ASME SA213 T91: насколько вы знакомы?
Предыстория и введение
ASME SA213 T91, номер стали в ASME SA213/SA213M стандарт, относится к улучшенной стали 9Cr-1Mo, которая разрабатывалась с 1970-х по 1980-е годы Национальной лабораторией Rubber Ridge США и Лабораторией металлургических материалов корпорации Combustion Engineering Corporation США в сотрудничестве. Разработана на основе более ранней стали 9Cr-1Mo, используется в ядерной энергетике (также может использоваться в других областях) высокотемпературные материалы для деталей под давлением, является третьим поколением изделий из стали высокой прочности; его главной особенностью является снижение содержания углерода, при ограничении верхнего и нижнего пределов содержания углерода, и более строгий контроль содержания остаточных элементов, таких как P и S, в то же время, добавление следов 0,030-0,070% N, и следов твердых карбидообразующих элементов 0,18-0,25% V и 0,06-0,10% Nb, для уточнения требований к зерну, тем самым улучшая пластическую вязкость и свариваемость стали, улучшая стабильность стали при высоких температурах, после этого многокомпозитного армирования, образование нового типа мартенситной высокохромистой жаропрочной легированной стали.
Стандарт ASME SA213 T91, обычно выпускающий продукцию для труб малого диаметра, в основном применяется в котлах, пароперегревателях и теплообменниках.
Международные соответствующие марки стали T91
|
Страна |
США | Германия | Япония | Франция | Китай |
| Эквивалентная марка стали | СА-213 Т91 | X10CrMoVNNb91 | HCM95 | TUZ10CDVNb0901 | 10Cr9Mo1VNbN |
Здесь мы узнаем эту сталь по нескольким признакам.
I. Химический состав ASME SA213 T91
| Элемент | С | Мин. | п | С | Си | Кр | Мо | Ни | В | Нб | Н | Ал |
| Содержание | 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.Анализ эффективности
2.1 Роль легирующих элементов в свойствах материала: Легирующие элементы стали Т91 играют роль упрочнения твердого раствора и диффузионного упрочнения, а также повышают стойкость стали к окислению и коррозии, что подробно проанализировано следующим образом.
2.1.1 Углерод является наиболее очевидным эффектом упрочнения твердого раствора стальных элементов; с увеличением содержания углерода кратковременная прочность стали, пластичность и ударная вязкость снижаются, у такой стали как T91 рост содержания углерода ускорит скорость сфероидизации карбидов и скорость агрегации, ускорит перераспределение легирующих элементов, что снизит свариваемость, коррозионную стойкость и стойкость к окислению стали, поэтому в жаропрочной стали обычно хотят уменьшить количество содержания углерода. Тем не менее, прочность стали будет снижена, если содержание углерода слишком низкое. Сталь T91, по сравнению со сталью 12Cr1MoV, имеет пониженное содержание углерода 20%, что является тщательным рассмотрением влияния вышеуказанных факторов.
2.1.2 Сталь Т91 содержит следы азота; роль азота отражается в двух аспектах. С одной стороны, роль упрочнения твердого раствора, азот при комнатной температуре в растворимости стали минимален, сталь Т91 сварная зона термического влияния в процессе нагрева сварки и послесварочной термической обработки, будет иметь последовательность твердого раствора и процесса выделения VN: Зона термического влияния нагрева сварки была сформирована в пределах аустенитной организации из-за растворимости VN, содержание азота увеличивается, и после этого степень пересыщения в организации комнатной температуры увеличивается при последующей термической обработке сварного шва происходит незначительное выделение VN, что увеличивает стабильность организации и улучшает значение длительной прочности зоны термического влияния. С другой стороны, сталь Т91 также содержит небольшое количество A1; Азот может образовываться с его A1N, A1N только при температуре более 1100 ℃ растворяется в матрице в больших количествах, а затем повторно осаждается при более низких температурах, что может играть лучшую роль в усилении диффузии.
2.1.3. Добавляют хром в основном для улучшения стойкости к окислению жаропрочной стали, коррозионной стойкости, содержание хрома менее 5%, 600 ℃ начинает бурно окисляться, в то время как количество содержания хрома до 5% имеет отличную стойкость к окислению. Сталь 12Cr1MoV при следующих 580 ℃ имеет хорошую стойкость к окислению, глубина коррозии 0,05 мм/год, 600 ℃, когда производительность начинает ухудшаться, глубина коррозии 0,13 мм/год. T91, содержащая содержание хрома 1 100 ℃, прежде чем большое количество растворяется в матрице, и при более низких температурах и повторном осаждении может играть звуковую диффузионную усиливающую силу. /T91 содержание хрома увеличивается примерно до 9%, использование температуры может достигать 650 ℃, основная мера заключается в том, чтобы заставить матрицу раствориться в большем количестве хрома.
2.1.4 ванадий и ниобий являются жизненно важными карбидообразующими элементами. При добавлении для образования тонкого и стабильного сплава карбида с углеродом возникает прочный диффузионно-упрочняющий эффект.
2.1.5 Добавление молибдена в основном улучшает термическую прочность стали и упрочняет твердые растворы.
2.2 Механические свойства
Заготовка Т91 после окончательной термической обработки нормализацией + высокотемпературным отпуском имеет предел прочности при растяжении при комнатной температуре ≥ 585 МПа, предел текучести при комнатной температуре ≥ 415 МПа, твердость ≤ 250 HB, относительное удлинение (расстояние стандартного круглого образца 50 мм) ≥ 20%, допустимое значение напряжения [σ] 650 ℃ = 30 МПа.
Процесс термической обработки: температура нормализации 1040 ℃, время выдержки не менее 10 мин, температура отпуска 730 ~ 780 ℃, время выдержки не менее одного часа.
2.3 Сварочные характеристики
В соответствии с рекомендуемой Международным институтом сварки формулой углеродного эквивалента, углеродный эквивалент стали Т91 рассчитывается на уровне 2,43%, а видимая свариваемость стали Т91 плохая.
Сталь не склонна к растрескиванию при повторном нагреве.
2.3.1 Проблемы со сваркой T91
2.3.1.1 Растрескивание закаленной структуры в зоне термического влияния
Критическая скорость охлаждения T91 низкая, аустенит очень стабилен, и охлаждение не происходит быстро при стандартном превращении перлита. Его необходимо охладить до более низкой температуры (около 400 ℃), чтобы превратить в мартенсит и грубую организацию.
Сварка, произведенная зоной термического влияния различных организаций, имеет различную плотность, коэффициенты расширения и различные формы решетки в процессе нагрева и охлаждения, неизбежно будет сопровождаться различным объемным расширением и сжатием; с другой стороны, из-за нагрева сварки имеет неравномерные и высокотемпературные характеристики, поэтому сварные соединения T91 имеют огромные внутренние напряжения. Закаленные грубые соединения мартенситной организации, которые находятся в сложном напряженном состоянии, в то же время, процесс охлаждения сварки диффузия водорода из сварного шва в околошовную область, наличие водорода способствовало охрупчиванию мартенсита, эта комбинация эффектов, легко производит холодные трещины в закаленной области.
2.3.1.2 Рост зерна в зоне термического влияния
Термоциклирование сварки существенно влияет на рост зерна в околошовной зоне сварных соединений, особенно в зоне сплавления, непосредственно прилегающей к максимальной температуре нагрева. При незначительной скорости охлаждения в околошовной зоне сварки образуется грубая массивная ферритная и карбидная организация, вследствие чего пластичность стали значительно снижается; скорость охлаждения значительна из-за образования грубой мартенситной организации, но при этом снижается пластичность сварных соединений.
2.3.1.3 Образование размягченного слоя
Сталь Т91, сваренная в отпущенном состоянии, в зоне термического влияния неизбежно образуется размягчающий слой, который более интенсивен, чем размягчение перлитной жаропрочной стали. Размягчение более заметно при использовании спецификаций с более медленными скоростями нагрева и охлаждения. Кроме того, ширина размягчающего слоя и его расстояние от линии сплавления связаны с условиями нагрева и характеристиками сварки, предварительного нагрева и послесварочной термической обработки.
2.3.1.4 Коррозионное растрескивание под напряжением
Сталь Т91 при послесварочной термообработке перед охлаждением обычно не менее 100 ℃. Если охлаждение происходит при комнатной температуре, а окружающая среда относительно влажная, легко возникает коррозионное растрескивание под напряжением. Немецкие правила: Перед послесварочной термообработкой ее необходимо охладить до температуры ниже 150 ℃. В случае более толстых заготовок, угловых швов и плохой геометрии температура охлаждения должна быть не менее 100 ℃. Если охлаждение при комнатной температуре и влажности строго запрещено, в противном случае легко возникает коррозионное растрескивание под напряжением.
2.3.2 Процесс сварки
2.3.2.1 Метод сварки: Может использоваться ручная сварка, сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа или автоматическая сварка плавящимся электродом.
2.3.2.2 Сварочный материал: можно выбрать сварочную проволоку или сварочный стержень WE690.
Выбор сварочного материала:
(1) Сварка стали одного и того же типа – если для изготовления прутка ручной сварки CM-9Cb можно использовать ручную сварку, для изготовления проволоки TGS-9Cb можно использовать сварку в среде защитного газа вольфрамовым электродом, для изготовления проволоки MGS-9Cb можно использовать автоматическую сварку плавящимся электродом;
(2) сварка разнородных сталей – например, сварка с аустенитной нержавеющей сталью, доступны сварочные расходные материалы ERNiCr-3.
2.3.2.3 Точки процесса сварки:
(1) выбор температуры предварительного подогрева перед сваркой
Точка Ms стали T91 составляет около 400 ℃; температура предварительного нагрева обычно выбирается в диапазоне 200 ~ 250 ℃. Температура предварительного нагрева не может быть слишком высокой. В противном случае скорость охлаждения соединения снижается, что может привести к образованию в сварных соединениях на границах зерен карбидных выделений и образованию ферритной организации, что значительно снижает ударную вязкость сварных соединений стали при комнатной температуре. Германия обеспечивает температуру предварительного нагрева 180 ~ 250 ℃; USCE обеспечивает температуру предварительного нагрева 120 ~ 205 ℃.
(2) выбор сварочного канала/температуры межслоевого слоя
Температура между слоями не должна быть ниже нижнего предела температуры предварительного нагрева. Тем не менее, как и при выборе температуры предварительного нагрева, температура между слоями не может быть слишком высокой. Температура между слоями сварки T91 обычно контролируется на уровне 200 ~ 300 ℃. Французские правила: температура между слоями не должна превышать 300 ℃. Американские правила: температура между слоями может находиться в диапазоне 170 ~ 230 ℃.
(3) выбор начальной температуры послесварочной термообработки
T91 требует охлаждения после сварки до температуры ниже точки Ms и выдержки в течение определенного периода перед отпуском со скоростью охлаждения после сварки 80 ~ 100 ℃ / ч. Если не изолировать, аустенитная структура соединения может не полностью трансформироваться; отпускной нагрев будет способствовать выделению карбидов вдоль границ аустенитных зерен, что сделает структуру очень хрупкой. Однако T91 нельзя охлаждать до комнатной температуры перед отпуском после сварки, поскольку холодное растрескивание опасно, когда его сварные соединения охлаждаются до комнатной температуры. Для T91 наилучшая начальная температура послесварочной термообработки 100 ~ 150 ℃ и выдержка в течение одного часа могут обеспечить полное преобразование структуры.
(4) температура отпуска послесварочной термообработки, время выдержки, выбор скорости охлаждения при отпуске
Температура отпуска: Склонность стали Т91 к холодному растрескиванию более значительна, и при определенных условиях она склонна к замедленному растрескиванию, поэтому сварные соединения должны быть отпущены в течение 24 часов после сварки. Состояние после сварки Т91 организации реечного мартенсита после отпуска может быть изменено на отпущенный мартенсит; его производительность превосходит реечный мартенсит. Температура отпуска низкая; эффект отпуска не очевиден; металл шва легко стареет и становится хрупким; температура отпуска слишком высока (больше, чем линия АС1), соединение может быть снова аустенизировано, а в последующем процессе охлаждения повторно закалено. В то же время, как описано ранее в этой статье, при определении температуры отпуска следует также учитывать влияние слоя размягчения соединения. В общем, температура отпуска Т91 составляет 730 ~ 780 ℃.
Время выдержки: для стали T91 требуется выдержка послесварочного отпуска не менее одного часа, чтобы гарантировать полное преобразование ее структуры в отпущенный мартенсит.
Скорость охлаждения при отпуске: Для снижения остаточного напряжения сварных соединений стали Т91 скорость охлаждения должна быть менее пяти ℃/мин.
В целом процесс сварки стали Т91 в режиме температурного контроля можно кратко изобразить на рисунке ниже:
Процесс контроля температуры при сварке труб из стали Т91
III. Понимание ASME SA213 T91
3.1 Сталь Т91 за счет легирования, особенно при добавлении небольшого количества ниобия, ванадия и других микроэлементов, значительно повышает жаропрочность и стойкость к окислению по сравнению со сталью 12Cr1MoV, но ее свариваемость оставляет желать лучшего.
3.2 Сталь Т91 имеет большую склонность к образованию холодных трещин во время сварки и нуждается в предварительном нагреве перед сваркой до 200 ~ 250 ℃, поддерживая температуру между слоями на уровне 200 ~ 300 ℃, что может эффективно предотвратить образование холодных трещин.
3.3 Послесварочная термическая обработка стали Т91 должна включать охлаждение до 100 ~ 150 ℃, изоляцию в течение одного часа, прогрев и отпуск до температуры 730 ~ 780 ℃, время изоляции не менее одного часа и, наконец, охлаждение до комнатной температуры со скоростью не более 5 ℃/мин.
IV. Производственный процесс ASME SA213 T91
Процесс производства SA213 T91 требует нескольких методов, включая плавку, прошивку и прокатку. Процесс плавки должен контролировать химический состав, чтобы гарантировать, что стальная труба имеет отличную коррозионную стойкость. Процессы прошивки и прокатки требуют точного контроля температуры и давления для получения требуемых механических свойств и точности размеров. Кроме того, стальные трубы должны быть подвергнуты термической обработке для снятия внутренних напряжений и повышения коррозионной стойкости.
V. Применение ASME SA213 T91
ASME SA213 T91 — это высокохромистая жаропрочная сталь, в основном используемая в производстве высокотемпературных пароперегревателей и промежуточных пароперегревателей и других находящихся под давлением деталей котлов докритических и сверхкритических электростанций с температурой стенки металла не более 625 °C, а также может использоваться в качестве высокотемпературных находящихся под давлением деталей сосудов высокого давления и ядерной энергетики. SA213 T91 обладает превосходной стойкостью к ползучести и может сохранять стабильные размеры и форму при высоких температурах и длительных нагрузках. Ее основные области применения включают котлы, пароперегреватели, теплообменники и другое оборудование в энергетической, химической и нефтяной промышленности. Она широко используется в водоохлаждаемых стенках котлов высокого давления, трубах экономайзера, пароперегревателях, промежуточных пароперегревателях и трубах нефтехимической промышленности.
