Tubo de Aço T91

O tubo de aço liga T91 é um tipo de tubo de aço, o aço T91 é um novo tipo de aço martenitico resistente ao calor desenvolvido em colaboração com o Laboratório Nacional de Tree Ridge e o Laboratório de Materiais Metalúrgicos da Empresa de Engenharia de Combustão dos Estados Unidos. É uma base de aço 121MoV para reduzir o teor de carbono, restringir estritamente o teor de enxofre e fósforo, adicionando pequenas quantidades de vanádio e níobio para a liga. De acordo com a ASTM 213/A213M-85C, a composição química do aço T91 é mostrada na Tabela 1. O número de aço alemão correspondente ao aço T91 é X10CrMoVNNb91, o número de aço japonês é HCM95 e o número de aço francês é TUZ10CDVNb0901. Tabela 1 % de composição química do aço T91

Elementos de tubo de aço de liga T91 Conteúdo

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

O Ni ≤0,40

Os elementos de liga do aço T91 desempenham, respectivamente, o reforço de solução sólida, o reforço de dispersão e a melhoria da resistência à oxidação e à corrosão do aço, a análise específica é a seguir.

O carbono é o elemento mais óbvio do efeito de reforço sólido no aço, com o aumento do teor de carbono, a força de curto prazo do aço aumenta, a plasticidade e a tenacidade diminuem, para o aço martenite T91, o aumento do teor de carbono acelerará a esferização do carboneto e a velocidade de agregação, acelerará a redistribuição dos elementos de liga, reduzirá a soldabilidade, a resistência à corrosão e a antioxidação do aço, portanto o aço resistente ao calor geralmente deseja reduzir o teor de carbono, mas o teor de carbono é muito baixo, a força do aço diminuirá. O aço T91 apresenta uma redução de 20% no teor de carbono em comparação com o aço 12Cr1MoV, que foi determinado considerando os efeitos dos fatores acima.

O aço T91 contém traces de nitrogênio, o efeito do nitrogênio é refletido em dois aspectos. Por um lado, o efeito de reforço da solução sólida, a solubilidade do nitrogênio no aço à temperatura normal é muito pequena, a zona de efeito térmico pós-soldadura de aço T91 no aquecimento da soldadura e no tratamento térmico pós-soldadura, aparecerá a solução sólida e o processo de precipitação do VN: o tecido austénico já formado na zona de efeito térmico durante o aquecimento da soldadura, devido à dissolução do VN, o teor de nitrogênio aumenta, depois que o grau de supersaturação no tecido à temperatura normal aumenta, no tratamento térmico pós-soldadura posterior, há uma pequena precipitação de VN, o que aumenta a estabilidade do tecido e melhora o valor de força duradoura da zona de efeito térmico. Por outro lado, o aço T91 também contém uma pequena quantidade de A1, o nitrogênio pode formar A1N, A1N é dissolvido em massa acima de 1.100 ° C, em baixas temperaturas de precipitação, pode desempenhar um melhor efeito de reforço de difusão.

A adição de cromo é principalmente para melhorar a resistência ao aço resistente ao calor, a resistência à corrosão, quando o teor de cromo é inferior a 5%, 600 ° C começa a oxidação intensa, e o teor de cromo chega a 5% tem uma boa resistência ao oxidante. O aço 12Cr1MoV tem uma boa resistência à oxidação abaixo de 580 ℃, a profundidade da corrosão é de 0,05 mm / a, quando o desempenho começa a deteriorar-se a 600 ℃, a profundidade da corrosão é de 0,13 mm / a. O teor de cromo do T91 aumentou para cerca de 9%, a temperatura de uso pode chegar a 650 ° C, a principal medida é fazer com que mais cromo seja dissolvido no sustrato.

O vanádio e o níobio são fortes elementos de formação de carbonetos, que podem ser adicionados para formar carbonetos de liga pequenos e estáveis ​​com carbono, com um efeito de reforço de difusão muito forte.

A adição de molibdênio é principalmente para melhorar a resistência térmica do aço, desempenhando o papel de reforço de solução sólida.

2.2 Processo de tratamento térmico

O tratamento térmico final do T91 é o fogo positivo + a alta temperatura, a temperatura do fogo positivo é de 1040 ° C, o tempo de isolamento não é inferior a 10 minutos, a temperatura do fogo é de 730 a 780 ° C, o tempo de isolamento não é inferior a 1 h, o tecido após o tratamento térmico final é a martenite de fogo.

2.3 Propriedades mecânicas

A força de tracção em temperatura normal do aço T91 ≥585 MPa, a força de submissão em temperatura normal ≥415 MPa, a dureza ≤250 HB, a taxa de alongamento (amostra circular padrão com uma distância de 50 mm) ≥20%, o valor de tensão permitido [σ] 650 ℃ = 30 MPa.

2.4 Desempenho da solda

O equivalente de carbono do T91 é calculado de acordo com a fórmula recomendada pela Sociedade Internacional de Soldadura.

O T91 tem uma baixa capacidade de soldagem.

Problemas na soldagem T91

3.1 Geração de tecidos endurecidos na zona de impacto térmico

Como pode ser visto na Figura 1, a velocidade de resfriamento crítica do T91 é baixa, a estabilidade austenitica é grande, e a transformação do corpo perloso normal não é fácil ao resfriar e, portanto, a transformação martenitica ocorre ao resfriar para temperaturas mais baixas. É por isso que o T91 tem uma grande tendência a endurecer e a quebrar a frio.

Como os vários tecidos da zona de impacto térmico têm diferentes densidades, coeficientes de expansão e diferentes formas de grade cristalina, o aquecimento e o resfriamento serão inevitavelmente acompanhados por diferentes expansões e contrações de volume; Por outro lado, devido ao aquecimento de solda com características desiguais e altas temperaturas, a tensão interna da junta de solda T91 é grande.

Para o T91, a austenita é bastante estável e precisa ser resfriada a temperaturas mais baixas (cerca de 400 °C) para se transformar em martenita. Os grandes tecidos martenitas são frágeis e rígidos, e as juntas estão sob tensões complexas. Ao mesmo tempo, durante o processo de resfriamento da costura de solda, o hidrogênio é difundido pela costura de solda para a área próxima da costura, a presença de hidrogênio promove a fragilidade da martenite, o resultado da sua síntese é fácil gerar rachaduras frias na área de endurecimento.

3.2 Crescimento do grão na zona de impacto térmico

O ciclo térmico de solda tem um impacto significativo no crescimento do grão na área de impacto térmico da cabeça de solda, especialmente perto da área de fusão onde a temperatura de aquecimento atinge a mais alta. Quando a velocidade de resfriamento é menor, na área de impacto térmico da soldagem aparecem grandes blocos de ferro e tecido de carboneto, o que faz com que a plástica do aço caia significativamente; Quando a velocidade de resfriamento é grande, devido à produção de tecido martenite grosso, também pode fazer com que a plasticidade da junta de solda caia.

3.3 Geração de camadas suaves

O aço T91 é soldado no estado de regulamento, a área de impacto térmico produz uma camada de amolecimento inevitável e é mais grave do que o amolecimento do aço resistente ao calor do corpo perloso. Quando as velocidades de aquecimento e resfriamento são lentas, o grau de amolecimento é maior. Além disso, a largura da camada amortecedora e sua distância da linha de fusão não estão apenas relacionadas com as condições e características de aquecimento da solda, mas também com o pré-aquecimento e o tratamento térmico pós-solda. A fábrica de caldeiras de Harbin experimentou a curva de dureza da zona de impacto térmico da soldadura T91, ver Figura 2.

3.4 Fendas de corrosão por tensão

Aço T91 antes do tratamento térmico pós-solda, a temperatura de resfriamento geralmente não é inferior a 100 ° C, se resfriado a temperatura ambiente, e o ambiente é mais úmido, é propenso a fendas de corrosão por tensão. As regras alemãs exigem que o tratamento térmico após soldagem seja resfriado abaixo de 150 ° C. No caso de uma peça de trabalho mais grossa, presença de costuras angulares e mau tamanho geométrico, a temperatura de resfriamento não é inferior a 100 ° C. Se resfriado a temperatura ambiente, é estritamente proibido a umidade, caso contrário, é fácil gerar rachaduras de corrosão por tensão.

4 Processo de soldagem de aço T91

4.1 Escolha da temperatura de pré-aquecimento

O ponto de MS do aço T91 é de cerca de 400 ° C, e a temperatura de pré-aquecimento é geralmente escolhida entre 200 e 250 ° C. A temperatura de pré-aquecimento não pode ser muito alta, caso contrário, a velocidade de resfriamento da junta é reduzida, o que pode causar a precipitação de carboneto no limite cristalino da junta de solda e a formação de tecido ferroso, reduzindo significativamente a resistência ao impacto da junta de solda de aço à temperatura ambiente. O limite inferior da temperatura de pré-aquecimento é bem ilustrado pelos testes de inserção feitos na fábrica de caldeiras de Harbin.

A barra de teste de inserção é de aço T91, diâmetro de 8 mm, profundidade de 0,5 mm, a placa de fundo é de aço 13CrMo, espessura de 20 mm, o teste é realizado sem pré-aquecimento, pré-aquecimento de 150 ℃, pré-aquecimento de 200 ℃, pré-aquecimento de 250 ℃. A barra de solda é usada J707. A corrente de solda é de 165 a 170 A, a tensão de arco é de 21 a 267 V, e os resultados do teste são mostrados na Tabela 2.

Tabela 2 Resultados do ensaio de inserção T91

Experimentação

amostra condição

Nível de estresse

Tempo de ruptura / MPa

por min

Sem pré-aquecimento 1 303.8 9 9

2 186 8 237

3 176.4 8.3 1440 Continuado

Pré-aquecimento 150 ℃ 4 421,4 8,1 1260

5 354.8 120 Continuado

Pré-aquecimento 200 ℃ 6 465.2 8.6 1440 Continuado

7 482,7 8,1 438

8 539 7,9 313

Pré-aquecimento 250 ℃ 9 539 8.2 1440 Continuado

10 600 8.0 1440 Continuado

Os resultados do teste acima indicam que, sem pré-aquecimento, a tensão crítica da junção de solda de aço T91 é de 176,4 MPa; Quando o pré-aquecimento de 150 ° C, a tensão crítica é de 354,8 MPa, 85,4% do limite de submissão a temperatura normal do aço T91 de 415 MPa; Quando o pré-aquecimento é superior a 200 ℃, a tensão crítica é maior que 460 MPa, excedendo o limite de submissão à temperatura normal do aço T91. Portanto, para evitar que a soldadura de aço T91 produza rachaduras frias, a temperatura de pré-aquecimento não deve ser inferior a 200 ° C, a Alemanha especifica a temperatura de pré-aquecimento de 180 a 250 ° C, a empresa CE dos EUA especifica a temperatura de pré-aquecimento de 120 a 205 ° C.

4.2 Escolha da temperatura entre camadas

A temperatura entre camadas não deve estar abaixo do limite inferior da temperatura de pré-aquecimento, mas como a escolha da temperatura de pré-aquecimento, a temperatura entre camadas também não pode ser excessivamente alta. A temperatura entre camadas de soldagem T91 é geralmente controlada entre 200 e 300 ° C. A França exige que a temperatura entre camadas não exceda 300 graus Celsius. As regras dos EUA: a temperatura entre camadas pode estar entre 170 e 230 ° C.

4.3 Escolha da temperatura inicial do tratamento térmico pós-soldadura

T91 requer resfriamento após soldagem abaixo do ponto Ms e manter um certo tempo para o tratamento de cozimento. A velocidade de resfriamento após soldagem é de 80 a 100 ° C / h. Se não for isolado, o tecido austenitico da junção pode não ser completamente transformado e o aquecimento por cozimento pode provocar a precipitação de carbonetos ao longo da fronteira austenitica, o que torna o tecido frágil. No entanto, a soldadura do T91 também não permite o resfriamento até a temperatura ambiente para a recuperação de fogo, porque a junção de soldadura pode gerar rachaduras frias quando resfriada até a temperatura ambiente. Para o T91, a temperatura inicial ideal é de 100 a 150 ° C, e o isolamento de 1 hora, basicamente garante que a transformação do tecido seja concluída.

4.4 Escolha da temperatura de cozimento, tempo de termostato e velocidade de refrigeração de cozimento

O aço T91 tende a fissurar a frio e, sob certas condições, é fácil gerar fissuras atrasadas, portanto, a junção de solda deve ser tratada com retorno no prazo de 24 h após a solda. A organização do estado de soldadura T91 é uma martenite em placa, que pode ser transformada em martenite em placa após a ignição, e sua performance é superior à martenite em placa. Quando a temperatura de cozimento é baixa, o efeito de cozimento não é óbvio, o metal da soldadura é fácil de envelhecer e frágil; A temperatura de cozimento é muito alta (acima da linha AC1), e a junção pode ser austenizada novamente e endurecida novamente durante o processo de resfriamento subsequente. Ao mesmo tempo, como descrito anteriormente neste artigo, a determinação da temperatura de cozimento também deve considerar o efeito da camada de suavização da junção. Em geral, a temperatura do T91 é de 730 a 780 ° C.

O tempo de temperatura constante de cozimento após soldadura T91 não é inferior a 1 h para garantir que seu tecido se transforme completamente em martenite cozido.

Para reduzir a tensão residual da junção de solda de aço T91, sua velocidade de resfriamento deve ser controlada a menos de 5 ℃ / min. O processo de soldagem do aço T91 pode ser representado na Figura 3.

Pré-aquecimento de 200 a 250 ℃; ② solda, temperatura entre camadas 200 ~ 300 ℃; ② resfriamento após soldagem, a velocidade é de 80 ~ 100 ℃ / h;

5 Aplicações de aço T91 em usinas térmicas na província de Guangdong

O primeiro centro de treinamento de soldagem do Departamento de Energia da Província de Guangdong fez a avaliação do processo de soldagem de acoplamento de tubos de traço T91 de Φ42 mm x 5mm. A temperatura de pré-aquecimento é de 200 ° C, após a soldadura é resfriada a 150 ° C, a temperatura de aquecimento é de 1 h após a recuperação, a temperatura de recuperação é de 750 a 780 ° C, a temperatura de isolamento é de 1 h, a velocidade de refrigeração é inferior a 5 ° C / min. A inspeção da aparência da amostra após a soldadura, a inspeção de corte, o teste sem danos, o teste de alongamento e curvatura foram aprovados, o que também indica que o processo de soldagem acima foi eficaz.

O processo de soldagem acima foi aplicado com sucesso no anel externo do reataquecedor de alta temperatura da fábrica A de Cape Sand e da central elétrica de Mei County. Após a aplicação do aço T91 nestas usinas elétricas, a frequência de acidentes causados ​​por sobretemperatura, etc., foi significativamente reduzida.

6 Conclusões

① Aço T91 baseado no princípio de liga, especialmente a adição de pequenas quantidades de níobio, vanádio e outros elementos em traços, resistência a altas temperaturas, antioxidação do aço 12 Cr1MoV tem uma grande melhoria, mas seu desempenho de soldagem é inferior.

② O teste de inserção mostra que o aço T91 tem uma maior tendência à fissura fria, escolhendo o pré-aquecimento de 200 a 250 ° C e a temperatura entre camadas de 200 a 300 ° C, que pode prevenir eficazmente a geração de fissuras frias.

Antes do tratamento térmico pós-soldadura T91, deve ser resfriado a 100 ~ 150 ℃, isolamento 1 h; temperatura de cozimento 730 ~ 780 ℃, tempo de isolamento não inferior a 1 h.

O processo de soldagem acima foi aplicado na prática de produção de fabricação de caldeiras de 200 MW e 300 MW para obter resultados satisfatórios e obter grandes benefícios econômicos. O tubo de aço é uma barra longa de aço com uma seção oca e sem costuras ao redor. Os tubos de aço têm uma seção vazia e são amplamente usados ​​como tubos para transportar fluidos, como tubos para transportar petróleo, gás natural, gás, água e certos materiais sólidos. O tubo de aço e o aço redondo, em comparação com o aço sólido, com a mesma resistência à torção e à flexão, o peso é menor, é um aço de seção econômica, amplamente utilizado na fabricação de peças estruturais e peças mecânicas, como barras de perfuração de petróleo, eixos de transmissão de automóveis, bastidores de bicicletas e bastidores de aço usados ​​na construção. A fabricação de peças de anel com tubos de aço pode melhorar a utilização de materiais, simplificar o processo de fabricação, economizar materiais e tempo de processamento, como rolamentos rolantes, jackets, etc., já são amplamente fabricados com tubos de aço. Os tubos de aço são materiais indispensáveis ​​para várias armas convencionais, canons, canhões, etc. são fabricados com tubos de aço. Os tubos de aço podem ser divididos em tubos redondos e tubos deformados de acordo com a forma da área transversal. Como a área circular é maior em circunstâncias iguais, mais fluido pode ser transportado com tubos redondos. Além disso, a seção círcula é mais uniforme quando suportada pela pressão radial interna ou externa, portanto, a grande maioria dos tubos de aço é redonda. Fórmula de cálculo do peso do tubo de liga: [(diâmetro externo - espessura da parede) * espessura da parede] * 0,02466 = kg / m (peso por metro)