T91 مقابل T92 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
T91 و T92 هما فولاذان مرتبطان ارتباطًا وثيقًا من نوع الفريت-مارتنزيت، يحتويان على الكروم والموليبدينوم (ومعدلات التنجستن) ويستخدمان على نطاق واسع في معدات توليد الطاقة وبتروكيماويات ذات درجات حرارة عالية. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع غالبًا معضلة اختيار بينهما مدفوعة بالتوازنات بين قوة الزحف، وقابلية اللحام، ومقاومة الأكسدة/التآكل، وتكلفة المواد. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار مادة الأنابيب أو الأنابيب لظروف البخار المتقدمة، واختيار مواد التشكيل أو التركيب للخدمة في درجات حرارة مرتفعة، والتوازن بين تكلفة دورة الحياة وصعوبة التصنيع.
الفرق الأساسي بين الاثنين هو استراتيجية السبائك: T92 (المشار إليه أيضًا باسم P92 في بعض المعايير) يستبدل كمية كبيرة من التنجستن ويعدل مستويات الموليبدينوم والميكروسبائك لزيادة قوة الزحف واستقرار البنية الدقيقة عند درجات حرارة أعلى، بينما يعتمد T91 أكثر على الموليبدينوم مع تركيبة أبسط قليلاً. يؤدي هذا التحول في السبائك إلى خصائص صلابة وسلوك تطرية مختلفة، وأطر تطبيق تجعل هذه الدرجات تقارن بشكل شائع في تصميم المكونات وشراء المواد.
1. المعايير والتسميات
- التسميات الشائعة ASTM/ASME:
- T91: ASTM A387 الدرجة 91 (لوح)، A335 الدرجة P91 (أنبوب غير ملحوم)، A213 TP91 (أنابيب) — يُشار إليها عادةً باسم الدرجة 91 / P91.
- T92: ASTM A387 الدرجة 92، A335 الدرجة P92، A213 T92 — يُشار إليها عادةً باسم الدرجة 92 / P92.
- المعايير الأوروبية وغيرها:
- EN: تظهر الفولاذات المعادلة 9Cr تحت تسميات EN (لكن المعادلات المباشرة من EN محدودة).
- JIS/GB: توجد تسميات محلية لفولاذات 9Cr بناءً على كيميائيات مشابهة (تستخدم غالبًا في آسيا).
- تصنيف الفولاذ: كلاهما فولاذات سبائكية ضمن فئة الفريت-مارتنزيت؛ ليست فولاذات مقاومة للصدأ أو فولاذات أدوات وتعتبر عمومًا فولاذات سبائكية عالية القوة ومقاومة للزحف (عائلة HSLA/مقاومة للحرارة).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
يوضح الجدول العام نطاقات التركيب النموذجية لكل درجة (نسبة الوزن %). تعتمد الحدود الدقيقة على المعيار/المواصفة المحددة وشكل المنتج.
| عنصر | T91 (نطاق نموذجي، wt%) | T92 (نطاق نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.70 | 0.20–0.50 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.5–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | 0.85–1.05 | 0.45–0.65 |
| W | — (أثر) | 1.8–2.5 |
| V | 0.18–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | أثر | أثر |
| B | أثر* | أثر* |
| N | ~0.03–0.06 | ~0.03–0.06 |
*البورون (B) والنيتروجين (N) هما عناصر تحكم؛ يُستخدم البورون بمستويات صغيرة جدًا من ppm للتأثير على الصلابة والزحف.
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يوفر الكروم (Cr) مقاومة للأكسدة ويقوي المصفوفة الفريتية. - يزيد الموليبدينوم (Mo) من القوة ومقاومة الزحف من خلال تقوية الحل الصلب وتكوين الكربيدات؛ يحتوي T91 على Mo أعلى من T92. - يستبدل التنجستن (W) في T92 جزئيًا عن Mo، مما يزيد من القوة عند درجات الحرارة العالية ويثبت الكربيدات عند درجات حرارة الخدمة الأعلى. - يشكل الفاناديوم (V) والنيوبيوم (Nb) كربيدات/نيتريدات مستقرة تقوم بتنقيح حجم الحبيبات وتحسين قوة الزحف؛ كما تؤثر على قابلية اللحام وسلوك HAZ. - يتحكم الكربون في توازن الصلابة/الصلابة وتكوين المارتنزيت؛ تُحافظ المستويات على اعتدالها لتحقيق توازن بين قابلية اللحام والقوة.
3. البنية الدقيقة واستجابة المعالجة الحرارية
البنى الدقيقة النموذجية - في الحالة المعالجة والمطبوخة، تطور كلا الدرجتين بنية مارتنزيت مطبوخة مع كثافة عالية من الكربيدات والكربونات الدقيقة (ترسبات غنية بـ V و Nb). توفر بنية المارتنزيت المطبوخة التركيبة المطلوبة من القوة والصلابة للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة. - يميل T92 إلى تطوير توزيعات كربيد أدق وأكثر استقرارًا عند درجات الحرارة العالية بسبب تأثير استقرار كربيد التنجستن؛ وهذا يساهم في تحسين مقاومة الزحف ومقاومة التطرية عند الحد الأعلى من درجات حرارة التصميم.
استجابة المعالجة الحرارية - التطبيع: يتم عادةً تطبيع كلا الدرجتين (تبريد هوائي) من درجات حرارة تتراوح بين ~980–1050 °م (معلمات العملية حسب المعيار) لتنقيح حجم حبيبات الأوستينيت السابقة. - التبريد والتطرية: تؤدي التطرية بعد التطبيع عند درجات حرارة تتراوح عادةً بين 700–760 °م إلى إنتاج مارتنزيت مطبوخ. يقلل التطرية الأعلى من الصلابة ويزيد من الصلابة ولكن يمكن أن يقلل من قوة الزحف. - الطرق الحرارية الميكانيكية: تقوم الدرفلة والتحضير الحراري الميكانيكي (لأنابيب/ألواح) بتنقيح حجم الحبيبات وكثافة الانزياحات؛ يستفيد T92 بشكل خاص من التحكم الدقيق للحصول على توزيعات ترسب مثالية لأن محتوى W يؤثر على حركية الترسب.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص الميكانيكية بشكل كبير على المعالجة الحرارية وشكل المنتج. يقدم الجدول أدناه نطاقات نموذجية تمثيلية للحالات المعالجة والمطبوخة المستخدمة عادةً في مكونات محطات الطاقة.
| الخاصية (نموذجية، حالة N&T) | T91 | T92 |
|---|---|---|
| قوة العائد (0.2% انحراف) | ~350–450 ميجا باسكال (الحد الأدنى النموذجي حسب المواصفة ~415 ميجا باسكال) | ~400–550 ميجا باسكال (نطاقات أعلى في العديد من الحالات) |
| قوة الشد | ~560–700 ميجا باسكال | ~600–750 ميجا باسكال |
| التمدد (A%) | ~18–25% | ~15–22% |
| صلابة التأثير (Charpy-V، درجة حرارة الغرفة) | متوسطة؛ تعتمد على الشق والمعالجة الحرارية (على سبيل المثال، عشرات الجول إلى >40 جول) | مماثلة أو أقل قليلاً في بعض الظروف بسبب الصلابة الأعلى؛ تعتمد على التطرية |
| الصلابة (HRC/HB) | متوسطة (مطبوخة) | ميل طفيف أعلى عند نفس التطرية بسبب W |
التفسير: - يتم تصميم T92 عمومًا لتوفير قوة زحف أعلى واحتفاظ أفضل بالقوة عند درجات الحرارة المرتفعة مقارنةً بـ T91، على حساب صلابة أعلى قليلاً، وفي بعض الحالات، صلابة أو ليونة أقل قليلاً عند مقارنة الظروف التطرية المعادلة. - بالنسبة للمكونات المصممة لنفس نظام التطرية، يظهر T92 غالبًا قوة شد وزحف أعلى، بينما يمكن أن يقدم T91 ليونة أفضل قليلاً وسهولة في المعالجة في بعض سيناريوهات التصنيع.
5. قابلية اللحام
الصلابة واعتبارات اللحام - يتطلب كل من T91 و T92 إجراءات لحام محكومة: مواد استهلاكية منخفضة الهيدروجين، تسخين مسبق، التحكم في درجة حرارة التداخل، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) لتطرية HAZ وتخفيف الضغوط المتبقية. - بسبب الصلابة الأعلى (W في T92 تزيد من الصلابة)، قد يتطلب T92 تحكمًا أكثر صرامة في التسخين المسبق وPWHT لتجنب تشقق المارتنزيت في HAZ. كما تزيد عناصر الميكروسبائك (V، Nb) ومحتوى الكربون من القابلية للتشقق الصلب في HAZ والتشقق البارد إذا كان الهيدروجين موجودًا.
مؤشرات قابلية اللحام المفيدة (تفسير نوعي) - مؤشر تجريبي شائع الاستخدام هو المعادل الكربوني IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - يشير $CE_{IIW}$ الأعلى إلى صلابة أكبر وحاجة أكبر للتسخين المسبق/PWHT. - مؤشر أكثر شمولاً هو $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - يساعد $P_{cm}$ في التنبؤ بقابلية التشقق البارد؛ تشير القيم الأعلى إلى خطر أعلى.
النتيجة النوعية: - يتطلب كلا الدرجتين PWHT؛ غالبًا ما يستحق T92 تسخينًا مسبقًا أعلى وجداول PWHT دقيقة لأن التنجستن ومحتوى Mo المعدل يزيدان قليلاً من $CE$ و$P_{cm}$. تأهيل إجراءات اللحام والتحكم في الهيدروجين إلزامي للمكونات التي تحتوي على ضغط.
6. التآكل وحماية السطح
- لا T91 ولا T92 مقاومان للصدأ؛ هما فولاذان فريتيان بمقاومة أكسدة معتدلة عند درجات الحرارة العالية بسبب الكروم. بالنسبة للبخار والبيئات المؤكسدة ذات درجات الحرارة العالية، يتطوران طبقات أكسيد واقية، ولكنهما عرضة للأكسدة من جانب البخار، والتكربن، والتفاعل مع الكبريت اعتمادًا على الخدمة.
- تشمل استراتيجيات حماية السطح الطلاءات (دهانات عالية الحرارة، طلاءات الألومينيد)، والتبطين الداخلي للوسائط التآكلية، والتفتيش الروتيني. بالنسبة للتآكل البيئي، يكون الطلاء الواقي القياسي أو التغطية المعدنية أمرًا شائعًا؛ لا يُستخدم الجلفنة عمومًا لمكونات جانب البخار ذات درجات الحرارة العالية.
- رقم مقاومة التآكل (PREN) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ؛ بالنسبة للدرجات المقاومة للصدأ، تُستخدم الصيغة $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لكنها ليست ذات صلة بـ T91/T92.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: كلاهما أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذات الكربونية العادية. يمكن أن يكون T92، مع محتوى أعلى من التنجستن وميول للاحتفاظ بالصلابة، أكثر صعوبة قليلاً على الأدوات ويتطلب سرعات قطع منخفضة وأدوات قوية.
- قابلية التشكيل: التشكيل البارد والانحناء محدودان؛ عادةً ما يتم تشكيل المكونات في حالة معالجة مسبقة ثم تطريتها. لا يُعتبر السحب العميق أمرًا شائعًا؛ يُفضل التشكيل الساخن متبوعًا بالتطبيع والتطرية للسبائك الكبيرة.
- التشطيب: الطحن والتلميع ممكنان ولكن الأدوات تتآكل أسرع من الفولاذات ذات السبائك المنخفضة. المعالجة الحرارية بعد التشكيل واللحام ضرورية لاستعادة الخصائص المارتنزيتية المطبوخة المطلوبة.
8. التطبيقات النموذجية
| T91 (الاستخدامات النموذجية) | T92 (الاستخدامات النموذجية) |
|---|---|
| أنابيب الغلايات، الرؤوس، أنابيب البخار في محطات تقليدية/متقدمة تعمل عند درجات حرارة بخار معتدلة إلى عالية | أنابيب السخانات والمجددات، الرؤوس، أنابيب البخار، والمكونات لمحطات فوق حرجة/متقدمة حيث تكون قوة الزحف الأعلى مطلوبة |
| الرؤوس، الزوايا، والتركيبات لمحطات ذات درجات حرارة تصميم تصل إلى ~600 °م | مكونات لظروف بخار ذات درجات حرارة أعلى (مثل نطاق 600–650 °م) ومتطلبات عمر زحف أطول |
| أنابيب مبادل الحرارة، جدران الأفران للخدمة في درجات حرارة عالية معتدلة | مكونات جديدة من A-USC، أجزاء مصبوبة/مشكلة ثقيلة حيث تكون مقاومة الزحف المرتفعة ذات أولوية |
| قطع غيار في أنظمة قديمة حيث تهم الإمدادات والتكلفة وسهولة التصنيع | مكونات حرجة ذات عمر طويل حيث تفضل مبررات تكلفة دورة الحياة تكلفة المواد الأعلى |
مبررات الاختيار: - اختر T91 للأداء المثبت في العديد من تطبيقات محطات الطاقة عند درجات حرارة أقل قليلاً، حيث تكون بساطة التصنيع وتكلفة المواد المنخفضة مرغوبة. - اختر T92 عندما تكون درجة حرارة التصميم، وعمر الزحف، والاحتفاظ بالقوة على المدى الطويل عند درجات الحرارة المرتفعة هي الأولوية، وعندما يمكن لعمليات الشراء/التصنيع التعامل مع متطلبات اللحام والمعالجة الحرارية الأكثر صرامة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: عادةً ما يكون T92 أكثر تكلفة من T91 بسبب التنجستن المضاف والتحكم الأكثر صرامة في المعالجة. يختلف السعر حسب السوق وشكل المنتج.
- التوافر: كان T91 في الخدمة لفترة أطول وعادةً ما يكون له توافر أوسع في الأنابيب، والأنابيب، والألواح، والمسبوكات. زاد توافر T92 مع الطلب على محطات البخار المتقدمة ولكنه قد لا يزال مقيدًا أكثر في بعض أحجام المنتجات وأوقات التسليم.
- أشكال المنتجات: كلا الدرجتين متاحتان كأنابيب غير ملحومة وملحومة، وأنابيب، وألواح، ومسبوكات، وتركيبات؛ يجب تأكيد التوافر وأوقات التسليم مع الموردين للطلبات الحرجة.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | T91 | T92 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام (صعوبة الإجراءات) | جيدة مع إجراءات منخفضة الهيدروجين المؤهلة؛ أسهل قليلاً من T92 | أكثر تطلبًا بسبب الصلابة الأعلى؛ تسخين مسبق/PWHT أكثر صرامة |
| توازن القوة والصلابة | قوي، صلابة جيدة في درجات الحرارة القياسية | قوة أعلى عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف؛ توازن هامشي في الليونة/الصلابة إذا لم تتم معالجتها بعناية |
| التكلفة | أقل (عمومًا) | أعلى (عمومًا) |
التوصية: - اختر T91 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ 9Cr مقاوم للزحف مثبت التكلفة للخدمة في بخار عالي الحرارة حيث تقع درجات حرارة التشغيل ومتطلبات عمر الزحف ضمن نطاق الدرجة 91 المثبت، وعندما تكون بساطة التصنيع والتوافر مهمة. - اختر T92 إذا كانت التصميم يتطلب قوة زحف طويلة الأمد واستقرار بنية دقيقة في النطاق الأعلى من الخدمة ذات درجات الحرارة المرتفعة (مثل ظروف بخار متقدمة أو فوق حرجة)، وإذا كنت تستطيع استيعاب متطلبات اللحام والمعالجة الحرارية وعمليات الشراء الأكثر صرامة.
ملاحظة نهائية: تتطلب كلا الدرجتين تحديدًا دقيقًا للمعالجة الحرارية، وتأهيل إجراءات اللحام، والتفتيش لتحقيق أداء موثوق وطويل الأمد. بالنسبة للمكونات الحرارية العالية الحرجة، قم بإجراء اختبارات زحف على مستوى المكونات، وتقييم قدرة المورد، وتحليل تكلفة دورة الحياة كجزء من عملية الاختيار.