تضمین کیفیت لوله فولادی فشار قوی T91
فولاد T91 نوع جدیدی از فولاد مقاوم در برابر حرارت مارتنزیتی است که توسط آزمایشگاه ملی فیل رج آمریکا و آزمایشگاه مواد متالورژی شرکت مهندسی احتراق آمریکا ساخته شده است. بر اساس فولاد 9Cr1MoV، محتوای کربن را کاهش می دهد، محتوای گوگرد و فسفر را به شدت محدود می کند و مقدار کمی وانادیم و نیوبیم را برای آلیاژ اضافه می کند.
گرید فولاد لوله فولادی بدون درز T91 مربوط به فولاد T91 در آلمان x10crmovnnb91، در ژاپن hcm95 و در فرانسه tuz10cdvnb0901 است.
محتوای عنصر
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
هر عنصر آلیاژی در فولاد T91 نقش تقویت محلول جامد، تقویت پراکندگی و بهبود مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی فولاد را ایفا می کند. تجزیه و تحلیل خاص به شرح زیر است.
①کربن بارزترین عنصر تقویت محلول جامد در فولاد است. با افزایش محتوای کربن، استحکام کوتاه مدت فولاد افزایش یافته و انعطاف پذیری و چقرمگی کاهش می یابد. برای فولاد مارتنزیتی مانند T91، افزایش محتوای کربن باعث تسریع کروی شدن و تجمع کاربید، تسریع در توزیع مجدد عناصر آلیاژی و کاهش جوش پذیری، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر اکسیداسیون فولاد می شود. بنابراین، فولاد مقاوم در برابر حرارت به طور کلی می خواهد محتوای کربن را کاهش دهد، اما اگر محتوای کربن خیلی کم باشد، استحکام فولاد کاهش می یابد. در مقایسه با فولاد 12Cr1MoV، محتوای کربن فولاد T91 20٪ کاهش می یابد که با در نظر گرفتن جامع تأثیر عوامل فوق تعیین می شود.
②فولاد T91 حاوی نیتروژن کمیاب است و نقش نیتروژن در دو جنبه منعکس می شود. از یک طرف نقش تقویت محلول جامد را ایفا می کند. حلالیت نیتروژن در فولاد در دمای اتاق بسیار کم است. در فرآیند گرمایش جوش و عملیات حرارتی پس از جوش، محلول جامد VN و فرآیند رسوب به طور متوالی در منطقه متاثر از حرارت پس از جوش فولاد T91 رخ می دهد: ساختار آستنیتی تشکیل شده در منطقه تحت تأثیر حرارت در طی گرمایش جوشکاری، محتوای نیتروژن را به دلیل افزایش می دهد. انحلال VN و سپس درجه فوق اشباع در ساختار دمای معمولی افزایش می‌یابد، در عملیات حرارتی پس از جوشکاری، بارش VN خوب وجود دارد که پایداری ریزساختار را افزایش می‌دهد و استحکام پایدار منطقه تحت تأثیر حرارت را بهبود می‌بخشد. از سوی دیگر، فولاد T91 نیز حاوی مقدار کمی A1 است. نیتروژن می تواند با آن A1N تشکیل دهد. A1N تنها زمانی که بالای 1100 درجه سانتیگراد باشد در ماتریس حل می شود و دوباره در دمای پایین تری رسوب می کند که می تواند اثر تقویت پراکندگی خوبی داشته باشد.
③افزودن کروم عمدتاً برای بهبود مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی فولاد مقاوم در برابر حرارت است. هنگامی که محتوای کروم کمتر از 5٪ باشد، در دمای 600 ℃ به شدت شروع به اکسید شدن می کند، در حالی که زمانی که محتوای کروم تا 5٪ باشد، مقاومت اکسیداسیون خوبی دارد. فولاد 12Cr1MoV دارای مقاومت اکسیداسیون خوبی در زیر 580 ℃ است و عمق خوردگی 0.05 میلی متر / A است. در دمای 600 ℃، عملکرد شروع به بدتر شدن می کند و عمق خوردگی 0.13 میلی متر / A است. محتوای کروم T91 را می توان به حدود افزایش داد. 9٪ و دمای سرویس می تواند به 650 ℃ برسد. معیار اصلی حل کردن کروم بیشتر در ماتریس است.
④وانادیم و نیوبیم عناصر تشکیل دهنده کاربید قوی هستند. پس از افزودن، آنها می توانند کاربیدهای آلیاژی ریز و پایدار را با کربن تشکیل دهند که دارای اثر تقویت کننده پراکندگی قوی است.
⑤ مولیبدن عمدتاً برای بهبود استحکام حرارتی فولاد و ایفای نقش تقویت محلول جامد اضافه می شود.
عملیات حرارتی نهایی T91 نرمال‌سازی + دمای بالا است. دمای عادی 1040 ℃ است، زمان نگهداری کمتر از 10 دقیقه نیست، دمای معتدل 730 ~ 780 ℃ است، و زمان نگهداری کمتر از 1 ساعت نیست. ریزساختار پس از عملیات حرارتی نهایی مارتنزیت تمپر شده است.
استحکام کششی فولاد T91 در دمای اتاق ≥ 585 مگاپاسکال، استحکام تسلیم در دمای اتاق ≥ 415 مگاپاسکال، سختی ≤ 250 Hb، ازدیاد طول (نمونه دایره ای استاندارد با فاصله گیج 50 میلی متر) ≥ 20٪، مقدار تنش مجاز [σ] 650℃= 30 مگاپاسکال
با توجه به فرمول معادل کربن توصیه شده توسط انجمن بین المللی جوشکاری، معادل کربن T91 است.
مشاهده می شود که T91 جوش پذیری ضعیفی دارد.
فولاد T91 تمایل زیادی به ترک سرد دارد و در شرایط خاصی مستعد ترک تاخیری است. بنابراین، اتصال جوش داده شده باید ظرف 24 ساعت پس از جوشکاری حرارت داده شود. ریزساختار T91 بعد از جوشکاری مارتنزیت صفحه ای و نواری می باشد که پس از تمپر می توان آن را به مارتنزیت سکوریت تبدیل کرد و خواص آن نسبت به مارتنزیت صفحه ای و نواری برتری دارد. هنگامی که دمای معتدل پایین است، اثر تلطیف آشکار نیست، و فلز جوش به راحتی پیر و شکننده می شود. اگر دمای تمپر خیلی زیاد باشد (از خط AC1 تجاوز کند)، ممکن است اتصال دوباره آستنیته شود و در فرآیند خنک سازی بعدی دوباره سخت شود. در عین حال، همانطور که قبلاً در این مقاله ذکر شد، تأثیر لایه نرم کننده مفصل باید در تعیین دمای تمپر در نظر گرفته شود. به طور کلی، دمای معتدل T91 730 ~ 780 ℃ است.
زمان دمای ثابت معتدل T91 پس از جوشکاری نباید کمتر از 1 ساعت باشد تا از تبدیل کامل ساختار آن به مارتنزیت سکوریت اطمینان حاصل شود.
به منظور کاهش تنش پسماند اتصال جوش داده شده فولادی T91، سرعت خنک کننده باید کمتر از 5 ℃ در دقیقه کنترل شود. فرآیند جوشکاری فولاد T91 را می توان در شکل 3 نشان داد.
پیش گرم 200 ~ 250 ℃؛ ② جوش، دمای بین لایه 200 ~ 300 ℃؛ ③ خنک کننده پس از جوشکاری، با سرعت 80 ~ 100 ℃ / ساعت؛ ④ 100 ~ 150 ℃ برای 1 ساعت؛ ⑤ حرارت دادن در 730 ~ 780 ℃ به مدت 1 ساعت. ⑥ با سرعت نه بیشتر از 5 ℃ در دقیقه خنک کنید.
فولاد T91 بر اصل آلیاژسازی متکی است، به ویژه افزودن مقدار کمی از عناصر کمیاب مانند نیوبیم و وانادیم. استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون در مقایسه با فولاد 12 cr1mov بسیار بهبود یافته است، اما عملکرد جوشکاری آن ضعیف است.
تست پین نشان می دهد که فولاد T91 تمایل زیادی به ترک سرد دارد. انتخاب پیش گرمایش 200 ~ 250 ℃ و دمای بین لایه 200 ~ 300 ℃ می تواند به طور موثر از ترک سرد جلوگیری کند.
T91 باید به مدت 1 ساعت قبل از عملیات حرارتی پس از جوش تا 100 ~ 150 ℃ خنک شود. دمای معتدل 730 ~ 780 ℃، زمان نگهداری کمتر از 1 ساعت نیست.
فرآیند جوشکاری فوق در عمل ساخت و تولید دیگ‌های 200 مگاوات و 300 مگاوات، با نتایج رضایت‌بخش و مزایای اقتصادی فراوان اعمال شده است.
