SA213 T22 مقابل T91 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
SA213 T22 و T91 هما درجتان من أنابيب الفولاذ السبيكي المستخدمتان على نطاق واسع في توليد الطاقة والخدمات البتروكيميائية والصناعات ذات درجات الحرارة العالية. غالبًا ما يواجه المهندسون والمحترفون في الشراء معضلة اختيار بين الاثنين: التوازن بين قوة درجات الحرارة المرتفعة وأداء الزحف على المدى الطويل مقابل قابلية اللحام والتكلفة وسهولة التصنيع. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار المواد لأنابيب الغلايات والمبادلات الحرارية، والأنابيب في أنظمة البخار، أو مكونات الاستبدال في التجميعات المحتفظة بالضغط.
التمييز الرئيسي بين هاتين الدرجتين هو استراتيجيات السبائك والهيكل المجهرية الناتجة: T22 هو فولاذ كروم-موليبدينوم منخفض السبيكة مصمم لقوة معتدلة عند درجات الحرارة العالية وقابلية تصنيع جيدة، بينما T91 هو فولاذ مارتنسيت عالي الكروم ومجهز بميكروسبائك مصمم لقوة زحف وعائد أعلى بكثير عند درجات الحرارة المرتفعة. هذا الاختلاف يؤثر على معظم الخيارات اللاحقة في التصميم وممارسات اللحام وتكاليف دورة الحياة.
1. المعايير والتسميات
- ASTM/ASME:
- SA213 T22 — ASTM A213 / ASME SA213 (أنابيب غلايات فولاذية سبيكية غير ملحومة، وسخانات، ومبادلات حرارية)
- SA213 T91 — ASTM A213 / ASME SA213 (أنابيب فولاذية سبيكية غير ملحومة للخدمات ذات درجات الحرارة العالية)
- معايير أخرى:
- غالبًا ما يتم تحديد المعادلات EN/ISO بموجب EN 10216-2 أو EN 10222 (للفولاذات السبيكية المماثلة)؛ توفر المعايير الوطنية (JIS، GB) درجات مقارنة تحت أسماء مختلفة.
- تصنيف:
- SA213 T22 — فولاذ فيريتيك منخفض إلى معتدل السبيكة (يُطلق عليه عادةً فولاذ سبيكي Cr–Mo)
- SA213 T91 — فولاذ سبيكي مارتنسيت عالي الكروم (مارتنسيت مقسى/نوع HSLA للخدمات ذات درجات الحرارة العالية)
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
جدول: نطاقات التركيب الكيميائي النموذجية (وزن%) لـ SA213 T22 و T91. هذه هي النطاقات التمثيلية التي يتم الإشارة إليها عادةً في مواصفات الصناعة؛ تعتمد الحدود الدقيقة على المعيار وشكل الحرارة/المنتج.
| عنصر | SA213 T22 (نطاق نموذجي) | SA213 T91 (نطاق نموذجي) |
|---|---|---|
| C | 0.05 – 0.15 | 0.08 – 0.12 |
| Mn | 0.30 – 0.60 | 0.40 – 0.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.20 – 0.60 |
| P | ≤ 0.025 (أقصى) | ≤ 0.020 (أقصى) |
| S | ≤ 0.025 (أقصى) | ≤ 0.010 (أقصى) |
| Cr | 1.8 – 2.3 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 (أثر) | ≤ 0.40 (أثر) |
| Mo | 0.40 – 0.70 | 0.85 – 1.05 |
| V | أثر – 0.05 | 0.18 – 0.25 |
| Nb (Cb) | أثر – 0.05 | 0.06 – 0.12 |
| Ti | — (عادةً منخفض) | — (عادةً منخفض) |
| B | — (عادةً غير محدد) | — (غالبًا ما يتم التحكم فيه عند ppm منخفض جدًا) |
| N | — (منخفض) | 0.03 – 0.07 |
كيف تؤثر السبائك على الخصائص - الكروم والموليبدينوم: كلاهما يحسن القوة عند درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الأكسدة. يوفر Cr/Mo المعتدل في T22 أداء زحف معتدل؛ بينما يوفر الكروم والموليبدينوم العاليان في T91، مع الميكروسبائك، مقاومة زحف أعلى بكثير. - الكربون: يدعم الكربون العالي في T91 تشكيل المارتنسيت واستجابة التصلب؛ يحتوي T22 على كربون أقل للحفاظ على اللدونة وقابلية اللحام. - الميكروسبائك (V، Nb): موجودة في T91 لتثبيت الكربيدات/النترات، وتنقيح حجم الحبيبات، وتحسين قوة الزحف ومقاومة التليين خلال التعرض الطويل الأمد. - السيليكون والمنغنيز: إزالة الأكسدة وتقوية الحل الصلب؛ تؤثر أيضًا على قابلية التصلب والصلابة.
3. الهيكل المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- SA213 T22:
- الهيكل المجهرية النموذجي بعد المعالجة الحرارية القياسية: فيريتيك مقسى مع مكونات بيرلايت/باينيت مقساة، اعتمادًا على معدل التبريد. إنه ليس فولاذًا مارتنسيت بالكامل.
- استجابة المعالجة الحرارية: يمكن أن يؤدي التطبيع والتقسية أو تخفيف الضغط إلى تعديل الصلابة والقوة. إنه أقل استجابة للتصلب المارتنسيت مقارنةً بـ T91؛ عادةً لا يتطلب أو يستخدم التبريد الشديد.
- SA213 T91:
- الهيكل المجهرية النموذجي: مارتنسيت مقسى ومقسى (مارتنسيت مقسى على شكل شرائح) مع كربيدات ونترات دقيقة (غنية بـ V/Nb/Ti) بعد التطبيع والتقسية المناسبة.
- استجابة المعالجة الحرارية: يتطلب تطبيعًا وتقسيةً محكمين لتطوير الهيكل المجهرية المقصود. تعتبر المعالجة الحرارية الميكانيكية الدقيقة والتقسية الدقيقة مهمة لتحقيق تنقيح الحبيبات ومقاومة الزحف المطلوبة.
- آثار المعالجة:
- يعمل التطبيع على تنقيح هيكل حبيبات الأوستنيت السابقة في T91 وهو خطوة أساسية قبل التقسية.
- التبريد والتقسية (Q&T) لـ T91 ينتج قوة عالية وثبات عند درجات الحرارة المرتفعة؛ التقسية الزائدة تقلل القوة ولكن تحسن الصلابة.
- يعتمد T22 أكثر على التبريد والتحكم في التقسية لتحقيق توازن بين اللدونة والقوة؛ إنه أقل حساسية لمعدلات التبريد.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول: نطاقات الخصائص الميكانيكية النموذجية للحالات المعالجة حراريًا والمقسية أو المقدمة عادةً. تعتمد القيم على المعالجة الحرارية وشكل المنتج والمواصفة.
| الخاصية | SA213 T22 (نموذجي، N&T أو كما هو مقدّم) | SA213 T91 (نموذجي، معالجة حرارية ومقسية) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | 400 – 600 | 550 – 800 |
| قوة العائد (0.2% انزلاق، ميغاباسكال) | 200 – 350 | 400 – 650 |
| التمدد (%) | 18 – 30 | 12 – 20 |
| صلابة التأثير (شاربي V، J، RT) | 20 – 60 (تختلف حسب السماكة) | 30 – 100 (تعتمد على التقسية + HT) |
| الصلابة (HB) | ~150 – 230 | ~200 – 300 |
التفسير - القوة: T91 هو بوضوح الدرجة الأقوى في قوة الشد والعائد، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة ولأداء الزحف على المدى الطويل، بسبب الهيكل المارتنسيت والميكروسبائك. - الصلابة واللدونة: عادةً ما يوفر T22 مزيدًا من اللدونة وسهولة التشوه البلاستيكي؛ يوفر T91 مزيجًا قويًا من القوة والصلابة الكافية عند تطبيعه وتقسيته بشكل صحيح ولكنه أقل لدونة. - تداعيات الاختيار: للخدمات ذات الضغط العالي ودرجات الحرارة العالية حيث يهم الزحف، يُفضل T91. بالنسبة لدرجات الحرارة المعتدلة، حيث تكون سهولة التصنيع والتكلفة هي الأولويات، يبقى T22 تنافسيًا.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام على المعادل الكربوني وقابلية التصلب؛ تتطلب كلتا الدرجتين اهتمامًا ولكن T91 أكثر تطلبًا.
مؤشرات اللحام الشائعة: - المعادل الكربوني (نوع IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - معلمة أكثر شمولاً: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
تفسير نوعي - SA213 T22: قابلية تصلب عامة أقل ومعادل كربوني أقل من T91 في معظم الحالات. من الأسهل لحامه باستخدام المعادن المالئة القياسية؛ يُوصى بالتسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) للمفاصل المحتفظة بالضغط لتقليل الضغوط المتبقية واستعادة الخصائص، ولكن خطر التشقق أقل من T91. - SA213 T91: قابلية تصلب أعلى (بسبب ارتفاع Cr وMo والميكروسبائك) تؤدي إلى خطر أكبر لتشكيل المارتنسيت في منطقة التأثير، وتشقق بارد بمساعدة الهيدروجين، وهياكل هشة إذا لم يتم التحكم فيها بشكل صحيح. عادةً ما يتطلب لحام T91 تسخينًا مسبقًا صارمًا، ودرجة حرارة بينية محكومة، وPWHT كاملة وفقًا لمتطلبات الكود؛ تعتبر إجراءات اللحام المؤهلة والمعادن المالئة المتطابقة ضرورية. - ملاحظة عملية: بالنسبة للحام المعادن المختلطة (مثل ربط T91 بالفولاذات منخفضة السبيكة)، تتطلب إجراءات انتقال خاصة وإجراءات WPS/PQR مؤهلة.
6. التآكل وحماية السطح
- لا يعتبر كل من SA213 T22 و T91 مقاومًا للصدأ؛ كلاهما عرضة للتآكل العام في البيئات الرطبة والأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة اعتمادًا على بيئة الخدمة.
- استراتيجيات الحماية العامة:
- طلاءات واقية (طلاء)، تغليف، أو بطانات للوسائط التآكلية.
- التغليف بالغمس الساخن ممكن لبعض المكونات المصنعة ولكنه غير شائع للأنابيب ذات درجات الحرارة العالية.
- لتحسين مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية، يعتبر تركيب السبيكة مهمًا: الكروم الأعلى في T91 يوفر مقاومة أفضل للتقشر في بيئات البخار المؤكسد مقارنةً بـ T22 منخفض الكروم، ولكن مقاومة الأكسدة لا تزال أدنى من الدرجات المقاومة للصدأ.
- PREN (رقم مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على فولاذ Cr–Mo غير المقاوم للصدأ، ولكن للرجوع، فإن الصيغة للسبائك المقاومة للصدأ هي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — لا ينطبق هذا المؤشر بشكل ذي معنى على T22 أو T91 لأن مقاومة التآكل المحلية والسلوك الساكن تتطلب محتوى أعلى بكثير من الكروم والنيكل.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- تعمل T22 بشكل معقول في حالة المعالجة الحرارية أو التطبيع؛ قابلية التشغيل معتدلة.
- T91، مع قوة أعلى وميول للتصلب، أكثر صعوبة في التشغيل ويتطلب أدوات قوية، وسرعات قطع أقل، واهتمامًا بتوليد الحرارة.
- قابلية التشكيل والانحناء:
- تظهر T22 خصائص أفضل في التشكيل البارد والانحناء بسبب قوة العائد المنخفضة واللدونة العالية.
- T91 أقل ملاءمة للتشكيل البارد الواسع؛ يتم عادةً التشكيل في ظروف محكومة، وغالبًا دافئة، بعد المعالجة الحرارية المناسبة.
- تشطيب السطح:
- يمكن إنهاء كلاهما بدقة عالية، ولكن T91 تتطلب عمليات أبطأ وأكثر تحكمًا لتجنب التصلب أو إدخال عيوب.
8. التطبيقات النموذجية
جدول: الاستخدامات النموذجية لكل درجة
| SA213 T22 — الاستخدامات النموذجية | SA213 T91 — الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| أنابيب الغلايات والسخانات لأنظمة البخار ذات درجات الحرارة المعتدلة | أنابيب بخار عالية الضغط، رؤوس، وأنابيب في محطات الطاقة التي تتطلب قوة زحف عالية |
| أنابيب المبادلات الحرارية ومكونات السخانات في نطاقات درجات الحرارة المتوسطة | مكونات معرضة لدرجات حرارة 500–650°C حيث تكون القوة على المدى الطويل حرجة |
| أنابيب الضغط العامة حيث تكون القوة المعتدلة وقابلية اللحام الجيدة مطلوبة | وحدات تكسير البتروكيماويات، خطوط أنابيب ذات درجات حرارة عالية، خطوط بخار رئيسية في محطات الطاقة |
| قطع غيار اقتصادية وأنابيب الخدمة | تطبيقات حيث تبرر مدة التصميم ومقاومة الزحف تكلفة المواد الأولية الأعلى |
مبررات الاختيار - اختر T22 للخدمات ذات درجات الحرارة المعتدلة مع أولوية على تكلفة المواد المنخفضة، وسهولة اللحام، وزيادة قابلية التشكيل. - اختر T91 للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية والضغوط العالية حيث تكون أداء الزحف على المدى الطويل، وقوة العائد الأعلى، وثبات أفضل عند درجات الحرارة المرتفعة مطلوبة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية:
- عادةً ما تكون T91 أكثر تكلفة لكل كيلوغرام من T22 بسبب محتوى السبيكة الأعلى (Cr، Mo) والعناصر المضافة للميكروسبائك، ولأن T91 غالبًا ما تتطلب معالجة حرارية ورقابة معالجة أكثر صرامة.
- التوافر:
- كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في الأسواق الرئيسية في أشكال الأنابيب والأنابيب والشرائط، ولكن أوقات تسليم المنتجات لـ T91 يمكن أن تكون أطول للأحجام المتخصصة وظروف المعالجة الحرارية.
- تميل المخزونات والإمدادات المحلية إلى أن تكون أفضل لـ T22 لأنها تستخدم لفترة أطول في مكونات الغلايات ذات درجات الحرارة المعتدلة.
10. الملخص والتوصية
جدول: ملخص سريع
| الخاصية | SA213 T22 | SA213 T91 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة — إجراءات ما قبل/ما بعد اللحام أسهل | مطالبة — تسخين مسبق صارم وPWHT مطلوب |
| القوة–الصلابة (درجات الحرارة المرتفعة) | قوة معتدلة؛ لدونة جيدة | قوة عالية ومقاومة للزحف؛ صلابة مصممة |
| التكلفة | تكلفة المواد الأولية أقل | تكلفة المواد والمعالجة أعلى |
الاستنتاجات والتوصيات - اختر SA213 T22 إذا: - كانت درجات حرارة الخدمة والضغوط معتدلة (أحجام التصميم حيث يلتقي T22 بالضغوط المسموح بها). - كانت سرعة التصنيع، وسهولة اللحام، وتكلفة أولية أقل، وقابلية التشكيل هي الأولويات. - كنت بحاجة إلى أنبوب متاح على نطاق واسع واقتصادي لمبادلات حرارية أو غلايات ذات درجات حرارة متوسطة حيث لا يكون الزحف على المدى الطويل هو المحرك الرئيسي للتصميم. - اختر SA213 T91 إذا: - كانت التطبيق يتطلب قوة زحف عالية وقوة عائد عالية عند درجات الحرارة المرتفعة (مثل، خطوط البخار الرئيسية، الرؤوس، المكونات التي تعمل بالقرب من 550–650°C). - كانت مدة الحياة الطويلة، وتقليل السماكة لتوفير الوزن، أو زيادة الضغوط المسموح بها عند درجات الحرارة تبرر تكلفة المواد والمعالجة الأعلى. - كان المشروع يمكنه استيعاب ضوابط لحام أكثر صرامة، وPWHT، وإجراءات مؤهلة.
ملاحظة نهائية: يجب دائمًا التحقق من اختيار المواد من خلال تحليلات دقيقة للضغوط والزحف والتآكل ومراجعتها وفقًا للرموز المعمول بها (ASME، EN، اللوائح المحلية). استشر موردي المواد ومهندسي اللحام مبكرًا لتحديد المعالجة الحرارية، وإجراءات اللحام، ومعايير الفحص لتتناسب مع ظروف الخدمة والدورة المتوقعة.