T91合金（jīn）鋼管

 

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

 

T91合金鋼管元素 含量（liàng）

　　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鋼中各合金元素分別起到（dào）固溶強化、彌散強化和（hé）提高鋼的抗氧化性、抗腐蝕性能，具體分析如下。

　　①碳是鋼中固溶強化作用最明顯的元素，隨含碳量的增加，鋼的短時強度上升，塑（sù）性、韌性下降，對T91這類馬氏體鋼而言，含（hán）碳量的（de）上升會加快碳（tàn）化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低鋼的焊接性、耐蝕性（xìng）和抗氧化性，故耐熱鋼（gāng）一般都希望降低含碳量，但含碳太低，鋼的強度（dù）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素的影響而決定的。

　　②T91鋼中含微（wēi）量（liàng）氮，氮的作用體現在兩（liǎng）個方麵。一方麵起固溶強化作用，常溫下氮在鋼中的溶（róng）解度很小（xiǎo），T91鋼焊後熱影響區在焊接加熱和焊後熱處理過程中，將先後（hòu）出（chū）現VN的（de）固溶和析出過程：焊接加熱時熱影響區內已形成的（de）奧氏體組織由於VN的溶入，氮含量增加，此（cǐ）後常溫組織中的過飽和程度提高，在（zài）隨後的焊後熱處理中有細小的VN析出，這（zhè）增加了組織穩定性，提高了熱影響區的持久強度值。另一方麵（miàn），T91鋼中（zhōng）還含有少（shǎo）量A1，氮能與（yǔ）其形（xíng）成A1N，A1N在1 100℃以（yǐ）上才（cái）大量溶入基體，在較（jiào）低溫度下又重新析出，能起到較好的彌散強化效果。

　　③加入鉻（gè）主要是提高耐熱鋼的抗氧化性、抗腐（fǔ）蝕能力，含鉻（gè）量小於5%時，600℃開始劇（jù）烈氧化，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，腐蝕深度為0.05 mm/a，600℃時性能開始變差，腐蝕深度為0.13 mm/a。T91含（hán）鉻量提高到9%左右，使用溫度能（néng）達（dá）到650℃，主要措施就是使基體中溶有更多的（de）鉻（gè）。

　　④釩與铌都是（shì）強碳化物形成元素，加（jiā）入後能與碳形成細小而穩（wěn）定的合金碳化物，有很強的彌（mí）散強化效果。

　　⑤加入鉬主要是為了提高鋼的熱強性，起（qǐ）到固溶（róng）強化的（de）作用。

　　2.2 熱處理工藝

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

　　2.3 機械性能（néng）

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

　　2.4 焊接性能

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

　　可（kě）見T91的焊接性較差。

3 T91焊接時存在的問題

　　3.1 熱影響區（qū）淬硬組織（zhī）的產生　　

從圖1可以看出（chū），T91的臨界冷卻速度低，奧（ào）氏體穩（wěn）定性很大，冷卻時不易發生正常的珠（zhū）光體轉變，從而冷卻到較低溫度時發生了馬（mǎ）氏（shì）體轉變。正由於此，T91的淬硬和冷裂傾向很大。

　　由於熱影響區的各種組織具（jù）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（bì）然會伴有不同的體積膨脹和（hé）收縮；另一方麵，由於焊接加熱具有不均勻（yún）和溫度（dù）高的（de）特點，故而T91焊接接頭內部應力很大。

　　對於T91，奧（ào）氏體十分穩（wěn）定（dìng），要冷卻到較低溫度(約400℃)才能（néng）變（biàn）為馬氏體。粗（cū）大的馬氏體組織脆（cuì）而（ér）硬，接頭又處在複雜（zá）應力狀態下。同時，焊縫冷卻過程中氫由焊縫向近縫區擴散，氫（qīng）的存在促使了馬氏體脆（cuì）化，其綜合作用的（de）結果，很容易在淬硬區產生冷裂紋。

　　3.2 熱影響區晶粒長大　　

焊接（jiē）熱循環對焊（hàn）接頭熱影（yǐng）響區的晶（jīng）粒長大有重大的影響，特別是（shì）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（jiē）熱影響區會出現粗大的塊狀鐵素體和碳（tàn）化物組織，使鋼材的塑性明顯下降；冷（lěng）卻速度大（dà）時，由於產生了粗大的馬氏體組織，也會使（shǐ）焊接接（jiē）頭塑性下降。

　　3.3 軟化層的產生

　　T91鋼在調質狀（zhuàng）態下焊接，熱影響區產生軟（ruǎn）化層不（bú）可（kě）避免，而且比珠光體（tǐ）耐熱鋼（gāng）的軟化更為嚴重。當用加熱和冷卻速度（dù）均較緩慢（màn）的規範（fàn）時，軟化程度較大。另外，軟化層（céng）的寬度和它離熔合線的距（jù）離，不僅與焊接（jiē）的加熱條件及特點有關，還與預熱、焊後熱處理等有（yǒu）關。哈爾濱鍋爐廠曾做過試驗得出T91焊接熱（rè）影響區硬度曲線，見圖2。

　　3.4 應力腐蝕裂紋　　

T91鋼在焊後（hòu）熱處理之前，冷卻溫度一（yī）般不低於100℃，如（rú）果在室溫下冷卻，而環境又比較（jiào）潮濕時，容易出（chū）現（xiàn）應力腐蝕裂紋。德（dé）國規定：在焊後熱處理之前必須冷卻至150℃以下。在工件較厚、有角（jiǎo）焊縫存在及幾何尺寸不好的情（qíng）況下（xià），冷卻溫度不低於100℃。如果在室溫（wēn）下冷卻（què），嚴禁潮濕，否則容易產生應力腐蝕裂紋。

4 T91鋼的焊接（jiē）工藝

　　4.1 預（yù）熱溫度的選（xuǎn）擇　　

T91鋼的Ms點約為400℃，預（yù）熱溫度一般選在（zài）200～250℃。預熱溫度不能太高，否則接頭冷卻速度降低（dī），可能在焊接接頭中引起晶界處碳化物析出和（hé）形成（chéng）鐵素（sù）體組織，從（cóng）而大大降低（dī）該（gāi）鋼材焊接接頭在室溫時的衝擊韌性。預熱溫度的下限從哈爾（ěr）濱鍋爐廠所做過的插銷試驗可得到很好的說（shuō）明。

　　插銷試棒采用T91鋼，直徑8 mm,深0.5 mm，底板（bǎn）采用13CrMo鋼，厚20 mm，試驗在不預熱、預（yù）熱150℃、預熱200℃、預熱250℃條件下進行。焊（hàn）條采（cǎi）用J707。焊接電流為（wéi）165～170 A，電弧電壓為（wéi）21～267 V，試（shì）驗結果如（rú）表2所示。

　　表2 T91插銷試驗結果

　　試（shì）驗

　　條件 試樣（yàng）

　　號 應力水平（píng）

　　/MPa 斷裂時間

　　/min

　　不預熱 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

　　預熱200℃ 6 465.2 8.6 1440未（wèi）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

　　由（yóu）上述（shù）試驗結果知，在（zài）不預（yù）熱條件（jiàn）下，T91鋼焊（hàn）接接頭的臨（lín）界應力為176.4 MPa；預熱150℃時，臨界（jiè）應力為354.8 MPa，為T91鋼常溫屈服極限415 MPa的85.4%；預熱200℃以上時，臨界應力大於460 MPa，超過了T91鋼常溫屈服極限。由此，為避免T91鋼焊接時產生冷裂紋，預熱溫度必須不低於200℃，德國規定預熱溫度為180～250℃，美國CE公司規（guī）定預熱（rè）溫度為120～205℃。

　　4.2 層間溫度的選擇

　　層間（jiān）溫度不（bú）得低於預（yù）熱溫（wēn）度下（xià）限，但如同預熱溫度的（de）選取一樣，層間溫度也不（bú）能過高。T91焊接時層間溫度一般控製在200～300℃。法國規定：層間溫度不超過300℃。美國規定：層間溫度可位（wèi）於170～230℃之間。

　　4.3 焊後熱處理起始溫度的選擇

　　T91要求焊後冷（lěng）卻到低於Ms點以下並保持一定（dìng）時間再進行回火處理，焊後冷卻速度為80～100℃/h。如果未經保溫，接頭的奧氏體組織（zhī）可能沒有完全轉變，回火（huǒ）加熱會促使碳化物沿奧氏體晶（jīng）界沉澱，這樣的組織很脆。但是T91焊後也不允許冷（lěng）卻到室溫再進行回（huí）火，因為其焊接接（jiē）頭冷卻到室溫時就（jiù）有產生冷裂紋的危險。對（duì）於T91來說，最佳起始溫度為100～150℃，並保溫1h，可基本確保組織轉變完（wán）畢。

　　4.4 回火溫度、恒溫時間、回火（huǒ）冷卻速度的選擇

　　T91鋼冷裂傾向較大，在一定條件下，容易產（chǎn）生延遲裂紋，故焊接（jiē）接頭必須在焊後24 h內進行（háng）回火處理。T91焊後（hòu）狀態的（de）組織（zhī）為板條狀馬氏體，經過（guò）回火可變為（wéi）回火馬氏體，其性能較板條狀馬氏體優（yōu）越。回火溫度偏低（dī）時，回火（huǒ）效果不明（míng）顯，焊（hàn）縫金屬容易時效而脆化；回（huí）火溫度（dù）過（guò）高（gāo）(超過AC1線)，接頭又可能再次（cì）奧氏體（tǐ）化，並在隨（suí）後的冷卻過程中（zhōng）重新淬硬。同（tóng）時，如本文在前麵所述，回火溫度的確定還要考慮接頭軟化層（céng）的（de）影響。一般而言，T91回（huí）火（huǒ）溫度為730～780℃。

　　T91焊後回火恒溫時間不少（shǎo）於1 h，才能保證其組織完全（quán）轉變為（wéi）回火馬氏體。

　　為了（le）降低（dī）T91鋼焊接接頭的殘餘應力，必須控製其冷卻速度（dù）小於5 ℃/min。T91鋼（gāng）的焊接工藝可用圖3表示。

　　①預熱200～250 ℃；②焊接，層間溫度200～300 ℃；③焊後冷卻，速度（dù）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（zài）廣東省內火電廠應用實例

　　廣東省（shěng）電力局第一（yī）焊接培（péi）訓中心曾作過Φ42 mm×5mm的T91小徑管對接的焊接工藝評定。采取的預熱溫度為200℃，焊後冷卻到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（jun1）小於5℃/min。焊（hàn）後對試樣進行外觀檢查、斷口檢（jiǎn）查、無損檢測、拉伸和彎曲試驗，結果均合格，這也說明上述焊（hàn）接工藝是行之有效的。

　　上述焊接工藝已成功應用在沙角A廠、梅縣電廠高（gāo）溫再（zài）熱器外圈。T91鋼在這些電（diàn）廠（chǎng）應用後（hòu），由於超溫等造（zào）成的事故頻率（lǜ）大（dà）大降低。

　　6 結論

　　①T91鋼靠合（hé）金化原（yuán）理，尤其是添加了少量铌、釩等微量元素，高溫強度、抗氧化性較12 Cr1MoV鋼有（yǒu）較大的提高，但其（qí）焊接性能較差。

　　②插銷試驗表明（míng），T91鋼有較（jiào）大冷裂傾向，選取預熱200～250 ℃，層間溫（wēn）度200～300 ℃，可有效防止冷（lěng）裂紋（wén）產生（shēng）。

　　③T91焊後熱處理前，必須冷卻（què）至100～150 ℃，保溫1 h；回火溫度730～780 ℃，保溫時間不少於1 h。

　　④以上焊接工藝已應用於200 MW、300MW 鍋爐製造（zào）生（shēng）產實踐中，取得滿意效果，並獲（huò）得較大（dà）的經濟效益。 鋼管是一種具有中空截麵、周邊沒（méi）有接（jiē）縫的長（zhǎng）條鋼材（cái）。鋼管具有中（zhōng）空（kōng）截麵，大量（liàng）用作輸送流體的管道，如輸送石油、天然氣、煤氣、水（shuǐ）及某些固體物料的管道（dào）等。鋼管與圓鋼等實心鋼材相比，在抗彎抗扭強（qiáng）度相同時，重量較輕（qīng），是一種經濟截麵（miàn）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、自行車架以及建築施工中（zhōng）用（yòng）的鋼腳手架（jià）等。用鋼管製造環形零件，可提高材料利（lì）用率，簡化製造工序，節約材料和加工工時，如滾動軸承套圈、千斤頂套（tào）等，目前已廣泛用鋼（gāng）管來製造。鋼管還是各（gè）種常規（guī）武器不可缺少的材料，槍管、炮筒等都要鋼（gāng）管（guǎn）來製造。鋼管按（àn）橫截麵積形狀的不同可分為圓（yuán）管和異型管。由於（yú）在周長相等的條件（jiàn）下，圓麵積最大，用圓形管可以輸送更多（duō）的流體。此外，圓環截麵在（zài）承受內（nèi）部或外部徑向壓力時，受力較均勻，因此，絕大多數（shù）鋼管是圓管。　合金管重量計算公式：[(外徑-壁厚)*壁厚]*0.02466=kg/米（每米（mǐ）的重量）