Lưu trữ thẻ cho: Tiêu chuẩn ASTMA213

Bối cảnh & Giới thiệu

ASME SA213 T91, số thép trong Tiêu chuẩn ASME SA213/SA213M Tiêu chuẩn, thuộc về thép 9Cr-1Mo cải tiến, được Phòng thí nghiệm quốc gia Rubber Ridge của Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm vật liệu luyện kim của Tổng công ty Kỹ thuật đốt cháy Hoa Kỳ hợp tác phát triển từ những năm 1970 đến những năm 1980. Được phát triển dựa trên thép 9Cr-1Mo trước đó, được sử dụng trong vật liệu linh kiện chịu áp suất nhiệt độ cao trong điện hạt nhân (cũng có thể được sử dụng trong các lĩnh vực khác), là thế hệ thứ ba của sản phẩm thép cường độ nóng; Tính năng chính của nó là giảm hàm lượng cacbon, trong giới hạn giới hạn trên và dưới của hàm lượng cacbon, và kiểm soát chặt chẽ hơn hàm lượng các nguyên tố còn lại, chẳng hạn như P và S, đồng thời, thêm một lượng vết 0,030-0,070% của N và các lượng vết của các nguyên tố tạo thành cacbua rắn 0,18-0,25% của V và 0,06-0,10% của Nb, để tinh chỉnh các yêu cầu về hạt, do đó cải thiện độ dai dẻo và khả năng hàn của thép, cải thiện tính ổn định của thép ở nhiệt độ cao, sau khi gia cố nhiều hợp chất này, hình thành một loại thép hợp kim chịu nhiệt martensitic có hàm lượng crom cao mới.

ASME SA213 T91, thường sản xuất các sản phẩm cho ống có đường kính nhỏ, chủ yếu được sử dụng trong nồi hơi, bộ quá nhiệt và bộ trao đổi nhiệt.

Các loại thép T91 tương ứng quốc tế

Quốc gia	Hoa Kỳ	Đức	Nhật Bản	Pháp	Trung Quốc
Cấp thép tương đương	SA-213 T91	X10CrMoVNNb91	HCM95	TUZ10CDVNb0901	10Cr9Mo1VNbN

Chúng ta sẽ nhận ra loại thép này ở nhiều khía cạnh sau đây.

I. Thành phần hóa học của ASME SA213 T91

Yếu tố	C	Mn	P	S	Sĩ	Cr	Mơ	Ni	V.	Nb	N	Al
Nội dung	0.07-0.14	0.30-0.60	.0.020	.00,010	0.20-0.50	8.00-9.50	0.85-1.05	.40,40	0.18-0.25	0.06-0.10	0.030-0.070	.0.020

II. Phân tích hiệu suất

2.1 Vai trò của các nguyên tố hợp kim lên tính chất vật liệu: Các nguyên tố hợp kim thép T91 đóng vai trò tăng cường dung dịch rắn và tăng cường khuếch tán, cải thiện khả năng chống oxy hóa và ăn mòn của thép, được phân tích rõ ràng như sau.
2.1.1 Carbon là tác dụng tăng cường dung dịch rắn rõ ràng nhất của các thành phần thép; khi hàm lượng carbon tăng, độ bền ngắn hạn của thép, độ dẻo và độ dai giảm, thép T91 như vậy, hàm lượng carbon tăng sẽ đẩy nhanh tốc độ cầu hóa và tốc độ kết tụ của carbide, đẩy nhanh sự phân phối lại các thành phần hợp kim, làm giảm khả năng hàn, khả năng chống ăn mòn và khả năng chống oxy hóa của thép, vì vậy thép chịu nhiệt nói chung muốn giảm lượng carbon. Tuy nhiên, độ bền của thép sẽ giảm nếu hàm lượng carbon quá thấp. Thép T91, so với thép 12Cr1MoV, có hàm lượng carbon giảm 20%, đây là một sự cân nhắc cẩn thận về tác động của các yếu tố trên.
2.1.2 Thép T91 chứa một lượng nhỏ nitơ; vai trò của nitơ được phản ánh ở hai khía cạnh. Một mặt, vai trò của dung dịch rắn tăng cường, nitơ ở nhiệt độ phòng trong độ hòa tan của thép là tối thiểu, thép T91 hàn vùng ảnh hưởng nhiệt trong quá trình gia nhiệt hàn và xử lý nhiệt sau hàn, sẽ có một loạt các quá trình dung dịch rắn và kết tủa của VN: Vùng ảnh hưởng nhiệt do gia nhiệt hàn đã được hình thành trong tổ chức austenit do độ hòa tan của VN, hàm lượng nitơ tăng lên và sau đó, mức độ quá bão hòa trong tổ chức nhiệt độ phòng tăng lên trong quá trình xử lý nhiệt tiếp theo của mối hàn có kết tủa VN nhẹ, làm tăng tính ổn định của tổ chức và cải thiện giá trị độ bền lâu dài của vùng ảnh hưởng nhiệt. Mặt khác, thép T91 cũng chứa một lượng nhỏ A1; nitơ có thể được hình thành với A1N của nó, A1N ở nhiệt độ hơn 1 100 ℃ chỉ có một lượng lớn A1N hòa tan vào chất nền, sau đó kết tủa lại ở nhiệt độ thấp hơn, có thể phát huy tác dụng tăng cường khuếch tán tốt hơn.
2.1.3 thêm crom chủ yếu để cải thiện khả năng chống oxy hóa của thép chịu nhiệt, khả năng chống ăn mòn, hàm lượng crom dưới 5%, 600 ℃ bắt đầu bị oxy hóa dữ dội, trong khi lượng hàm lượng crom lên đến 5% có khả năng chống oxy hóa tuyệt vời. Thép 12Cr1MoV ở 580 ℃ sau có khả năng chống oxy hóa tốt, độ sâu ăn mòn 0,05 mm / a, 600 ℃ khi hiệu suất bắt đầu giảm, độ sâu ăn mòn 0,13 mm / a. T91 chứa hàm lượng crom 1 100 ℃ trước khi một số lượng lớn hòa tan vào ma trận, và ở nhiệt độ thấp hơn và kết tủa lại có thể phát huy tác dụng tăng cường khuếch tán âm thanh. / Hàm lượng crom T91 tăng lên khoảng 9%, việc sử dụng nhiệt độ có thể đạt tới 650 ℃, biện pháp chính là làm cho ma trận hòa tan trong nhiều crom hơn.
2.1.4 Vanadi và Niobi là những nguyên tố quan trọng tạo thành cacbua. Khi thêm vào để tạo thành hợp kim cacbua mịn và ổn định với Cacbon, có tác dụng khuếch tán-tăng cường rắn.
2.1.5 Việc bổ sung molypden chủ yếu cải thiện độ bền nhiệt của thép và tăng cường độ bền cho dung dịch rắn.

2.2 Tính chất cơ học

Phôi T91 sau khi qua xử lý nhiệt cuối cùng để thường hóa + ram ở nhiệt độ cao có độ bền kéo ở nhiệt độ phòng ≥ 585 MPa, giới hạn chảy ở nhiệt độ phòng ≥ 415 MPa, độ cứng ≤ 250 HB, độ giãn dài (khoảng cách 50 mm của mẫu tròn tiêu chuẩn) ≥ 20%, giá trị ứng suất cho phép [σ] 650 ℃ = 30 MPa.

Quy trình xử lý nhiệt: nhiệt độ bình thường hóa 1040℃, thời gian giữ không ít hơn 10 phút, nhiệt độ ram 730 ~ 780℃, thời gian giữ không ít hơn một giờ.

2.3 Hiệu suất hàn

Theo công thức tương đương cacbon do Viện hàn quốc tế khuyến nghị, cacbon tương đương của thép T91 được tính là 2,43% và khả năng hàn T91 nhìn thấy được là kém.
Thép không có xu hướng bị nứt khi nung nóng lại.

2.3.1 Các vấn đề với hàn T91

2.3.1.1 Nứt tổ chức cứng trong vùng chịu ảnh hưởng nhiệt
Tốc độ tới hạn làm nguội T91 thấp, austenit rất ổn định, quá trình biến đổi perlit tiêu chuẩn không diễn ra quá trình làm nguội nhanh, phải làm nguội đến nhiệt độ thấp hơn (khoảng 400℃) mới có thể biến đổi thành mactenxit và tổ chức thô.
Hàn tạo ra bởi vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của các tổ chức khác nhau có mật độ, hệ số giãn nở và các dạng mạng khác nhau trong quá trình gia nhiệt và làm mát chắc chắn sẽ đi kèm với sự giãn nở và co lại thể tích khác nhau; mặt khác, do quá trình gia nhiệt hàn có đặc điểm không đồng đều và nhiệt độ cao, vì vậy các mối hàn T91 có ứng suất bên trong rất lớn. Các mối hàn tổ chức martensite thô cứng ở trạng thái ứng suất phức tạp, đồng thời, quá trình làm mát mối hàn, hydro khuếch tán từ mối hàn đến khu vực gần đường nối, sự hiện diện của hydro đã góp phần vào sự giòn của martensite, sự kết hợp của các hiệu ứng này, rất dễ tạo ra các vết nứt lạnh ở khu vực đã tôi.

2.3.1.2 Sự phát triển của hạt vùng chịu ảnh hưởng nhiệt
Chu kỳ nhiệt hàn ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của hạt trong vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn, đặc biệt là ở vùng nóng chảy ngay cạnh nhiệt độ gia nhiệt tối đa. Khi tốc độ làm nguội nhỏ, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt hàn sẽ xuất hiện tổ chức ferit và cacbua khối thô, do đó độ dẻo của thép giảm đáng kể; tốc độ làm nguội đáng kể do sản xuất tổ chức martensite thô, nhưng độ dẻo của mối hàn cũng sẽ giảm.

2.3.1.3 Tạo lớp mềm
Thép T91 được hàn ở trạng thái tôi luyện, vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt tạo ra lớp mềm hóa không thể tránh khỏi, nghiêm trọng hơn so với quá trình mềm hóa của thép chịu nhiệt perlite. Quá trình mềm hóa đáng chú ý hơn khi sử dụng các thông số kỹ thuật có tốc độ gia nhiệt và làm nguội chậm hơn. Ngoài ra, chiều rộng của lớp mềm hóa và khoảng cách của nó so với đường nóng chảy có liên quan đến các điều kiện gia nhiệt và đặc điểm của quá trình hàn, gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau hàn.

2.3.1.4 Nứt ăn mòn ứng suất
Thép T91 trong quá trình xử lý nhiệt sau hàn trước khi làm mát nhiệt độ thường không thấp hơn 100 ℃. Nếu làm mát ở nhiệt độ phòng và môi trường tương đối ẩm ướt, dễ xảy ra nứt ăn mòn ứng suất. Quy định của Đức: Trước khi xử lý nhiệt sau hàn, phải làm mát xuống dưới 150 ℃. Trong trường hợp phôi dày hơn, mối hàn góc và hình học kém, nhiệt độ làm mát không thấp hơn 100 ℃. Nếu làm mát ở nhiệt độ phòng và độ ẩm bị nghiêm cấm, nếu không sẽ dễ xảy ra nứt ăn mòn ứng suất.

2.3.2 Quy trình hàn

2.3.2.1 Phương pháp hàn: Có thể sử dụng phương pháp hàn thủ công, hàn bằng khí bảo vệ cực vonfram hoặc hàn tự động bằng cực nóng chảy.
2.3.2.2 Vật liệu hàn: có thể chọn dây hàn hoặc que hàn WE690.

Lựa chọn vật liệu hàn:
(1) Hàn cùng loại thép – nếu có thể dùng hàn thủ công để chế tạo que hàn thủ công CM-9Cb, có thể dùng hàn khí bảo vệ vonfram để chế tạo TGS-9Cb, có thể dùng hàn tự động cực nóng chảy để chế tạo dây MGS-9Cb;
(2) hàn thép không giống nhau – chẳng hạn như hàn bằng thép không gỉ austenit có sẵn vật tư hàn ERNiCr-3.

2.3.2.3 Các điểm quy trình hàn:
(1) lựa chọn nhiệt độ nung nóng trước khi hàn
Điểm Ms thép T91 khoảng 400 ℃; nhiệt độ gia nhiệt trước thường được chọn ở mức 200 ~ 250 ℃. Nhiệt độ gia nhiệt trước không được quá cao. Nếu không, tốc độ làm nguội mối hàn sẽ giảm, có thể do kết tủa cacbua và sự hình thành tổ chức ferit ở ranh giới hạt mối hàn, do đó làm giảm đáng kể độ dai va đập của mối hàn thép ở nhiệt độ phòng. Đức cung cấp nhiệt độ gia nhiệt trước là 180 ~ 250 ℃; USCE cung cấp nhiệt độ gia nhiệt trước là 120 ~ 205 ℃.

(2) lựa chọn kênh hàn / nhiệt độ lớp xen kẽ
Nhiệt độ lớp xen kẽ không được thấp hơn giới hạn dưới của nhiệt độ nung nóng trước. Tuy nhiên, cũng như khi lựa chọn nhiệt độ nung nóng trước, nhiệt độ lớp xen kẽ không được quá cao. Nhiệt độ lớp xen kẽ hàn T91 thường được kiểm soát ở mức 200 ~ 300 ℃. Quy định của Pháp: nhiệt độ lớp xen kẽ không vượt quá 300 ℃. Quy định của Hoa Kỳ: nhiệt độ lớp xen kẽ có thể nằm trong khoảng 170 ~ 230 ℃.

(3) lựa chọn nhiệt độ bắt đầu xử lý nhiệt sau hàn
T91 yêu cầu làm mát sau khi hàn xuống dưới điểm Ms và giữ trong một thời gian nhất định trước khi xử lý tôi, với tốc độ làm mát sau khi hàn là 80 ~ 100 ℃ / h. Nếu không được cách nhiệt, tổ chức austenit liên kết có thể không được chuyển đổi hoàn toàn; gia nhiệt tôi sẽ thúc đẩy sự kết tủa cacbua dọc theo ranh giới hạt austenit, làm cho tổ chức rất giòn. Tuy nhiên, T91 không thể được làm mát đến nhiệt độ phòng trước khi tôi sau khi hàn vì Nứt lạnh rất nguy hiểm khi các mối hàn của nó được làm mát đến nhiệt độ phòng. Đối với T91, nhiệt độ bắt đầu xử lý nhiệt sau khi hàn tốt nhất là 100 ~ 150 ℃ và giữ trong một giờ có thể đảm bảo chuyển đổi tổ chức hoàn toàn.

(4) nhiệt độ tôi luyện sau khi hàn, thời gian giữ, lựa chọn tốc độ làm nguội tôi luyện
Nhiệt độ tôi: Xu hướng nứt nguội thép T91 đáng kể hơn và trong một số điều kiện nhất định, nó dễ bị nứt chậm, vì vậy các mối hàn phải được tôi trong vòng 24 giờ sau khi hàn. Trạng thái sau hàn T91 của tổ chức martensite thanh, sau khi tôi, có thể được thay đổi thành martensite tôi; hiệu suất của nó vượt trội so với martensite thanh. Nhiệt độ tôi thấp; hiệu ứng tôi không rõ ràng; kim loại mối hàn dễ bị lão hóa và giòn; nhiệt độ tôi quá cao (cao hơn đường AC1), mối nối có thể được austenit hóa lại và trong quá trình làm mát tiếp theo để làm nguội lại. Đồng thời, như đã mô tả trước đó trong bài báo này, việc xác định nhiệt độ tôi cũng nên xem xét ảnh hưởng của lớp làm mềm mối nối. Nhìn chung, nhiệt độ tôi T91 là 730 ~ 780 ℃.
Thời gian giữ: T91 yêu cầu thời gian giữ nhiệt sau khi hàn ít nhất là một giờ để đảm bảo cấu trúc của nó được chuyển hoàn toàn thành martensit đã được tôi.
Tốc độ làm nguội: Để giảm ứng suất dư của mối hàn thép T91, tốc độ làm nguội phải nhỏ hơn 5℃/phút.
Nhìn chung, quá trình hàn thép T91 trong quá trình kiểm soát nhiệt độ có thể được thể hiện ngắn gọn trong hình dưới đây:

III. Hiểu biết về ASME SA213 T91

3.1 Thép T91, theo nguyên lý hợp kim hóa, đặc biệt là thêm một lượng nhỏ niobi, vanadi và các nguyên tố vi lượng khác, cải thiện đáng kể độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa so với thép 12 Cr1MoV, nhưng hiệu suất hàn của nó lại kém.
3.2 Thép T91 có xu hướng nứt nguội trong quá trình hàn lớn hơn, cần phải gia nhiệt trước khi hàn ở nhiệt độ 200 ~ 250℃, duy trì nhiệt độ lớp xen kẽ ở mức 200 ~ 300℃, có thể ngăn ngừa nứt nguội hiệu quả.
3.3 Thép T91 sau khi xử lý nhiệt hàn phải làm nguội đến 100 ~ 150℃, cách nhiệt một giờ, nhiệt độ làm nóng và ram đến 730 ~ 780℃, thời gian cách nhiệt không ít hơn một giờ và cuối cùng, tốc độ làm nguội đến nhiệt độ phòng không quá 5℃/phút.

IV. Quy trình sản xuất ASME SA213 T91

Quy trình sản xuất SA213 T91 đòi hỏi một số phương pháp, bao gồm nấu chảy, đột và cán. Quy trình nấu chảy phải kiểm soát thành phần hóa học để đảm bảo ống thép có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời. Các quy trình đột và cán đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ và áp suất chính xác để có được các tính chất cơ học và độ chính xác về kích thước cần thiết. Ngoài ra, ống thép cần được xử lý nhiệt để loại bỏ ứng suất bên trong và cải thiện khả năng chống ăn mòn.

V. Ứng dụng của ASME SA213 T91

Tiêu chuẩn ASME SA213 T91 là loại thép chịu nhiệt có hàm lượng crom cao, chủ yếu được sử dụng trong sản xuất các bộ siêu nhiệt và bộ gia nhiệt lại nhiệt độ cao và các bộ phận chịu áp suất khác của nồi hơi nhà máy điện dưới tới hạn và siêu tới hạn với nhiệt độ thành kim loại không quá 625°C, và cũng có thể được sử dụng làm bộ phận chịu áp suất nhiệt độ cao của bình chịu áp suất và điện hạt nhân. SA213 T91 có khả năng chống biến dạng tuyệt vời và có thể duy trì kích thước và hình dạng ổn định ở nhiệt độ cao và dưới tải trọng dài hạn. Các ứng dụng chính của nó bao gồm nồi hơi, bộ siêu nhiệt, bộ trao đổi nhiệt và các thiết bị khác trong ngành điện, hóa chất và dầu mỏ. Nó được sử dụng rộng rãi trong các thành làm mát bằng nước của nồi hơi áp suất cao, ống tiết kiệm, bộ siêu nhiệt, bộ gia nhiệt lại và ống của ngành công nghiệp hóa dầu.