T91合金鋼管

 

T91合金鋼（gāng）管是鋼管的一種， T91鋼是美國國立像樹嶺實驗（yàn）室和美國燃燒工程公司冶金材料實驗室合作研製的新型馬氏體耐熱鋼。它是在 121MoV鋼的基礎上（shàng）降低含碳量，嚴格限製硫（liú）、磷的含量（liàng），添加少量的（de）釩、铌元素（sù）進（jìn）行合金化。根據（jù）ASTM213/A213M-85C,T91鋼（gāng）的化學成份見表1。與T91鋼對應（yīng）的德國鋼號為X10CrMoVNNb91，日本鋼號為HCM95，法國則為TUZ10CDVNb0901。表1 T91鋼的化學成份%

 

T91合金鋼管元素 含（hán）量　　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

 

　　T91鋼（gāng）中（zhōng）各合金元素分別起到固（gù）溶強化（huà）、彌（mí）散強化和提高鋼的抗氧化性、抗腐蝕性（xìng）能，具體分（fèn）析如下。

 

　　①碳是（shì）鋼（gāng）中固溶強化作用最明顯的元素，隨含碳量的增加，鋼的短時（shí）強度（dù）上升，塑性、韌性下降，對T91這（zhè）類馬氏體鋼而（ér）言，含（hán）碳量的上升會（huì）加快碳化物球化和聚集速度，加速合金（jīn）元素的再分配，降低鋼的焊接性、耐蝕性和抗氧（yǎng）化（huà）性，故耐熱鋼（gāng）一般都希望降低含碳量，但（dàn）含碳太低，鋼的強度將降低。T91鋼與12Cr1MoV鋼相比，含碳量降（jiàng）低20%，這是綜合考慮上述因（yīn）素的影響而決定（dìng）的（de）。

 

　　②T91鋼中含微量（liàng）氮，氮的作用（yòng）體現在兩個方麵。一方麵起固溶強化作用，常溫下（xià）氮在鋼中的溶解度很小，T91鋼焊後熱影響區在（zài）焊接加熱（rè）和焊後熱處理過程中，將先後出現（xiàn）VN的固溶和析出過程：焊接加熱時熱影響區內已形成的奧氏體組織由於VN的溶入，氮含量增加，此後常溫組織中的過飽和程度提高，在隨後的焊（hàn）後熱處理中（zhōng）有細小的VN析出，這增（zēng）加了組織穩定（dìng）性，提高（gāo）了熱影響區（qū）的持久強度值。另一方麵，T91鋼中還含有少量A1，氮能與其（qí）形成A1N，A1N在1 100℃以上才大量溶入基體，在較低溫度（dù）下又重新（xīn）析出，能起到較好的彌散（sàn）強化效果（guǒ）。

 

　　③加入鉻主要是提高耐熱鋼的抗氧化性（xìng）、抗腐蝕能力，含（hán）鉻量（liàng）小於5%時，600℃開始劇烈氧（yǎng）化，而含鉻量達5%時就具有良好的抗氧化性（xìng）。12Cr1MoV鋼在580℃以下具有良好的抗氧化性，腐蝕深度（dù）為0.05 mm/a，600℃時性（xìng）能開始變差，腐（fǔ）蝕深度為0.13 mm/a。T91含鉻量提高到9%左右，使用溫度能達到650℃，主要措施就是使基體中溶有（yǒu）更多的鉻。

 

　　④釩（fán）與铌都是強碳化（huà）物形成元素，加入後能與（yǔ）碳形成細小而（ér）穩定（dìng）的合金碳化物（wù），有很強的彌散強化效果。

 

　　⑤加入鉬主要是為了提高鋼的熱強性，起到固溶強化的作用。

 

　　2.2 熱處理工藝

 

　　T91的最終熱（rè）處理為正火+高溫回火，正火溫度為1040℃，保溫時間不少於10 min，回火溫度為730～780℃，保溫時間不少於1h，最終熱處理後的組織（zhī）為回火馬氏體。

 

　　2.3 機械性能

 

　　T91鋼（gāng）的常溫抗拉強度（dù）≥585 MPa，常溫屈服強度≥415 MPa，硬度≤250 HB，伸長率(50 mm標距的標準圓形試樣（yàng）)≥20%，許用應力值〔σ]650℃=30 MPa。

 

　　2.4 焊（hàn）接性能

 

　　按照國際焊接學會推薦的碳（tàn）當量公式算得（dé）T91的碳當量為（wéi）

 

　　可見T91的焊接性較差。

 

3 T91焊接時（shí）存在的問題

　　3.1 熱影（yǐng）響區淬硬組織的產生　　

 

從圖1可以看出，T91的臨界冷卻（què）速度（dù）低，奧氏體穩定性很大，冷卻時不易發生正常的（de）珠光體轉變，從（cóng）而冷卻到較低溫度（dù）時發生了馬氏體轉變。正由於此，T91的淬硬和冷裂傾向（xiàng）很大。

 

　　由於熱影（yǐng）響區的各種組織具有不同的密度、膨脹係數和不同的晶格形式，在加熱和冷卻過程中必然會伴有不同的體（tǐ）積膨脹和收縮；另一方麵，由於（yú）焊接（jiē）加熱具有不（bú）均勻和溫度高的（de）特點，故而T91焊接（jiē）接頭內（nèi）部應（yīng）力很大。

 

　　對於T91，奧（ào）氏體十分穩定，要冷卻到較低溫度(約400℃)才能變（biàn）為馬氏體。粗大的馬氏體組織脆而硬，接頭又處在複雜應（yīng）力狀態下。同時，焊縫冷卻過程中氫由焊縫向近縫區擴散，氫的存在促使（shǐ）了馬氏體脆化，其綜合作（zuò）用的結（jié）果（guǒ），很（hěn）容（róng）易在淬硬（yìng）區產生冷裂紋。

 

　　3.2 熱影（yǐng）響區晶（jīng）粒長（zhǎng）大　　

 

焊接熱循環對焊（hàn）接頭熱影響區的晶粒（lì）長大有重大的影響，特別是緊鄰加熱溫度達到最高的熔合區。當（dāng）冷卻速度較小時，在焊接熱影響（xiǎng）區會出（chū）現粗大的塊狀鐵（tiě）素體和碳化物組織，使鋼材的塑性明顯下降；冷卻速度大時，由於產生了粗大的（de）馬（mǎ）氏體組織，也會使焊接接頭塑性下降。

 

　　3.3 軟化層的產生

 

　　T91鋼在調質狀態下焊接，熱影響區產生軟化層不可避免，而且比珠光體耐熱鋼的軟化更為嚴（yán）重。當用加熱（rè）和冷卻（què）速（sù）度（dù）均較緩慢（màn）的規（guī）範時，軟化程度較大。另外，軟化層的寬度和它（tā）離熔合（hé）線的距離，不僅與焊接的加熱條件（jiàn）及特點有（yǒu）關，還與預熱、焊後熱處（chù）理等有關。哈爾濱鍋爐廠曾做過試驗得出T91焊接熱影響區（qū）硬度曲線，見圖2。

 

　　3.4 應力腐蝕裂紋（wén）　　

 

T91鋼在焊後熱處理之前（qián），冷卻溫度一般不低於100℃，如果在室（shì）溫下（xià）冷卻（què），而（ér）環境又比（bǐ）較潮濕時，容易出現應力腐蝕裂（liè）紋。德國規定：在焊（hàn）後熱處理之前必須（xū）冷卻至（zhì）150℃以下。在工件較（jiào）厚、有角焊縫存在及幾何尺寸不好的情（qíng）況下，冷卻溫度不低於100℃。如果在（zài）室（shì）溫下冷卻，嚴禁潮濕，否（fǒu）則容易產生應力腐蝕裂紋（wén）。

 

4 T91鋼的焊接工藝（yì）

　　4.1 預熱溫度的選擇　　

 

T91鋼的Ms點約（yuē）為400℃，預熱溫度一般（bān）選在200～250℃。預熱（rè）溫（wēn）度不能（néng）太高，否則接頭冷卻速度降低，可能在焊接（jiē）接頭中引起晶界處碳化物析（xī）出和形成鐵素體（tǐ）組織，從而大大降低（dī）該鋼材焊接接頭（tóu）在室（shì）溫時的衝擊韌性。預熱溫（wēn）度的（de）下限從哈爾濱鍋爐廠所做過的插銷試驗可得到很好的說明。

 

　　插（chā）銷試棒采用T91鋼，直徑8 mm,深0.5 mm，底板采用（yòng）13CrMo鋼，厚20 mm，試驗在不預熱、預熱150℃、預熱200℃、預熱250℃條件下進行（háng）。焊條采用J707。焊接電流為165～170 A，電弧電（diàn）壓為21～267 V，試驗結果如表2所（suǒ）示。

 

　　表2 T91插銷試（shì）驗結果

 

　　試驗

 

　　條件 試（shì）樣

 

　　號 應力水平

 

　　/MPa 斷裂（liè）時間

 

　　/min

 

　　不（bú）預熱 1 303.8 9 9

 

　　2 186 8 237

 

　　3 176.4 8.3 1440未斷

 

　　預熱150℃ 4 421.4 8.1 1260

 

　　5 354.8 120未斷

 

　　預（yù）熱（rè）200℃ 6 465.2 8.6 1440未斷

 

　　7 482.7 8.1 438

 

　　8 539 7.9 313

 

　　預熱250℃ 9 539 8.2 1440未斷

 

　　10 600 8.0 1440未（wèi）斷（duàn）

 

　　由（yóu）上述試（shì）驗結果知，在不預熱條（tiáo）件下，T91鋼焊接接（jiē）頭的臨界應力為176.4 MPa；預熱150℃時，臨界應力為354.8 MPa，為T91鋼常溫屈服極限415 MPa的85.4%；預熱200℃以（yǐ）上時，臨界應力大於460 MPa，超過了T91鋼常溫屈服（fú）極限。由此，為避免T91鋼焊接時產生冷裂紋，預熱溫度（dù）必須不低於200℃，德國規定預熱溫度為180～250℃，美國CE公司規定（dìng）預熱溫度為120～205℃。

 

　　4.2 層間（jiān）溫度的選擇

 

　　層（céng）間溫度不得低於預（yù）熱溫度下限，但如同預熱溫度的選取一樣（yàng），層間溫度也不（bú）能過高。T91焊接時層間溫（wēn）度一般控製在200～300℃。法國規定：層間溫度不（bú）超過300℃。美國規定：層（céng）間溫度可（kě）位於170～230℃之間。

 

　　4.3 焊後熱處理起始溫度的選（xuǎn）擇

 

　　T91要求焊後冷（lěng）卻到低於Ms點以下（xià）並保持一定時間再進行回火處理，焊後冷卻速度為（wéi）80～100℃/h。如果未經保溫，接頭的奧氏（shì）體組織可能沒有（yǒu）完全轉變，回火加熱會（huì）促使碳化（huà）物（wù）沿奧氏體晶界沉澱，這樣的組織很脆。但是T91焊後（hòu）也不（bú）允許冷卻到室溫再進行回火，因為其焊接接頭冷卻到室溫時就有產生冷裂紋的危險。對於T91來說，最（zuì）佳起始溫度為100～150℃，並保溫1h，可基本確保（bǎo）組織轉變完畢。

 

　　4.4 回火溫度（dù）、恒溫時間、回火（huǒ）冷卻速度的選擇

 

　　T91鋼冷裂傾向較大（dà），在一（yī）定條件下，容易（yì）產（chǎn）生延遲（chí）裂紋，故焊（hàn）接接頭必須在焊後24 h內進行回火處理。T91焊後狀態的組織為板條狀馬氏體，經過回火可變為回火馬氏體，其性能較板條狀馬氏體優越。回火溫度偏低（dī）時，回火效果（guǒ）不明顯，焊縫金屬容易時效而脆（cuì）化；回火溫度過（guò）高(超過AC1線)，接頭又可（kě）能再次奧氏體化，並在隨後的冷卻過程中重新（xīn）淬硬。同時，如本文（wén）在前麵所述，回火溫度的確定還要考慮接頭軟化層的影響。一般（bān）而言，T91回火溫度為730～780℃。

 

　　T91焊後回火恒溫時間不少於1 h，才能保證其組織完全轉（zhuǎn）變為回火馬氏體。

 

　　為了降低T91鋼（gāng）焊接接頭的殘餘應力（lì），必須控（kòng）製其冷卻速（sù）度小於5 ℃/min。T91鋼的焊接工藝可用圖3表示。

 

　　①預熱200～250 ℃；②焊接，層（céng）間溫度200～300 ℃；③焊後冷（lěng）卻，速度為 80～100 ℃/h；④100～150 ℃保溫1 h；⑤730～780 ℃回火1 h；⑥以不大於5 ℃/min速度冷卻

 

　　5 T91鋼在廣東省內火電廠應用實例

 

　　廣東省電力局第一焊接培訓中心曾（céng）作過Φ42 mm×5mm的T91小徑管對接的焊接工藝評定。采取的（de）預熱溫度為200℃，焊（hàn）後冷卻到150℃，保溫1h後進行回火，回火溫度為750～780℃，保溫1h，升降溫速度均小於5℃/min。焊後對試樣進行外觀檢查（chá）、斷口檢查、無損檢測、拉伸和彎曲試驗，結果均合格，這也說明上述焊接工藝（yì）是行（háng）之有效（xiào）的。

 

 

　　上述焊接工藝已成功應用在沙（shā）角A廠、梅縣電廠高溫再熱器外圈。T91鋼在這些電廠應用後，由於超（chāo）溫等造成（chéng）的事故頻率大大降低。

 

　　6 結論

 

　　①T91鋼靠合金化原理，尤其是添加了少量铌、釩等微（wēi）量元素，高溫強度（dù）、抗氧化性較12 Cr1MoV鋼有較大的提高，但其焊接性能較差。

 

　　②插銷試驗（yàn）表明，T91鋼（gāng）有較（jiào）大冷裂傾向，選取預熱（rè）200～250 ℃，層間溫度200～300 ℃，可有效防止（zhǐ）冷裂紋產（chǎn）生。

 

　　③T91焊後熱處理（lǐ）前，必須冷卻至100～150 ℃，保溫1 h；回火溫度730～780 ℃，保（bǎo）溫時間不少於1 h。

 

　　④以上焊接工藝已（yǐ）應用於200 MW、300MW 鍋爐製（zhì）造生產實踐中，取得滿意效果（guǒ），並獲得（dé）較（jiào）大的經濟效益。 鋼管是一（yī）種具有中空截麵、周邊沒有接縫的長條鋼材。鋼管具有中空截麵，大量用作輸送流體的管道，如輸送石油、天然（rán）氣、煤氣、水（shuǐ）及某些固體物料的管（guǎn）道等。鋼管與圓鋼等實心鋼材相比，在抗彎抗扭強度相（xiàng）同時，重量較輕，是一種經濟截麵鋼材，廣（guǎng）泛用於製造結構件和機械零件，如石油鑽杆、汽車傳動軸、自行車（chē）架以及建築施工中用的鋼腳手架等。用鋼管製造環形零件，可提高材料利用率（lǜ），簡化製造工序，節約材料和加工工時，如滾動軸承（chéng）套圈、千斤頂套等，目前已廣泛用鋼管（guǎn）來製造。鋼管還是各種常規武器不可缺少的材料，槍管、炮筒等都要鋼管（guǎn）來製造。鋼管按橫（héng）截麵（miàn）積形狀的不（bú）同可分為圓管和異型管。由於在周長相等的（de）條件下，圓麵（miàn）積最大，用（yòng）圓形管可以輸送更多的流體。此外，圓環（huán）截麵在承受內（nèi）部或外部（bù）徑向壓力時，受力較均勻，因此，絕大多數鋼管是圓管。　合（hé）金管重量計算公式：[(外徑-壁厚)*壁厚]*0.02466=kg/米（每米的重量）