ASME SA213 T91: Ile wiesz?
Tło i wprowadzenie
ASME SA213 T91, numer stali w ASME SA213/SA213M standard, należy do ulepszonej stali 9Cr-1Mo, która była rozwijana od lat 70. do 80. XX wieku przez US Rubber Ridge National Laboratory i Metallurgical Materials Laboratory of the US Combustion Engineering Corporation we współpracy. Opracowana na podstawie wcześniejszej stali 9Cr-1Mo, stosowanej w energetyce jądrowej (może być również stosowana w innych obszarach) na materiały na części poddawane naciskowi w wysokiej temperaturze, jest trzecią generacją produktów stalowych o wysokiej wytrzymałości na gorąco; Jego główną cechą jest zmniejszenie zawartości węgla, ograniczenie górnych i dolnych granic zawartości węgla oraz bardziej rygorystyczna kontrola zawartości pierwiastków resztkowych, takich jak P i S, przy jednoczesnym dodaniu śladu 0,030-0,070% N i śladów stałych pierwiastków węglikotwórczych 0,18-0,25% V i 0,06-0,10% Nb, w celu udoskonalenia wymagań dotyczących ziarna, a tym samym poprawy wytrzymałości plastycznej i spawalności stali, poprawy stabilności stali w wysokich temperaturach, po tym wzmocnieniu wieloskładnikowym, powstanie nowego rodzaju martenzytycznej wysokochromowej żaroodpornej stali stopowej.
Norma ASME SA213 T91, stosowana głównie w kotłach, przegrzewaczach i wymiennikach ciepła, ma zastosowanie głównie w produkcji wyrobów o małej średnicy.
Międzynarodowe odpowiadające gatunki stali T91
|
Kraj |
USA | Niemcy | Japonia | Francja | Chiny |
| Równoważny gatunek stali | SA-213 T91 | X10CrMoVNNb91 | HCM95 | TUZ10CDVNb0901 | 10Cr9Mo1VNbN |
Tutaj rozpoznamy tę stal pod kilkoma względami.
I. Skład chemiczny z ASME SA213 T91
| Element | C | Mn | P | S | Si | Kr | Pon | Ni | V | Uwaga | N | Glin |
| Treść | 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. Analiza wydajności
2.1 Rola pierwiastków stopowych w kształtowaniu właściwości materiału: Pierwiastki stopowe stali T91 odgrywają rolę w umacnianiu roztworowym i dyfuzyjnym oraz poprawiają odporność stali na utlenianie i korozję, co szczegółowo analizuje się w następujący sposób.
2.1.1 Węgiel jest najbardziej widocznym efektem wzmacniania roztworów stałych elementów stalowych; wraz ze wzrostem zawartości węgla, krótkoterminowa wytrzymałość stali, plastyczność i wytrzymałość spadają, w przypadku stali T91 wzrost zawartości węgla przyspieszy szybkość sferoidyzacji węglika i szybkość agregacji, przyspieszy redystrybucję pierwiastków stopowych, zmniejszając spawalność, odporność na korozję i odporność na utlenianie stali, więc stal żaroodporna ogólnie chce zmniejszyć ilość zawartości węgla. Mimo to wytrzymałość stali zostanie zmniejszona, jeśli zawartość węgla będzie zbyt niska. Stal T91, w porównaniu ze stalą 12Cr1MoV, ma zmniejszoną zawartość węgla 20%, co jest ostrożnym rozważeniem wpływu powyższych czynników.
2.1.2 Stal T91 zawiera śladowe ilości azotu; rola azotu odzwierciedla się w dwóch aspektach. Z jednej strony rola wzmocnienia roztworem stałym, azot w temperaturze pokojowej w stali rozpuszczalność jest minimalna, stal T91 spawana strefa wpływu ciepła w procesie nagrzewania spawania i obróbki cieplnej po spawaniu, nastąpi sukcesja procesu rozpuszczania stałego i wytrącania VN: Strefa wpływu ciepła nagrzewania spawania została utworzona w organizacji austenitycznej ze względu na rozpuszczalność VN, zawartość azotu wzrasta, a następnie stopień przesycenia w organizacji temperatury pokojowej wzrasta w kolejnej obróbce cieplnej spoiny występuje niewielkie wytrącanie VN, co zwiększa stabilność organizacji i poprawia wartość trwałej wytrzymałości strefy wpływu ciepła. Z drugiej strony stal T91 zawiera również niewielką ilość A1; Azot może tworzyć się z jego A1N, A1N w temperaturze powyżej 1 100 ℃ tylko duża ilość rozpuszcza się w matrycy, a następnie ponownie wytrąca się w niższych temperaturach, co może odgrywać lepszy efekt wzmocnienia dyfuzyjnego.
2.1.3 dodać chrom głównie w celu poprawy odporności na utlenianie stali żaroodpornej, odporności na korozję, zawartość chromu mniejsza niż 5%, 600 ℃ zaczęła się gwałtownie utleniać, podczas gdy ilość zawartości chromu do 5% ma doskonałą odporność na utlenianie. Stal 12Cr1MoV w następujących 580 ℃ ma dobrą odporność na utlenianie, głębokość korozji 0,05 mm/a, 600 ℃, gdy wydajność zaczęła się pogarszać, głębokość korozji 0,13 mm/a. T91 zawierający zawartość chromu 1 100 ℃ przed dużą liczbą rozpuszczonych w matrycy, a w niższych temperaturach i ponownym wytrącaniu może odgrywać efekt wzmocnienia dyfuzji dźwięku. /T91 zawartość chromu wzrosła do około 9%, użycie temperatury może osiągnąć 650 ℃, podstawowym środkiem jest rozpuszczenie matrycy w większej ilości chromu.
2.1.4 Wanad i niob są istotnymi pierwiastkami tworzącymi węgliki. Po dodaniu w celu utworzenia drobnego i stabilnego węglika stopowego z węglem, występuje efekt wzmocnienia dyfuzyjnego.
2.1.5 Dodatek molibdenu poprawia przede wszystkim wytrzymałość cieplną stali i wzmacnia roztwory stałe.
2.2 Właściwości mechaniczne
Wlewek T91 po ostatecznej obróbce cieplnej polegającej na normalizowaniu + odpuszczaniu w wysokiej temperaturze ma wytrzymałość na rozciąganie w temperaturze pokojowej ≥ 585 MPa, granicę plastyczności w temperaturze pokojowej ≥ 415 MPa, twardość ≤ 250 HB, wydłużenie (odstęp 50 mm od standardowej próbki kołowej) ≥ 20%, dopuszczalną wartość naprężenia [σ] 650 ℃ = 30 MPa.
Proces obróbki cieplnej: temperatura normalizacji 1040 ℃, czas wytrzymywania nie krótszy niż 10 min, temperatura odpuszczania 730 ~ 780 ℃, czas wytrzymywania nie krótszy niż jedna godzina.
2.3 Wydajność spawania
Zgodnie z zalecanym przez Międzynarodowy Instytut Spawalnictwa wzorem na równoważnik węgla, równoważnik węgla stali T91 wyliczony jest na 2,43%, a widoczna spawalność stali T91 jest słaba.
Stal nie ma tendencji do ponownego nagrzewania i pękania.
2.3.1 Problemy ze spawaniem T91
2.3.1.1 Pękanie organizacji hartowanej w strefie wpływu ciepła
Krytyczna prędkość chłodzenia T91 jest niska, austenit jest bardzo stabilny, a chłodzenie nie następuje szybko podczas standardowej transformacji perlitu. Musi zostać schłodzony do niższej temperatury (około 400 ℃), aby przekształcić się w martenzyt i grubą organizację.
Spawanie wytwarzane przez strefę wpływu ciepła różnych organizacji ma różne gęstości, współczynniki rozszerzalności i różne formy sieci w procesie nagrzewania i chłodzenia nieuchronnie będzie towarzyszyć różne rozszerzanie i kurczenie objętości; z drugiej strony, ze względu na nierównomierne i wysokotemperaturowe właściwości nagrzewania spawania, więc spoiny T91 są ogromnymi naprężeniami wewnętrznymi. Hartowane grube martenzytyczne połączenia organizacyjne, które są w złożonym stanie naprężenia, w tym samym czasie proces chłodzenia spoiny dyfuzja wodoru ze spoiny do obszaru w pobliżu szwu, obecność wodoru przyczyniła się do kruchości martenzytu, ta kombinacja efektów, łatwo jest wytworzyć zimne pęknięcia w hartowanym obszarze.
2.3.1.2 Wzrost ziarna w strefie wpływu ciepła
Cykle termiczne spawania znacząco wpływają na wzrost ziarna w strefie wpływu ciepła spoin, szczególnie w strefie stopienia bezpośrednio sąsiadującej z maksymalną temperaturą nagrzewania. Gdy szybkość chłodzenia jest niewielka, spawana strefa wpływu ciepła będzie miała grubą, masywną organizację ferrytu i węglika, co znacznie zmniejszy plastyczność stali; szybkość chłodzenia jest znacząca ze względu na produkcję grubej organizacji martenzytu, ale również plastyczność spoin zostanie zmniejszona.
2.3.1.3 Generowanie zmiękczonej warstwy
Stal T91 spawana w stanie odpuszczonym, strefa wpływu ciepła wytwarza nieuniknioną warstwę zmiękczającą, która jest poważniejsza niż zmiękczanie perlitycznej stali żaroodpornej. Zmiękczanie jest bardziej zauważalne, gdy stosuje się specyfikacje z wolniejszymi szybkościami nagrzewania i chłodzenia. Ponadto szerokość zmiękczonej warstwy i jej odległość od linii stopienia są związane z warunkami nagrzewania i charakterystyką spawania, podgrzewania wstępnego i obróbki cieplnej po spawaniu.
2.3.1.4 Pękanie korozyjne naprężeniowe
Stal T91 w obróbce cieplnej po spawaniu przed chłodzeniem temperatura nie jest na ogół niższa niż 100 ℃. Jeśli chłodzenie odbywa się w temperaturze pokojowej, a środowisko jest stosunkowo wilgotne, łatwo o pęknięcia korozyjne naprężeniowe. Przepisy niemieckie: Przed obróbką cieplną po spawaniu należy ją schłodzić do temperatury poniżej 150 ℃. W przypadku grubszych elementów obrabianych, spoin pachwinowych i złej geometrii temperatura chłodzenia nie jest niższa niż 100 ℃. Jeśli chłodzenie w temperaturze pokojowej i wilgotności jest surowo zabronione, w przeciwnym razie łatwo o pęknięcia korozyjne naprężeniowe.
2.3.2 Proces spawania
2.3.2.1 Metoda spawania: Można stosować spawanie ręczne, spawanie elektrodą wolframową w osłonie gazowej lub spawanie automatyczne elektrodą topiącą.
2.3.2.2 Materiał spawalniczy: można wybrać drut spawalniczy lub pręt spawalniczy WE690.
Wybór materiału spawalniczego:
(1) Spawanie tego samego rodzaju stali – jeśli do wytworzenia ręcznego pręta spawalniczego CM-9Cb można użyć spawania ręcznego, do wytworzenia TGS-9Cb można użyć spawania w osłonie gazu wolframowego, do wytworzenia drutu MGS-9Cb można użyć spawania automatycznego elektrodą topiącą;
(2) spawanie różnych stali – np. spawanie stali nierdzewnej austenitycznej z użyciem materiałów spawalniczych ERNiCr-3.
2.3.2.3 Punkty procesu spawania:
(1) wybór temperatury podgrzewania przed spawaniem
Punkt Ms stali T91 wynosi około 400 ℃; temperatura podgrzewania wstępnego jest zwykle wybierana na poziomie 200 ~ 250 ℃. Temperatura podgrzewania wstępnego nie może być zbyt wysoka. W przeciwnym razie szybkość chłodzenia złącza jest zmniejszona, co może być spowodowane w spoinach na granicach ziaren wytrącania węglika i tworzeniem organizacji ferrytu, co znacznie zmniejsza udarność spawanych połączeń stalowych w temperaturze pokojowej. Niemcy zapewniają temperaturę podgrzewania wstępnego 180 ~ 250 ℃; USCE zapewnia temperaturę podgrzewania wstępnego 120 ~ 205 ℃.
(2) wybór kanału spawalniczego/temperatury międzywarstwowej
Temperatura międzywarstwowa nie może być niższa od dolnej granicy temperatury podgrzewania wstępnego. Jednak, podobnie jak w przypadku wyboru temperatury podgrzewania wstępnego, temperatura międzywarstwowa nie może być zbyt wysoka. Temperatura międzywarstwowa spawania T91 jest zazwyczaj kontrolowana na poziomie 200 ~ 300 ℃. Przepisy francuskie: temperatura międzywarstwowa nie przekracza 300 ℃. Przepisy amerykańskie: temperatura międzywarstwowa może mieścić się w zakresie 170 ~ 230 ℃.
(3) wybór początkowej temperatury obróbki cieplnej po spawaniu
T91 wymaga schłodzenia po spawaniu poniżej punktu Ms i utrzymania przez pewien okres przed obróbką odpuszczania, z szybkością chłodzenia po spawaniu 80 ~ 100 ℃ / h. Jeśli nie jest izolowany, organizacja austenityczna połączenia może nie zostać w pełni przekształcona; ogrzewanie odpuszczające będzie sprzyjać wytrącaniu węglika wzdłuż granic ziaren austenitycznych, czyniąc organizację bardzo kruchą. Jednak T91 nie może być schłodzony do temperatury pokojowej przed odpuszczaniem po spawaniu, ponieważ zimne pękanie jest niebezpieczne, gdy jego spoiny są chłodzone do temperatury pokojowej. W przypadku T91 najlepsza początkowa temperatura obróbki cieplnej po spawaniu 100 ~ 150 ℃ i utrzymanie przez jedną godzinę może zapewnić całkowitą transformację organizacji.
(4) obróbka cieplna po spawaniu, temperatura odpuszczania, czas utrzymywania, wybór szybkości chłodzenia po odpuszczaniu
Temperatura odpuszczania: Stal T91 ma większą tendencję do pękania na zimno, a w pewnych warunkach jest podatna na opóźnione pękanie, dlatego spoiny muszą zostać odpuszczone w ciągu 24 godzin po spawaniu. Stan organizacji martenzytu listewkowego po spawaniu T91 można zmienić na martenzyt odpuszczony; jego wydajność jest lepsza niż martenzytu listewkowego. Temperatura odpuszczania jest niska; efekt odpuszczania nie jest widoczny; metal spoiny łatwo się starzeje i staje się kruchy; temperatura odpuszczania jest zbyt wysoka (wyższa niż linia AC1), spoina może zostać ponownie austenityzowana, a w kolejnym procesie chłodzenia ponownie zahartowana. Jednocześnie, jak opisano wcześniej w tym artykule, określenie temperatury odpuszczania powinno również uwzględniać wpływ warstwy zmiękczającej spoinę. Ogólnie rzecz biorąc, temperatura odpuszczania T91 wynosi 730 ~ 780 ℃.
Czas utrzymywania: T91 wymaga czasu utrzymywania po spawaniu w stanie odpuszczonym wynoszącego co najmniej jedną godzinę, aby mieć pewność, że jego struktura całkowicie przekształci się w odpuszczony martenzyt.
Szybkość chłodzenia odpuszczanego: Aby zmniejszyć naprężenia szczątkowe w spawanych złączach ze stali T91, szybkość chłodzenia musi być mniejsza niż pięć ℃/min.
Ogólnie rzecz biorąc, proces spawania stali T91 w procesie kontroli temperatury można w skrócie przedstawić na poniższym rysunku:
Proces kontroli temperatury w procesie spawania rur stalowych T91
III. Zrozumienie ASME SA213 T91
Stal 3.1 T91, dzięki zastosowaniu metody stopowej, w szczególności poprzez dodanie niewielkiej ilości niobu, wanadu i innych pierwiastków śladowych, znacznie poprawia wytrzymałość w wysokich temperaturach i odporność na utlenianie w porównaniu ze stalą 12 Cr1MoV, ale jej właściwości spawalnicze są słabe.
Stal 3.2 T91 ma większą tendencję do pękania na zimno podczas spawania i przed spawaniem należy ją podgrzać do temperatury 200–250 ℃, utrzymując temperaturę międzywarstwy na poziomie 200–300 ℃, co może skutecznie zapobiegać pękaniu na zimno.
3.3 Po obróbce cieplnej stali T91 po spawaniu należy ją schłodzić do temperatury 100 ~ 150 ℃, izolację pozostawić na jedną godzinę, temperaturę nagrzewania i odpuszczania na poziomie 730 ~ 780 ℃, czas izolacji nie krótszy niż jedna godzina, a na koniec schłodzić do temperatury pokojowej z prędkością nie większą niż 5 ℃/min.
IV. Proces produkcyjny ASME SA213 T91
Proces produkcji SA213 T91 wymaga kilku metod, w tym wytapiania, przebijania i walcowania. Proces wytapiania musi kontrolować skład chemiczny, aby zapewnić rurze stalowej doskonałą odporność na korozję. Procesy przebijania i walcowania wymagają precyzyjnej kontroli temperatury i ciśnienia, aby uzyskać wymagane właściwości mechaniczne i dokładność wymiarową. Ponadto rury stalowe muszą być poddawane obróbce cieplnej w celu usunięcia naprężeń wewnętrznych i poprawy odporności na korozję.
V. Zastosowania normy ASME SA213 T91
ASME SA213 T91 jest wysokochromową żaroodporną stalą, używaną głównie do produkcji wysokotemperaturowych przegrzewaczy i podgrzewaczy oraz innych części ciśnieniowych kotłów elektrowni podkrytycznych i nadkrytycznych o temperaturze ścianek metalowych nieprzekraczającej 625°C, a także może być używana jako wysokotemperaturowe części ciśnieniowe zbiorników ciśnieniowych i elektrowni jądrowych. SA213 T91 ma doskonałą odporność na pełzanie i może utrzymywać stabilny rozmiar i kształt w wysokich temperaturach i przy długotrwałych obciążeniach. Jego główne zastosowania obejmują kotły, przegrzewacze, wymienniki ciepła i inny sprzęt w przemyśle energetycznym, chemicznym i naftowym. Jest szeroko stosowany w chłodzonych wodą ścianach kotłów wysokociśnieniowych, rurach ekonomizera, przegrzewaczach, podgrzewaczach i rurach w przemyśle petrochemicznym.
