Tubo in acciaio T91

Il tubo in acciaio in lega T91 è un tipo di tubo in acciaio, l'acciaio T91 è un nuovo tipo di acciaio martensitico resistente al calore sviluppato in collaborazione con il Laboratorio Nazionale degli Stati Uniti come Tree Ridge e il Laboratorio dei Materiali Metallurgici della Compagnia di Ingegneria di Combustione degli Stati Uniti. Si tratta di ridurre il contenuto di carbonio sulla base dell'acciaio 121MoV, limitare rigorosamente il contenuto di zolfo e fosforo, aggiungendo piccole quantità di vanadio e niobio per la lega. Secondo ASTM 213/A213M-85C, la composizione chimica dell'acciaio T91 è riportata nella tabella 1. L'acciaio T91 corrisponde al numero tedesco X10CrMoVNNb91, al numero giapponese HCM95 e al numero francese TUZ10CDVNb0901. Tabella 1 % di composizione chimica dell'acciaio T91

Elementi di tubo in acciaio T91

C 0,08-0,12

Mn 0,30-0,60

P ≤0,02

S ≤0,01

Si 0,20-0,50

Cr 8,00-9,50

Mo 0,85-1,05

V 0,18-0,25

Nb 0,06-0,10

N 0,03-0,07

Ni ≤0,40

Gli elementi della lega in acciaio T91 giocano rispettivamente il rafforzamento solido, il rafforzamento diffuso e il miglioramento della resistenza all'ossidamento e alla corrosione dell'acciaio, come segue l'analisi specifica.

Il carbonio è l'elemento più evidente di rafforzamento solido in acciaio, con l'aumento del contenuto di carbonio, la resistenza a breve termine dell'acciaio aumenta, la plasticità e la resistenza diminuiscono, per l'acciaio martensitico T91, l'aumento del contenuto di carbonio accelererà la sferificazione del carbonuro e la velocità di aggregazione, accelererà la ridistribuzione degli elementi della lega, ridurrà la saldatura, la resistenza alla corrosione e l'antiossidante dell'acciaio, quindi l'acciaio resistente al calore generalmente vuole ridurre il contenuto di carbonio, ma il contenuto di carbonio è troppo basso, la resistenza dell'acciaio diminuirà L'acciaio T91 ha un contenuto di carbonio inferiore del 20% rispetto all'acciaio 12Cr1MoV, determinato in considerazione dell'effetto di questi fattori.

② L'acciaio T91 contiene tracce di azoto, il ruolo dell'azoto si riflette in due aspetti. Da un lato, la solubilità dell'azoto in acciaio a temperatura normale è molto piccola, la zona di impatto termico post saldatura T91 in acciaio durante il riscaldamento della saldatura e il trattamento termico post saldatura, apparirà successivamente la soluzione solida e il processo di precipitazione di VN: il tessuto austenitico già formato nella zona di impatto termico durante il riscaldamento della saldatura a causa della dissoluzione di VN, il contenuto di azoto aumenta, successivamente il grado di sovrasaturazione nel tessuto a temperatura normale aumenta, nel successivo trattamento termico post saldatura c'è una piccola precipitazione di VN, che aumenta la stabilità del tessuto e migliora il valore di resistenza duratura della zona di impatto termico. D'altra parte, l'acciaio T91 contiene anche una piccola quantità di A1, l'azoto può formare A1N, A1N in una quantità superiore a 1 100 ° C si scioglie nel substrato, a una temperatura più bassa e si precipita nuovamente, può giocare un miglior effetto di rinforzo della diffusione.

L'aggiunta di cromo è principalmente per migliorare l'antiossidantezza dell'acciaio resistente al calore, la resistenza alla corrosione, quando il contenuto di cromo è inferiore al 5%, 600 ° C inizia ad ossidarsi fortemente, mentre il contenuto di cromo raggiunge il 5% ha una buona antiossidantezza. L'acciaio 12Cr1MoV ha una buona resistenza all'ossidazione al di sotto di 580 ℃, la profondità di corrosione è di 0,05 mm / a, le prestazioni iniziano a deteriorarsi a 600 ℃, la profondità di corrosione è di 0,13 mm / a. Il contenuto di cromo di T91 è aumentato a circa il 9%, la temperatura di utilizzo può raggiungere 650 ° C, la misura principale è quella di dissolvere più cromo nel substrato.

Vanadio e niobio sono forti elementi di formazione di carbonuro, dopo l'aggiunta può formare carbonuro di lega piccola e stabile, con un forte effetto di rinforzo di diffusione.

5 L'aggiunta di molibdeno è principalmente per migliorare la resistenza termica dell'acciaio, svolgendo il ruolo di rinforzo della soluzione solida.

2.2 Processo di trattamento termico

Il trattamento termico finale di T91 è il fuoco positivo + il richiamo ad alta temperatura, la temperatura del fuoco positivo è di 1040 ° C, il tempo di isolamento non è inferiore a 10 minuti, la temperatura del richiamo è di 730 ~ 780 ° C, il tempo di isolamento non è inferiore a 1 ora, il tessuto finale dopo il trattamento termico è il richiamo di martenite.

2.3 Proprietà meccaniche

Resistenza alla trazione a temperatura normale dell'acciaio T91 ≥ 585 MPa, resistenza alla resa a temperatura normale ≥ 415 MPa, durezza ≤ 250 HB, allungamento (campione circolare standard con distanza di 50 mm) ≥ 20%, valore di tensione consentito [σ] 650 ℃ = 30 MPa.

2.4 Prestazioni di saldatura

L'equivalente di carbonio di T91 è calcolato secondo la formula di equivalente di carbonio raccomandata dall'Istituto internazionale di saldatura.

La saldatura del T91 è inferiore.

Problemi durante la saldatura T91

3.1 Generazione di tessuti induriti nella zona di impatto termico

Come si può vedere dalla Figura 1, la velocità di raffreddamento critica di T91 è bassa, la stabilità austenitica è grande, non è facile verificarsi una normale trasformazione del corpo perlato durante il raffreddamento, quindi si verifica una trasformazione martenitica quando si raffredda a una temperatura più bassa. Proprio per questo motivo, la T91 è molto incline alla indurimento e alla rottura a freddo.

Poiché i vari tessuti della zona di impatto termico hanno densità diverse, coefficienti di espansione e forme di reticola diverse, il processo di riscaldamento e raffreddamento sarà inevitabilmente accompagnato da espansione e contrazione volumiche diverse; D'altra parte, poiché il riscaldamento della saldatura è caratterizzato da una temperatura ineguale e elevata, il giunto di saldatura T91 presenta una grande tensione interna.

Per il T91, l'austenite è molto stabile e deve essere raffreddato a temperature più basse (circa 400 °C) per diventare martenite. Il grosso tessuto martensitico è fragile e duro e i giunti sono sottoposti a tensioni complesse. Allo stesso tempo, durante il raffreddamento della saldatura, l'idrogeno si diffonde dalla saldatura alla zona vicina alla saldatura, la presenza di idrogeno ha portato alla fragilità martensitica, il risultato della sua sintesi è facile generare crepe fredde nella zona di indurimento.

3.2 Crescita della zona di impatto termico

Il ciclo termico di saldatura ha un impatto significativo sulla crescita dei granuli nella zona di impatto termico della testa di saldatura, in particolare nella zona di fusione vicino alla temperatura di riscaldamento più alta. Quando la velocità di raffreddamento è bassa, nella zona di impatto termico della saldatura apparirà un grosso tessuto di ferro e carbonuro a forma di blocchi, rendendo la plasticità dell'acciaio significativamente diminuita; Quando la velocità di raffreddamento è elevata, a causa del grosso tessuto martensitico, la plasticità del giunto di saldatura diminuisce.

3.3 Generazione di strati ammorbiditori

L'acciaio T91 è saldato nello stato di regolazione, la zona di impatto termico produce uno strato di ammorbidimento inevitabile, e l'ammorbidimento è più grave dell'acciaio resistente al calore del corpo perlato. Quando vengono utilizzate specifiche con velocità di riscaldamento e raffreddamento più lente, il grado di ammorbidimento è maggiore. Inoltre, la larghezza dello strato ammorbiditore e la sua distanza dalla linea di fusione non sono legate solo alle condizioni di riscaldamento e alle caratteristiche della saldatura, ma anche al pre-riscaldamento e al trattamento termico post-saldatura. L'impianto di caldaie di Harbin ha effettuato test per ottenere la curva di durezza della zona di impatto termico della saldatura T91, vedi Figura 2.

3.4 Crepe di corrosione da stress

Prima del trattamento termico post saldatura dell'acciaio T91, la temperatura di raffreddamento non è generalmente inferiore a 100 ° C, se si raffredda a temperatura ambiente e l'ambiente è piuttosto umido, è suscettibile di crepe di corrosione da stress. La norma tedesca: deve essere raffreddata a meno di 150 ° C prima del trattamento termico post saldatura. La temperatura di raffreddamento non è inferiore a 100 ° C in caso di pezzi di lavoro più spessi, saldature angolari e scarse dimensioni geometriche. Se si raffredda a temperatura ambiente, è severamente proibito l'umidità, altrimenti è facile produrre crepe di corrosione da stress.

4 Processo di saldatura dell'acciaio T91

4.1 Scelta della temperatura di riscaldamento

Il punto MS dell'acciaio T91 è di circa 400 ° C, la temperatura di preriscaldamento è generalmente scelta da 200 a 250 ° C. La temperatura di preriscaldamento non può essere troppo alta, altrimenti la velocità di raffreddamento del giunto diminuisce, potrebbe causare la deposizione di carbonuro e la formazione di tessuto ferritico nel confine cristallino del giunto di saldatura, riducendo notevolmente la resistenza all'impatto del giunto di saldatura in acciaio a temperatura ambiente. Il limite inferiore della temperatura di preriscaldamento può essere ben illustrato dalle prove di inserimento effettuate nell'impianto di caldaie di Harbin.

La barra di prova di inserimento è in acciaio T91, diametro 8 mm, profondità 0,5 mm, piastra di fondo in acciaio 13CrMo, spessore 20 mm, la prova è effettuata in condizioni di non preriscaldamento, preriscaldamento a 150 ℃, preriscaldamento a 200 ℃, preriscaldamento a 250 ℃. La barra di saldatura utilizza J707. La corrente di saldatura è di 165-170 A, la tensione dell'arco è di 21-267 V, i risultati della prova sono mostrati nella tabella 2.

Tabella 2 Risultati del test di inserimento T91

sperimentazione

campione condizionale

Livello di stress

Tempo di rottura / MPa

/ minuti

Senza riscaldamento 1 303.8 9 9

2 186 8 237

3 176.4 8.3 1440 ininterrotto

Preriscaldamento 150 ℃ 4 421,4 8,1 1260

5 354.8 120 non interrotto

Preriscaldamento 200 ℃ 6 465,2 8,6 1440 ininterrotto

7 482,7 8,1 438

8 539 7,9 313

Preriscaldamento 250 ℃ 9 539 8.2 1440 ininterrotto

10 600 8.0 1440 ininterrotto

Dal risultato dei test sopra indicati, in condizioni di non riscaldamento, la tensione critica del giunto di saldatura in acciaio T91 è di 176,4 MPa; Quando si riscalda a 150 ° C, la tensione critica è di 354,8 MPa, l'85,4% del limite di sottomissione a temperatura normale dell'acciaio T91 di 415 MPa; Quando il preriscaldamento è superiore a 200 ℃, la tensione critica è superiore a 460 MPa, superando il limite di sottomissione a temperatura normale dell'acciaio T91. Di conseguenza, per evitare la creazione di crepe fredde durante la saldatura dell'acciaio T91, la temperatura di preriscaldamento non deve essere inferiore a 200 ° C, la temperatura di preriscaldamento della Germania è di 180 ~ 250 ° C, la temperatura di preriscaldamento della società CE degli Stati Uniti è di 120 ~ 205 ° C.

4.2 Scelta della temperatura

La temperatura interstrato non deve essere inferiore al limite inferiore della temperatura di preriscaldamento, ma come la scelta della temperatura di preriscaldamento, la temperatura interstrato non può essere troppo alta. La temperatura tra gli strati di saldatura T91 è generalmente controllata da 200 a 300 ° C. La Francia prevede che la temperatura tra gli strati non superi i 300°C. Norme statunitensi: la temperatura tra gli strati può essere compresa tra 170 e 230 ° C.

4.3 Selezione della temperatura iniziale del trattamento termico post saldatura

Il T91 richiede di raffreddare la saldatura al di sotto del punto Ms e mantenere un certo periodo di tempo prima del recupero. La velocità di raffreddamento dopo la saldatura è di 80 ~ 100 ° C / h. Se non viene isolato, il tessuto austenitico del giunto potrebbe non essere completamente trasformato, e il riscaldamento al recupero potrebbe provocare la precipitazione del carbonuro lungo il confine austenitico, il tessuto è fragile. Tuttavia, la saldatura del T91 non consente di raffreddarsi a temperatura ambiente per essere riconquistato, poiché il suo giunto di saldatura rischia di generare crepe fredde quando si raffredda a temperatura ambiente. Per il T91, la temperatura iniziale ottimale è di 100-150 ° C e l'isolamento di 1 ora, può fondamentalmente garantire la trasformazione del tessuto.

4.4 La scelta della temperatura di richiamo, del tempo termostato e della velocità di raffreddamento del richiamo

L'acciaio T91 ha una tendenza maggiore alla rottura a freddo e, in determinate condizioni, è facile produrre crepe a ritardo, quindi i giunti di saldatura devono essere trattati con incandescenza entro 24 ore dalla saldatura. Lo stato di saldatura T91 è organizzato in martenite a lastra, che può essere trasformata in martenite a lastra dopo il recupero, e le sue prestazioni sono superiori alla martenite a lastra. Quando la temperatura di recupero è bassa, l'effetto di recupero non è evidente, il metallo della saldatura è facile da invecchiare e fragile; Se la temperatura di recupero è troppo alta (oltre il filo AC1), il giunto può essere austenizzato di nuovo e indurito durante il successivo processo di raffreddamento. Allo stesso tempo, come descritto in precedenza, la determinazione della temperatura di annessione deve considerare anche l'effetto dello strato di ammorbidimento del giunto. In generale, la temperatura di recupero T91 è di 730-780 ° C.

Il tempo di temperadura del T91 dopo la saldatura non è inferiore a 1 ora per garantire che il tessuto si trasformi completamente in martensite a caldo.

Per ridurre la tensione residua del giunto di saldatura in acciaio T91, la velocità di raffreddamento deve essere controllata a meno di 5 ℃ / min. Il processo di saldatura dell'acciaio T91 può essere rappresentato nella Figura 3.

Preriscaldamento a 200-250 °C; ② saldatura, temperatura tra strati 200 ~ 300 ℃; ② raffreddamento dopo la saldatura, la velocità è di 80 ~ 100 ℃ / h;

5 Esempi di applicazione dell'acciaio T91 nelle centrali termiche della provincia di Guangdong

Il primo centro di formazione per la saldatura dell'ufficio dell'energia elettrica della provincia di Guangdong ha effettuato una valutazione del processo di saldatura per l'accoppiamento del tubo di traccia T91 di Φ42 mm x 5mm. La temperatura di preriscaldamento è di 200 ℃, raffreddamento a 150 ℃ dopo la saldatura, riscaldamento dopo 1 ora per il richiamo, la temperatura di richiamo è di 750 ~ 780 ℃, isolamento 1 ora, la velocità di raffreddamento è inferiore a 5 ℃ / min. Dopo la saldatura del campione per l'ispezione dell'aspetto, l'ispezione della rottura, la prova senza danni, la prova di allungamento e piegatura, i risultati sono stati qualificati, il che indica anche che il processo di saldatura di cui sopra è stato efficace.

Il processo di saldatura di cui sopra è stato applicato con successo nell'anello esterno del riscaldatore ad alta temperatura dell'impianto di Canton A e della centrale elettrica di Mei County. Dopo l'applicazione dell'acciaio T91 in queste centrali elettriche, la frequenza degli incidenti causati da eccessive temperature è notevolmente ridotta.

6 Conclusioni

① L'acciaio T91 si basa sul principio di lega, in particolare l'aggiunta di una piccola quantità di niobio, vanadio e altri oligoelementi, resistenza ad alta temperatura, antiossidante rispetto all'acciaio 12 Cr1MoV è molto migliorato, ma le sue prestazioni di saldatura sono inferiori.

② La prova di inserimento ha dimostrato che l'acciaio T91 ha una grande tendenza alla crepa fredda, la scelta del preriscaldamento a 200 ~ 250 ℃, la temperatura tra gli strati a 200 ~ 300 ℃, può prevenire efficacemente la produzione di crepe fredde.

3, prima del trattamento termico post saldatura T91, deve essere raffreddato a 100 ~ 150 ℃, isolamento 1 h; temperatura di riscaldamento 730 ~ 780 ℃, tempo di isolamento non inferiore a 1 h.

Il processo di saldatura di cui sopra è stato applicato nella pratica di produzione di caldaie da 200 MW e 300 MW per ottenere risultati soddisfacenti e ottenere maggiori benefici economici. Un tubo d'acciaio è una lunga barra di acciaio con una sezione vuota e senza giunture circostanti. I tubi in acciaio hanno una sezione vuota e sono ampiamente utilizzati come tubazioni per il trasporto di fluidi, come tubazioni per il trasporto di petrolio, gas, gas, acqua e alcuni materiali solidi. Il tubo d'acciaio è più leggero rispetto all'acciaio solido, come l'acciaio rotondo, con la stessa resistenza alla torsione e alla curvatura, è un acciaio di sezione economica ampiamente utilizzato per la fabbricazione di componenti strutturali e parti meccaniche, come la barra di perforazione a petrolio, l'asse trasmissione automobilistico, lo scaffale della bicicletta e lo scaffale in acciaio utilizzato nella costruzione. La fabbricazione di parti anellari con tubi in acciaio può migliorare l'utilizzo dei materiali, semplificare il processo di fabbricazione, risparmiare materiale e tempo di lavorazione, come il rivestimento del cuscinetto a rotolamento, il rivestimento del jack ecc., attualmente è ampiamente utilizzato per la fabbricazione di tubi in acciaio. I tubi d'acciaio sono anche materiali indispensabili per tutte le armi convenzionali, i tubi di pistola, i cannoni, ecc. devono essere prodotti con tubi d'acciaio. I tubi in acciaio possono essere suddivisi in tubi rotondi e tubi a forma diversa in base alla forma della sezione trasversale. Poiché l'area circolare è più grande in condizioni di parità di circonferenza, è possibile trasportare più fluidi con un tubo circolare. Inoltre, la sezione circolare è più uniforme quando sopporta pressioni radiali interne o esterne, quindi la stragrande maggioranza dei tubi in acciaio sono tubi rotondi. Formula di calcolo del peso del tubo in lega: [(diametro esterno - spessore della parete) * spessore della parete] * 0,02466 = kg / m (peso per metro)