Ống thép hợp kim T91

Ống thép hợp kim T91 là một loại ống thép, thép T91 là loại thép chịu nhiệt martensitic mới được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Cây Ridge Quốc gia Hoa Kỳ và Phòng thí nghiệm Vật liệu Luyện kim của Công ty Kỹ thuật Đốt Hoa Kỳ. Nó được làm giảm hàm lượng carbon trên cơ sở thép 121MoV, hạn chế nghiêm ngặt hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho, thêm một lượng nhỏ vanadi và niobi để hợp kim hóa. Thành phần hóa học của thép T91 được liệt kê trong Bảng 1 theo ASTM213/A213M-85C. Thép Đức tương ứng với thép T91 là X10CrMoVNb91, thép Nhật Bản là HCM95 và thép Pháp là TUZ10CDVNb0901. Bảng 1 Thành phần hóa học của thép T91%

T91 Hợp kim thép ống nội dung yếu tố

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

Các yếu tố hợp kim khác nhau trong thép T91 đóng vai trò tăng cường dung dịch rắn, tăng cường phân tán và cải thiện khả năng chống oxy hóa, chống ăn mòn của thép, phân tích cụ thể như sau.

① Carbon là yếu tố rõ ràng nhất của vai trò tăng cường giải pháp trong thép, với sự gia tăng hàm lượng carbon, sức mạnh ngắn hạn của thép tăng lên, độ dẻo và độ dẻo dai giảm, đối với loại thép martensitic T91, hàm lượng carbon tăng sẽ đẩy nhanh quá trình hình thành cacbua và tốc độ tập hợp, tăng tốc độ phân phối lại các yếu tố hợp kim, giảm khả năng hàn, chống ăn mòn và chống oxy hóa của thép, vì vậy thép chịu nhiệt thường muốn giảm hàm lượng carbon, nhưng hàm lượng carbon quá thấp, sức mạnh của thép sẽ giảm. So với thép 12Cr1MoV, hàm lượng carbon thấp hơn 20%, được quyết định bằng cách xem xét toàn diện ảnh hưởng của các yếu tố trên.

② Trong thép T91 có dấu vết của nitơ, vai trò của nitơ được phản ánh trong hai khía cạnh. Một mặt đóng vai trò tăng cường dung dịch rắn, độ hòa tan của nitơ trong thép ở nhiệt độ bình thường là rất nhỏ, vùng ảnh hưởng nhiệt sau hàn của thép T91 trong quá trình gia nhiệt hàn và xử lý nhiệt sau hàn, sẽ xuất hiện quá trình giải quyết và kết tủa của VN liên tiếp: khi hàn nhiệt, mô austenit đã được hình thành trong vùng ảnh hưởng nhiệt do sự hòa tan của VN, hàm lượng nitơ tăng lên, sau đó mức độ quá bão hòa trong các mô nhiệt độ bình thường được cải thiện, trong quá trình xử lý nhiệt sau hàn tiếp theo có sự kết tủa VN nhỏ, điều này làm tăng tính ổn định của mô và cải thiện giá trị cường độ bền bỉ của vùng ảnh hưởng nhiệt. Mặt khác, thép T91 cũng chứa một lượng nhỏ A1, nitơ và sự hình thành A1N của nó, A1N hòa tan nhiều vào ma trận ở trên 1 100 ° C, và tái kết tủa ở nhiệt độ thấp hơn, có thể tạo ra hiệu ứng tăng cường phân tán tốt hơn.

③ Thêm crom chủ yếu là để cải thiện khả năng chống oxy hóa, chống ăn mòn của thép chịu nhiệt, hàm lượng crom nhỏ hơn 5%, 600 ℃ bắt đầu quá trình oxy hóa mạnh mẽ, và hàm lượng crom đạt 5% có khả năng chống oxy hóa tốt. Thép 12Cr1MoV có khả năng chống oxy hóa tốt dưới 580 ℃, độ sâu ăn mòn là 0,05 mm/a, hiệu suất bắt đầu xấu đi ở 600 ℃, độ sâu ăn mòn là 0,13 mm/a. Hàm lượng crôm của T91 tăng lên khoảng 9%, nhiệt độ sử dụng có thể đạt 650 độ C, biện pháp chính là làm cho chất nền hòa tan nhiều crôm hơn.

Vanadi và niobi đều là các nguyên tố hình thành cacbua mạnh, sau khi thêm vào có thể hình thành cacbua hợp kim nhỏ và ổn định với carbon, có tác dụng tăng cường khuếch tán mạnh mẽ.

⑤ Molybdenum được thêm vào chủ yếu để cải thiện độ bền nhiệt của thép và đóng vai trò củng cố dung dịch rắn.

2.2 Quá trình xử lý nhiệt

Việc xử lý nhiệt cuối cùng của T91 là bình thường hóa+ủ nhiệt độ cao, nhiệt độ bình thường hóa là 1040 ° C, thời gian giữ nhiệt không ít hơn 10 phút, nhiệt độ ủ là 730~780 ° C, thời gian giữ nhiệt không ít hơn 1h. Tổ chức sau khi xử lý nhiệt cuối cùng là martensitic ủ.

2.3 Tính chất cơ học

Độ bền kéo nhiệt độ bình thường của thép T91 ≥585 MPa, cường độ năng suất nhiệt độ bình thường ≥415 MPa, độ cứng ≤250 HB, độ giãn dài (mẫu tròn tiêu chuẩn với khoảng cách 50 mm) ≥20%, giá trị ứng suất cho phép [σ] 650 ℃=30 MPa.

2.4 Hiệu suất hàn

Theo công thức được đề xuất bởi Hiệp hội Hàn Quốc Quốc tế, tương đương carbon của T91 được tính là

Có thể thấy được khả năng hàn kém của T91.

3 Vấn đề với hàn T91

3.1 Sản xuất mô cứng trong vùng ảnh hưởng nhiệt

Như bạn có thể thấy từ Hình 1, tốc độ làm mát tới hạn của T91 thấp, độ ổn định austenit rất lớn và sự chuyển đổi pearlite bình thường không dễ xảy ra khi làm mát, do đó sự chuyển đổi martensite xảy ra khi làm mát đến nhiệt độ thấp hơn. Do đó, T91 có xu hướng cứng và nứt lạnh.

Bởi vì các tổ chức khác nhau của vùng ảnh hưởng nhiệt có mật độ khác nhau, hệ số giãn nở và các dạng lưới khác nhau, chắc chắn sẽ đi kèm với sự giãn nở và co lại thể tích khác nhau trong quá trình sưởi ấm và làm mát; Mặt khác, do hệ thống sưởi hàn có đặc điểm không đồng đều và nhiệt độ cao, nên ứng suất bên trong của mối hàn T91 là rất lớn.

Đối với T91, austenit rất ổn định và phải được làm mát đến nhiệt độ thấp hơn (khoảng 400 ° C) để trở thành martensit. Tổ chức martensite thô giòn và cứng, và khớp nối lại ở trạng thái căng thẳng phức tạp. Đồng thời, trong quá trình làm mát mối hàn, hydro được khuếch tán từ mối hàn đến khu vực gần mối hàn, sự hiện diện của hydro đã thúc đẩy martensitic giòn, kết quả của hành động toàn diện của nó, dễ dàng tạo ra vết nứt lạnh trong khu vực cứng.

3.2 Phát triển hạt trong vùng ảnh hưởng nhiệt

Chu kỳ nhiệt hàn có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của hạt trong vùng ảnh hưởng nhiệt của đầu hàn, đặc biệt là vùng nóng chảy gần nhiệt độ gia nhiệt cao nhất. Khi tốc độ làm mát là nhỏ, các mô ferrite và cacbua khối dày sẽ xuất hiện trong vùng ảnh hưởng nhiệt hàn, làm cho độ dẻo của thép giảm đáng kể; Với tốc độ làm mát lớn, nó cũng có thể làm giảm độ dẻo của mối hàn do mô martensitic dày được tạo ra.

3.3 Tạo lớp làm mềm

Thép T91 được hàn ở trạng thái điều hòa, vùng ảnh hưởng nhiệt tạo ra một lớp làm mềm là không thể tránh khỏi, và nghiêm trọng hơn việc làm mềm thép chịu nhiệt Pearlite. Khi sử dụng các thông số kỹ thuật với cả tốc độ sưởi ấm và làm mát chậm, mức độ làm mềm lớn hơn. Ngoài ra, chiều rộng của lớp làm mềm và khoảng cách của nó từ dây nóng chảy, không chỉ liên quan đến điều kiện sưởi ấm và đặc điểm của hàn, mà còn liên quan đến sưởi ấm trước, xử lý nhiệt sau hàn, v.v. Nhà máy nồi hơi Cáp Nhĩ Tân đã tiến hành thử nghiệm để tìm ra đường cong độ cứng của vùng ảnh hưởng nhiệt hàn T91, xem hình 2.

3.4 Vết nứt ăn mòn căng thẳng

Thép T91 trước khi xử lý nhiệt sau khi hàn, nhiệt độ làm mát thường không thấp hơn 100 ° C, nếu làm mát ở nhiệt độ phòng, và môi trường ẩm ướt hơn, dễ bị nứt ăn mòn ứng suất. Quy định của Đức: phải được làm mát dưới 150 ℃ trước khi xử lý nhiệt sau khi hàn. Trong trường hợp phôi dày hơn, sự hiện diện của mối hàn góc và kích thước hình học không tốt, nhiệt độ làm mát không dưới 100 ℃. Nếu làm mát ở nhiệt độ phòng, độ ẩm bị nghiêm cấm, nếu không sẽ dễ bị nứt ăn mòn ứng suất.

4 Quá trình hàn thép T91

4.1 Lựa chọn nhiệt độ khởi động

Điểm Ms của thép T91 là khoảng 400 ℃, nhiệt độ làm nóng trước thường được chọn ở 200~250 ℃. Nhiệt độ làm nóng trước không thể quá cao, nếu không tốc độ làm mát của khớp giảm, có thể gây ra kết tủa cacbua ở ranh giới hạt và hình thành mô ferritic trong mối hàn, do đó làm giảm đáng kể độ dẻo dai tác động của mối hàn thép này ở nhiệt độ phòng. Giới hạn thấp hơn của nhiệt độ khởi động có thể được minh họa rõ ràng từ các thử nghiệm chèn pin đã được thực hiện tại nhà máy nồi hơi Cáp Nhĩ Tân.

Thanh thử nghiệm chèn pin sử dụng thép T91, đường kính 8 mm, sâu 0,5 mm, tấm đế sử dụng thép 13CrMo, dày 20 mm. Thử nghiệm được thực hiện mà không cần làm nóng trước, làm nóng trước 150 ℃, làm nóng trước 200 ℃, làm nóng trước 250 ℃. Điện cực hàn sử dụng J707. Dòng hàn là 165~170 A, điện áp hồ quang là 21~267 V, kết quả kiểm tra được hiển thị trong Bảng 2.

Bảng 2 Kết quả kiểm tra chèn pin T91

Thử nghiệm

Điều kiện mẫu

Không. Mức độ căng thẳng

/MPa thời gian phá vỡ

/min

Không làm nóng trước 1 303,8 9 9

2 186 8 237

3 176.4 8.3 1440 Không phá vỡ

Khởi động 150 ℃ 4 421,4 8,1 1260

5 354.8 120 Không phá vỡ

Làm nóng trước 200 ℃ 6 465,2 8,6 1440 Không bị phá vỡ

7 482.7 8.1 438

8 539 7.9 313

Làm nóng trước 250 ℃ 9 539 8,2 1440 Không bị phá vỡ

10 600 8.0 1440 Không phá vỡ

Được biết từ kết quả thử nghiệm trên, ứng suất tới hạn của mối hàn thép T91 là 176,4 MPa mà không cần làm nóng trước; Ứng suất tới hạn là 354,8 MPa khi làm nóng trước 150 ℃, 85,4% giới hạn năng suất nhiệt độ bình thường 415 MPa của thép T91; Ở nhiệt độ trên 200 ℃, ứng suất tới hạn lớn hơn 460 MPa, vượt quá giới hạn năng suất nhiệt độ bình thường của thép T91. Do đó, để tránh nứt lạnh khi hàn thép T91, nhiệt độ làm nóng trước phải không thấp hơn 200 ℃, Đức quy định nhiệt độ làm nóng trước là 180~250 ℃, công ty CE của Mỹ quy định nhiệt độ làm nóng trước là 120~205 ℃.

4.2 Lựa chọn nhiệt độ giữa các lớp

Nhiệt độ giữa các tầng không được thấp hơn giới hạn dưới của nhiệt độ dự nhiệt, nhưng giống như lựa chọn nhiệt độ dự nhiệt, nhiệt độ giữa các tầng cũng không thể quá cao. T91 Nhiệt độ giữa các lớp khi hàn thường được kiểm soát ở 200~300 ℃. Pháp quy định: nhiệt độ giữa các lớp không vượt quá 300 ℃. Hoa Kỳ quy định: nhiệt độ giữa các lớp có thể nằm trong khoảng 170~230 ℃.

4.3 Lựa chọn nhiệt độ bắt đầu của xử lý nhiệt sau khi hàn

T91 yêu cầu làm mát dưới điểm Ms sau khi hàn và duy trì một thời gian nhất định trước khi ủ, tốc độ làm mát sau khi hàn là 80~100 ℃/h. Nếu không được bảo quản nhiệt, mô austenit của khớp có thể không được chuyển đổi hoàn toàn, và nhiệt độ ủ sẽ thúc đẩy cacbua kết tủa dọc theo ranh giới tinh thể austenit, một mô như vậy rất giòn. Tuy nhiên, T91 không được phép làm lạnh đến nhiệt độ phòng và ủ sau khi hàn, vì mối hàn của nó có nguy cơ bị nứt lạnh khi làm mát đến nhiệt độ phòng. Đối với T91, nhiệt độ khởi đầu tối ưu là 100~150 ℃, và cách nhiệt 1h, về cơ bản có thể đảm bảo rằng sự thay đổi mô đã hoàn tất.

4.4 Lựa chọn nhiệt độ ủ, thời gian nhiệt độ không đổi, tốc độ làm mát ủ

T91 thép có xu hướng nứt lạnh lớn, trong điều kiện nhất định, nó dễ dàng để tạo ra các vết nứt bị trì hoãn, do đó, các mối hàn phải được xử lý ủ trong vòng 24 giờ sau khi hàn. T91 Tổ chức của trạng thái sau khi hàn là martensitic dải tấm, sau khi ủ có thể thay đổi thành martensitic ủ, hiệu suất của nó vượt trội hơn martensitic dải tấm. Khi nhiệt độ ủ hơi thấp, hiệu quả ủ không rõ ràng, kim loại hàn dễ bị lão hóa và giòn; Nhiệt độ ủ quá cao (vượt quá dây AC1), đến lượt khớp có thể bị austenit hóa một lần nữa và cứng lại trong quá trình làm mát tiếp theo. Trong khi đó, như đã đề cập trước đó trong bài viết này, việc xác định nhiệt độ ủ cũng phải xem xét ảnh hưởng của lớp làm mềm khớp. Nói chung, nhiệt độ ủ T91 là 730~780 ℃.

T91 Nhiệt độ không đổi sau khi hàn không dưới 1 giờ để đảm bảo sự chuyển đổi hoàn toàn của mô thành martensitic ủ.

Để giảm ứng suất còn lại của mối hàn thép T91, tốc độ làm mát của nó dưới 5 ℃/phút phải được kiểm soát. Quá trình hàn thép T91 có thể được thể hiện trong Hình 3.

① Làm nóng trước 200~250 ℃; ② Hàn, nhiệt độ giữa các lớp 200~300 ℃; ③ Làm mát sau khi hàn với tốc độ 80~100 ℃/h; ④ 100~150 ℃ cách nhiệt 1 h; ④ 730~780 ℃ ủ 1 h; ⑥ Làm mát với tốc độ không quá 5 ℃/phút

5 Ví dụ về ứng dụng thép T91 trong nhà máy điện nội bộ tỉnh Quảng Đông

Trung tâm đào tạo hàn đầu tiên của Cục Điện lực tỉnh Quảng Đông đã thực hiện đánh giá quá trình hàn của Φ42 mm × 5 mm đối với kết nối ống T91. Nhiệt độ làm nóng trước được thực hiện là 200 ℃, làm mát đến 150 ℃saukhi hàn, ủ sau khi giữ nhiệt 1h, nhiệt độ ủ là 750~780 ℃, giữ nhiệt 1h, tốc độ tăng và giảm nhiệt độ đều nhỏ hơn 5 ℃/phút. Kiểm tra ngoại hình, kiểm tra vết nứt, kiểm tra không phá hủy, kiểm tra độ bền kéo và uốn mẫu sau khi hàn, và kết quả là tất cả các tiêu chuẩn, điều này cũng cho thấy rằng quá trình hàn trên đã được chứng minh.

Quá trình hàn nói trên đã được áp dụng thành công trong vòng ngoài của bộ hâm nóng nhiệt độ cao tại Nhà máy Shaggao A, Nhà máy điện Meixian. Sau khi áp dụng tại các nhà máy điện này, tần suất tai nạn do nhiệt độ quá cao, v.v., thép T91 đã giảm đáng kể.

6 Kết luận

① Thép T91 dựa trên nguyên tắc hợp kim hóa, đặc biệt là thêm một lượng nhỏ niobi, vanadi và các nguyên tố vi lượng khác, cường độ nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa cao hơn thép 12 Cr1MoV, nhưng hiệu suất hàn kém hơn.

② Kiểm tra chèn pin cho thấy thép T91 có xu hướng nứt lạnh lớn hơn, chọn làm nóng trước 200~250 ℃, nhiệt độ giữa các lớp 200~300 ℃, có hiệu quả có thể ngăn chặn việc tạo ra vết nứt lạnh.

③ T91 trước khi xử lý nhiệt sau khi hàn, phải được làm mát đến 100~150 ℃, giữ nhiệt 1 giờ; Nhiệt độ ủ 730~780 ℃, thời gian giữ nhiệt không ít hơn 1 giờ.

④ Trên quy trình hàn đã được áp dụng trong thực tiễn sản xuất nồi hơi 200 MW, 300 MW, đạt được hiệu quả thỏa đáng và đạt được lợi ích kinh tế lớn. Ống thép là một loại thép dải dài với mặt cắt rỗng và không có đường nối trong chu vi. Ống thép có tiết diện rỗng, được sử dụng làm đường ống vận chuyển chất lỏng, chẳng hạn như đường ống vận chuyển dầu, khí đốt, khí đốt, nước và một số vật liệu rắn, v.v. Ống thép so với thép rắn như thép tròn, trong khi độ bền uốn và xoắn, trọng lượng nhẹ hơn, là một loại thép tiết diện kinh tế được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các bộ phận kết cấu và các bộ phận cơ khí, chẳng hạn như ống khoan dầu, trục truyền động ô tô, khung xe đạp và giàn giáo thép được sử dụng trong xây dựng xây dựng, v.v. Sản xuất các bộ phận vòng bằng ống thép, có thể cải thiện việc sử dụng vật liệu, đơn giản hóa quy trình sản xuất, tiết kiệm vật liệu và thời gian xử lý, chẳng hạn như vòng bi lăn, tay áo jack, v.v., hiện đã được sản xuất rộng rãi bằng ống thép. Ống thép còn là vật liệu không thể thiếu của các loại vũ khí thông thường, nòng súng, ống pháo đều phải ống thép để chế tạo. Ống thép có thể được chia thành ống tròn và ống đặc biệt theo hình dạng diện tích mặt cắt ngang. Do diện tích vòng tròn lớn nhất trong điều kiện chu vi bằng nhau, nhiều chất lỏng hơn có thể được vận chuyển bằng ống tròn. Ngoài ra, phần vòng tròn chịu lực đồng đều hơn khi chịu áp lực xuyên tâm bên trong hoặc bên ngoài, do đó, phần lớn ống thép là ống tròn. Công thức tính trọng lượng ống hợp kim: [(OD - Độ dày của tường) * Độ dày của tường] * 0,02466=kg/mét (Trọng lượng trên mét)