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T91無縫鋼管

2019-11-24 18:11   评论:62 点击:002
  T91無縫鋼管, T91鋼是美國國立像樹嶺實驗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9Cr1MoV
  鋼的基礎上降低含碳量,嚴格限製硫、磷的含量,添加少量的釩、铌元素進行合金化。根據ASTM213/A213M-85C,T91鋼的化學成份見表1。
  與T91鋼對應的德國鋼號為X10CrMoVNNb91,日本鋼號為HCM95,法國則為TUZ10CDVNb0901。
  表1 T91鋼的化學成份%
  元素 含量
  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鋼中各合金元素分別起到固溶強化、彌散強化和進步鋼的抗氧化性、抗腐蝕性能,具體分析如下。
  ①碳是鋼中固溶強化感化最明顯的元素,隨含碳量的增加,鋼的短時強度上升,塑性、韌性下降 ,對T91這類馬氏體鋼而言,含碳量的上升會加快碳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 、耐蝕性和抗氧化性,故耐熱鋼一般都希看降低含碳量,但含碳太低,鋼的強度將降低。T91鋼與12Cr1MoV鋼相比 ,含碳量降低20%,這是綜合考慮上述身分的影響而決定的。
  ②T91鋼中含微量氮,氮的感化體現在兩個方麵。一方麵起固溶強化感化,常溫下氮在鋼中的溶解度很小,T91鋼焊後熱影響區在焊接加熱和焊後熱處理過程中,將先後出現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的溶進,氮含量增加,此後常溫組織中的過飽和程度進步 ,在隨後的焊後熱處理中有細小的VN析出,這增加了組織穩定性 ,進步了熱影響區的持久強度值 。另一方麵,T91鋼中還含有少量A1,氮能與其形成A1N,A1N在1 100℃以上才大量溶進基體,在較低溫度下又從頭析出,能起到較好的彌散強化效果。
  ③加進鉻首要是進步耐熱鋼的抗氧化性、抗腐蝕能力,含鉻量小於5%時,600℃開始劇烈氧化,而含鉻量達5%時就具有良好的抗氧化性。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含鉻量進步到9%擺布,使用溫度能達到650℃,首要措施就是使基體中溶有更多的鉻。
  ④釩與铌都是強碳化物形成元素,加進後能與碳形成細小而穩定的合金碳化物,有很強的彌散強化效果。
  ⑤加進鉬首要是為了進步鋼的熱強性,起到固溶強化的感化。
  2.2 熱處理工藝
  T91的終究熱處理為正火+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,終究熱處理後的組織為回火馬氏體。
  2.3 機械性能
  T91鋼的常溫抗拉強度≥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)≥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式算得T91的碳當量為
  可見T91的焊接性較差。
  3 T91焊接時存在的題目
  3.1 熱影響區淬硬組織的產生
  從圖1可以看出,T91的臨界冷卻速度低,奧氏體穩定性很大 ,冷卻時不易發生正常的珠光體改變,從而冷卻到較低溫度時發生了馬氏體改變。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積膨脹和收縮;另一方麵,由於焊接加熱具有不均勻和溫度高的特點,故而T91焊接接頭內部應力很大。
  對於T91,奧氏體十分穩定,要冷卻到較低溫度(約400℃)才能變為馬氏體。粗大的馬氏體組織脆而硬,接頭又處在複雜應力狀況下。同時,焊縫冷卻過程中氫由焊縫向近縫區擴散,氫的存在促使了馬氏體脆化,其綜合感化的結果 ,很輕易在淬硬區產生冷裂紋 。
  3.2 熱影響區晶粒長大
  焊接熱循環對焊接頭熱影響區的晶粒長大有重大的影響,特別是緊鄰加熱溫度達到最高的熔合區。當冷卻速度較小時,在焊接熱影響區會出現粗大的塊狀鐵素體和碳化物組織,使鋼材的塑性明顯下降;冷卻速度大時,由於產生了粗大的馬氏體組織,也會使焊接接頭塑性下降。
  3.3 軟化層的產生
  T91鋼在調質狀況下焊接,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重。當用加熱和冷卻速度均較緩慢的規範時,軟化程度較大。另外,軟化層的寬度和它離熔合線的間隔 ,不僅與焊接的加熱條件及特點有關,還與預熱、焊後熱處理等有關 。哈爾濱鍋爐廠曾做過試驗得出T91焊接熱影響區硬度曲線 ,見圖2 。
  3.4 應力腐蝕裂紋
  T91鋼在焊後熱處理之前,冷卻溫度一般不低於100℃,假如在室溫下冷卻,而環境又比較濕潤時,輕易出現應力腐蝕裂紋。德國規定 :在焊後熱處理之前必須冷卻至150℃以下。在工件較厚、有角焊縫存在及幾何尺寸不好的情況下,冷卻溫度不低於100℃。假如在室溫下冷卻,嚴禁濕潤,否則輕易產生應力腐蝕裂紋。
  4 T91鋼的焊接工藝
  4.1 預熱溫度的選擇
  T91鋼的Ms點約為400℃,預熱溫度一般選在200~250℃。預熱溫度不能太高,否則接頭冷卻速度降低,可能在焊接接頭中引發晶界處碳化物析出和形成鐵素體組織,從而大大降低該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濱鍋爐廠所做過的插銷試驗可得到很好的說明。
  插銷試棒采用T91鋼,直徑8 mm,深0.5 mm,底板采用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 。焊條采用J707。焊接電流為165~170 A,電弧電壓為21~267 V,試驗結果如表2所示 。
  表2 T91插銷試驗結果
  試驗
  條件 試樣
  號 應力水平
  /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未斷
  由上述試驗結果知,在不預熱條件下,T91鋼焊接接頭的臨界應力為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公司規定預熱溫度為120~205℃。
  4.2 層間溫度的選擇
  層間溫度不得低於預熱溫度下限,但如同預熱溫度的選取一樣 ,層間溫度也不能過高。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要求焊後冷卻到低於Ms點以下並保持一定時間再進行回火處理,焊後冷卻速度為80~100℃/h。假如未經保溫,接頭的奧氏體組織可能沒有完全改變 ,回火加熱會促使碳化物沿奧氏體晶界沉澱,如許的組織很脆。但是T91焊後也不許可冷卻到室溫再進行回火,由於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,最好起始溫度為100~150℃,並保溫1h,可基本確保組織改變完畢。
  4.4 回火溫度、恒溫時間、回火冷卻速度的選擇
  T91鋼冷裂傾向較大,在一定條件下,輕易產生延遲裂紋,故焊接接頭必須在焊後24 h內進行回火處理。T91焊後狀況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。回火溫度偏低時,回火效果不明顯,焊縫金屬輕易時效而脆化;回火溫度過高(超過AC1線) ,接頭又可能再次奧氏體化,並在隨後的冷卻過程中從頭淬硬。同時,如本文在前麵所述,回火溫度的確定還要考慮接頭軟化層的影響。一般而言,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改變為回火馬氏體。
  為了降低T91鋼焊接接頭的殘餘應力,必須控製其冷卻速度小於5 ℃/min。T91鋼的焊接工藝可用圖3表示。
  ①預熱200~250 ℃;②焊接,層間溫度200~300 ℃;③焊後冷卻,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利用實例
  廣東省電力局第一焊接培訓中間曾作過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 ,升降溫速度均小於5℃/min。焊後對試樣進行外觀檢查、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是行之有效的。
  上述焊接工藝已成功利用在沙角A廠、梅縣電廠高溫再熱器外圈。T91鋼在這些電廠利用後,由於超溫等釀成的事故頻率大大降低。
  6 結論
  ①T91鋼靠合金化道理,特別是添加了少量铌、釩等微量元素,高溫強度、抗氧化性較12 Cr1MoV鋼有較大的進步,但其焊接性能較差。
  ②插銷試驗表明,T91鋼有較大冷裂傾向 ,選取預熱200~250 ℃,層間溫度200~300 ℃,可有效防止冷裂紋產生。
  ③T91焊後熱處理前,必須冷卻至100~150 ℃,保溫1 h;回火溫度730~780 ℃,保溫時間不少於1 h。
  ④以上焊接工藝已利用於200 MW、300MW 鍋爐製造生產實踐中,取得滿足效果,並獲得較大的經濟效益。

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