있는 경우 응력 부식 균열이 발생하기 쉽습니다.
2.3.2 용접 공정
2.3.2.1 용접 방법 : 수동 용접, 텅스텐-극 가스 차폐 용접, 용융-극 자동 용접을 사용할 수 있습니다.
2.3.2.2 용접재료: WE690 용접와이어 또는 용접봉을 선택할 수 있습니다.
용접재료 선택:
(1) 동종강의 용접 - 수동용접으로 CM-9Cb 수동용접봉을 만들 수 있고, 텅스텐가스 차폐용접으로 TGS-9Cb를 만들 수 있으며, 용융극 자동용접으로 MGS-9Cb 와이어를 만들 수 있다.
(2) 이종강 용접 - 오스테나이트계 스테인리스강과 같은 이종강 용접에는 ERNiCr-3 용접 소모품을 사용할 수 있습니다.
2.3.2.3 용접 공정 포인트:
(1) 용접 전 예열온도의 선택
T91강 Ms점은 약 400℃이며, 예열 온도는 일반적으로 200~250℃로 선정한다. 예열 온도는 너무 높을 수 없다. 그렇지 않으면 접합부 냉각 속도가 감소하여, 카바이드 석출의 결정립계에서 용접 접합부에서 발생하고 페라이트 조직이 형성되어 실온에서 강철 용접 접합부의 충격 인성이 크게 감소한다. 독일은 180~250℃의 예열 온도를 제공하고, USCE는 120~205℃의 예열 온도를 제공한다.
(2) 용접채널/층간온도의 선택
층간 온도는 예열 온도의 하한보다 낮아서는 안 됩니다. 그래도 예열 온도 선택과 마찬가지로 층간 온도는 너무 높아서는 안 됩니다. T91 용접 층간 온도는 일반적으로 200 ~ 300℃로 제어됩니다. 프랑스 규정: 층간 온도는 300℃를 초과하지 않습니다. 미국 규정: 층간 온도는 170 ~ 230℃ 사이에 위치할 수 있습니다.
(3) 용접후 열처리 시작온도의 선택
T91은 Ms점 이하로 용접 후 냉각을 필요로 하며, 템퍼링 처리 전에 일정 기간 동안 유지해야 하며, 용접 후 냉각 속도는 80~100℃/h입니다. 단열되지 않으면 접합부 오스테나이트 조직이 완전히 변형되지 않을 수 있습니다. 템퍼링 가열은 오스테나이트 입계를 따라 탄화물 침전을 촉진하여 조직을 매우 취성적으로 만듭니다. 그러나 T91은 용접 후 템퍼링 전에 실온으로 냉각할 수 없습니다. 용접 접합부가 실온으로 냉각되면 냉간 균열이 위험하기 때문입니다. T91의 경우 최상의 용접 후 열처리 시작 온도는 100~150℃이고 1시간 동안 유지하면 완전한 조직 변형을 보장할 수 있습니다.
(4) 용접후 열처리 템퍼링 온도, 유지시간, 템퍼링 냉각속도 선택
템퍼링 온도: T91강의 냉간 균열 경향이 더 현저하고, 특정 조건에서는 지연 균열이 발생하기 쉽기 때문에 용접 접합부는 용접 후 24시간 이내에 템퍼링해야 합니다. T91 용접 후 래스 마르텐사이트 조직 상태는 템퍼링 후 템퍼링 마르텐사이트로 변경될 수 있습니다. 그 성능은 래스 마르텐사이트보다 우수합니다. 템퍼링 온도가 낮습니다. 템퍼링 효과가 나타나지 않습니다. 용접 금속은 노화 및 취성이 쉽습니다. 템퍼링 온도가 너무 높습니다(AC1 라인 이상). 접합부가 다시 오스테나이트화될 수 있으며, 이후 냉각 공정에서 재급냉될 수 있습니다. 동시에 이 논문에서 앞서 설명한 대로 템퍼링 온도를 결정할 때는 접합부 연화층의 영향도 고려해야 합니다. 일반적으로 T91 템퍼링 온도는 730~780℃입니다.
유지 시간: T91은 조직이 템퍼링 마르텐사이트로 완전히 변환되도록 최소한 1시간의 용접 후 템퍼링 유지 시간이 필요합니다.
템퍼링 냉각 속도: T91강 용접부의 잔류응력을 줄이기 위해 냉각 속도는 5℃/분 미만이어야 합니다.
전반적으로 온도 제어 공정에서 T91강 용접 공정은 아래 그림과 같이 간략하게 표현할 수 있다.
T91강관 용접공정에서의 온도제어공정
III. ASME SA213 T91에 대한 이해
3.1 T91강은 합금원리에 따라, 특히 니오븀, 바나듐 등 미량원소를 소량 첨가하여 12 Cr1MoV강에 비해 고온강도와 내산화성이 크게 향상되었으나, 용접성능이 좋지 않다.
3.2 T91강은 용접 시 냉간균열이 발생하기 쉬우므로 200~250℃로 예열한 예비용접을 실시하고, 층간 온도를 200~300℃로 유지하여 냉간균열을 효과적으로 방지해야 합니다.
3.3 T91강의 용접후 열처리는 100~150℃로 냉각하고, 절연은 1시간, 가열 및 템퍼링 온도는 730~780℃로 하며, 절연시간은 1시간 이상, 마지막으로 5℃/min 이하의 속도로 냉각하여 실온으로 한다.
IV. ASME SA213 T91 제조 공정
SA213 T91의 제조 공정에는 제련, 피어싱, 압연을 포함한 여러 가지 방법이 필요합니다. 제련 공정은 강관이 우수한 내식성을 갖도록 화학 성분을 제어해야 합니다. 피어싱 및 압연 공정은 필요한 기계적 특성과 치수 정확도를 얻기 위해 정밀한 온도 및 압력 제어가 필요합니다. 또한 강관은 내부 응력을 제거하고 내식성을 개선하기 위해 열처리해야 합니다.
V. ASME SA213 T91의 적용
ASME SA213 T91 고크롬 내열강으로, 주로 고온 과열기 및 재열기, 금속벽 온도가 625°C를 넘지 않는 아임계 및 초임계 발전소 보일러의 기타 가압 부품 제조에 사용되며, 압력 용기 및 원자력의 고온 가압 부품으로도 사용할 수 있습니다. SA213 T91은 크립 저항성이 뛰어나고 고온 및 장기 하중에서 안정적인 크기와 모양을 유지할 수 있습니다. 주요 응용 분야로는 보일러, 과열기, 열교환기 및 전력, 화학 및 석유 산업의 기타 장비가 있습니다. 석유화학 산업의 고압 보일러, 에코노마이저 튜브, 과열기, 재열기 및 튜브의 수냉 벽에 널리 사용됩니다.
