SA213 T11 vs T22 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
SA213 T11 und SA213 T22 sind zwei weit verbreitete chrom-molybdänhaltige niedriglegierte Stähle für Kessel-, Überhitzer- und Wärmetauscherrohre. Ingenieure und Beschaffungsfachleute wägen häufig die Kompromisse zwischen den anfänglichen Materialkosten, der Verarbeitungs- und Schweißbarkeit sowie der Hochtemperaturfestigkeit im Betrieb (Kriechbeständigkeit) ab. In vielen Projekten reduziert sich die Entscheidung darauf, ob der höhere Legierungsgehalt und die Fähigkeit von T22 bei erhöhten Temperaturen die höheren Kosten und die etwas anspruchsvolleren Schweiß- und Wärmebehandlungsanforderungen im Vergleich zu T11 rechtfertigen.
Der primäre technische Unterschied besteht darin, dass T22 legiert ist, um bei erhöhten Temperaturen eine erheblich bessere Festigkeit und Kriechbeständigkeit als T11 zu bieten; T11 wird typischerweise gewählt, wenn gute Verformbarkeit, einfachere Schweißbarkeit und niedrigere Kosten Prioritäten für niedrigere bis moderate Betriebstemperaturen sind.
1. Normen und Bezeichnungen
- Wesentliche Normen:
- ASTM/ASME: SA213 (Rohre für Hochtemperaturanwendungen), A335 (Rohre) — T11 und T22 entsprechen den Cr-Mo-Qualitäten, die üblicherweise mit P11 und P22 in Rohr-Spezifikationen übereinstimmen.
- EN / DIN: Vergleichbare Qualitäten sind Mitglieder der Familie 13CrMo44/14MoV6-3, aber direkte Querverweise erfordern Vorsicht.
- JIS / GB: Nationale Normen haben ähnliche Cr-Mo-Serien, aber überprüfen Sie die genauen Bezeichnungen und Eigenschaftstabellen für den Austausch.
- Klassifizierung:
- SA213 T11 und T22 sind niedriglegierte ferritische Stähle (Legierungsstahl), die für Hochtemperaturanwendungen ausgelegt sind; sie sind keine rostfreien Stähle und auch nicht HSLA im typischen Sinne (ihre Legierung zielt auf die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und Kriechbeständigkeit ab, nicht nur auf Korrosionsbeständigkeit).
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle gibt typische Zusammensetzungsbereiche (Gewichtsprozent) an, die in der Industriepraxis und gemäß den häufig verwendeten ASME/ASTM-Bereichen vorkommen. Die genauen Grenzen hängen von der spezifischen Mühle und der Normversion ab; konsultieren Sie immer die maßgebliche Materialspezifikation für den Kauf oder das Design.
| Element | Typisches T11 (ca. Gew%) | Typisches T22 (ca. Gew%) |
|---|---|---|
| C | 0.05 – 0.15 | 0.05 – 0.15 |
| Mn | 0.30 – 0.65 | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.10 – 0.50 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ~0.9 – 1.4 (nominal ~1.0–1.25) | ~2.0 – 2.5 (nominal ~2.25) |
| Ni | ≤ 0.40 (Spur) | ≤ 0.40 (Spur) |
| Mo | ~0.44 – 0.65 (nominal ~0.5) | ~0.85 – 1.06 (nominal ~1.0) |
| V | Spur / optional | Spur / optional |
| Nb (Cb) | Spur / nicht spezifiziert | Spur / nicht spezifiziert |
| Ti | Spur | Spur |
| B | Spur | Spur |
| N | Spur | Spur |
Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Chrom erhöht die Härtbarkeit und Hochtemperaturfestigkeit und fördert die Bildung stabiler Karbide, die die Kriechbeständigkeit verbessern. - Molybdän verbessert die Kriechfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Weichwerden bei Temperatur, indem es Karbide stabilisiert und die Diffusion behindert. - Kohlenstoff und Mangan steuern die Grundfestigkeit und Härtbarkeit; höherer Kohlenstoff erhöht die Festigkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit. - Silizium ist ein Entoxidationsmittel und bietet moderate Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit. - Spur-Mikrolegerungen (V, Nb, Ti) können die Korngröße, die Ausscheidungsstärkung und die Schlagzähigkeit beeinflussen, sind jedoch in den Standardzusammensetzungen von T11/T22 typischerweise geringfügig.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - Im gelieferten (normalisierten und vergüteten) Zustand zeigen sowohl T11 als auch T22 vergütete Martensit-/vergütete Bainit-Mikrostrukturen mit einer Verteilung von Legierungskarbid (Cr- und Mo-reich). Die Korngröße und die Karbidverteilung werden durch die Normalisierungstemperatur und das Vergütungsregime gesteuert. - T22, mit höherem Cr und Mo, neigt dazu, einen höheren Anteil stabiler Legierungskarbid zu bilden und eine Mikrostruktur zu haben, die bei erhöhten Temperaturen besser gegen Grobkornbildung resistent ist als T11.
Wärmebehandlungseffekte: - Normalisieren (Luftkühlung aus dem kritischen Bereich) verfeinert die vorherige Austenitkorngröße und löst Karbide; gefolgt von Vergüten, um das gewünschte Zähigkeits/Festigkeitsverhältnis zu entwickeln. - Abschrecken und Vergüten steuern die Zähigkeit bei Raumtemperatur im Vergleich zur Festigkeit, sind jedoch weniger verbreitet für warmgewalzte Rohrprodukte, die für den Einsatz bestimmt sind — Standardpraxis ist Normalisierung und Vergütung, die für die Produktform geeignet sind. - Für beide Qualitäten wird die Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) häufig verwendet, um die Schweiß-HAZ zu vergüten und Restspannungen und Härte zu reduzieren; T22 erfordert typischerweise strengere Kontrollen (minimale PWHT-Temperatur, Haltezeit), um die Kriechleistung zu erfüllen. - Thermo-mechanisch kontrollierte Verarbeitung (TMCP) kann verwendet werden, um die Korngröße zu verfeinern und die Zähigkeit in dicken Abschnitten zu verbessern, aber für Rohre sind die dominierenden Variablen Normalisierungs- und Vergütungszyklen.
4. Mechanische Eigenschaften
Die folgenden mechanischen Eigenschaften sind indikative Bereiche für normalisierte und vergütete Rohre und hängen stark von der Wandstärke, der genauen Wärmebehandlung und dem Finish ab. Verwenden Sie die entsprechenden Normtabellen für das Design.
| Eigenschaft | Typisches T11 (normalisiert & vergütet) | Typisches T22 (normalisiert & vergütet) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~420 – 560 MPa | ~450 – 620 MPa |
| Streckgrenze (0.2% Offset, MPa) | ~240 – 360 MPa | ~300 – 420 MPa |
| Dehnung (%) | ~20 – 25% | ~18 – 22% |
| Schlagzähigkeit (Charpy V, Raumtemp) | Moderat; hängt von der Wärmebehandlung ab | Moderat; oft etwas niedriger als T11, wenn Kohlenstoff/Härtbarkeit höher sind |
| Härte (HB) | ~150 – 220 HB | ~160 – 240 HB |
Interpretation: - T22 bietet im Allgemeinen eine höhere Streck- und Zugfestigkeit, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, aufgrund des höheren Cr- und Mo-Gehalts, der die Kriechfestigkeit erhöht. - T11 kann marginal bessere Verformbarkeit bieten und es kann einfacher sein, die Zähigkeitsanforderungen für einige Geometrien zu erfüllen, aufgrund seines niedrigeren Legierungsgehalts und der niedrigeren Härtbarkeit. - Der Unterschied in der Zähigkeit bei Raumtemperatur ist in ordnungsgemäß verarbeiteten Materialien gering; der entscheidende Vorteil für T22 im Betrieb ist die Beibehaltung der Festigkeit bei Temperatur (Kriechbeständigkeit).
5. Schweißbarkeit
Überlegungen zur Schweißbarkeit drehen sich um den Kohlenstoffgehalt, die allgemeine Härtbarkeit (Cr + Mo + andere Legierungen) und die Notwendigkeit von Vorwärmung/PWHT.
- Härte und Martensitbildung in wärmebeeinflussten Zonen nehmen mit höherer Legierung und Härtbarkeit zu; daher erhöht T22s höherer Cr- und Mo-Gehalt das Risiko der HAZ-Härtung und von wasserstoffinduzierten Kaltbrüchen, wenn die Schweißkontrollen unzureichend sind.
- Übliche Schweißbarkeitsindizes, die für qualitative Interpretationen nützlich sind:
- Kohlenstoffäquivalent (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (konservativerer Index):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Interpretation (qualitativ): Höheres CE oder Pcm impliziert mehr Vorwärmung, langsamere Abkühlung und oft obligatorische PWHT, um spröde HAZ-Mikrostrukturen zu vermeiden. T22 wird in der Regel ein höheres CE als T11 bei gleichem Kohlenstoff haben, was strengere Schweißverfahren anzeigt.
- Empfohlene Praxis: Kontrollieren Sie Wasserstoff in Schweißzusätzen, wenden Sie geeignete Vorwärmung an und führen Sie PWHT gemäß Norm und Materialdatenblättern durch — strengere PWHT wird häufig für T22 spezifiziert, um die Kriechleistung und Zähigkeitsanforderungen zu erfüllen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl T11 als auch T22 sind nicht rostfreie Legierungsstähle und bieten allein durch Chemie keinen signifikanten Widerstand gegen feuchte Korrosion oder aggressive Umgebungen.
- Typische Schutzmaßnahmen: Lackieren, Grundierungen, Hochtemperaturbeschichtungen oder metallurgische Beschichtungen, wo angebracht. Für Außen-/Atmosphärendienst kann Verzinkung für einige Komponenten verwendet werden, ist jedoch für Hochtemperaturrohre unüblich.
- Bei Hochtemperaturoxidation (Dampf/Ofen) bilden sich Oberflächenoxid-Schichten; die Legierung (Cr) verbessert die Haftung der Schicht und die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit — hier profitiert T22 von einem höheren Cr-Gehalt.
- Rostfreie Korrosionsindizes wie PREN sind für diese niedriglegierten Stähle nicht anwendbar: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index ist für rostfreie Stähle gedacht und beschreibt das Korrosionsverhalten von Cr-Mo-ferritischen Stählen nicht sinnvoll.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Beide Qualitäten lassen sich bei Normalisierung und Vergütung vernünftig bearbeiten; T22 kann aufgrund des höheren Legierungsgehalts und der stärkeren Karbidverteilungen etwas schwieriger sein.
- Formbarkeit und Kaltbiegen: Niedriglegiertes T11 ist im Allgemeinen nachgiebiger bei Biege- und Formoperationen; T22 kann eine genauere Kontrolle der Biegeradien oder eine Formung bei erhöhten Temperaturen erfordern, um Rissbildung in dickeren Abschnitten zu vermeiden.
- Oberflächenbearbeitung: Schleifen, Polieren und zerstörungsfreie Prüfungen sind Standard; für Schweißen und Verarbeitung werden in der Regel häufiger Kontrollen für Wasserstoff und PWHT auf T22 angewendet.
8. Typische Anwendungen
| SA213 T11 – Typische Anwendungen | SA213 T22 – Typische Anwendungen |
|---|---|
| Wirtschaftliche Überhitzer- und Nachheizrohre für Niedertemperatur-Dampfkreisläufe, Speisewassererhitzer und allgemeine Kesselrohre, wo moderate Temperaturfestigkeit ausreichend ist | Überhitzerrohre, Dampfleitungen und -sammler in Kraftwerken, petrochemische Hochtemperaturprozessleitungen und Komponenten, wo höhere Kriechfestigkeit und längere Lebensdauer bei erhöhten Temperaturen erforderlich sind |
| Wirtschaftliche Wärmetauscherrohre für moderate Temperaturen | Kritische Hochtemperaturdruckteile und Leitungen, die höhere zulässige Spannungen bei Temperatur erfordern |
| Ersatzteile in Systemen, die ursprünglich für 1–1.25% Cr-Betrieb ausgelegt sind, wo Schweißbarkeit und Kostenkontrolle wichtig sind | Neue Designs, bei denen eine längere Lebensdauer, höhere zulässige Spannungen bei Temperatur oder reduzierte Wandstärken für Gewicht-/Platzersparnis gewünscht sind |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie T11, wenn die Betriebstemperaturen und Spannungen moderat sind und wenn niedrigere Kosten, einfachere Verarbeitung und einfachere Schweiß-/PWHT-Kontrollen Prioritäten sind. - Wählen Sie T22, wenn höhere Kriechfestigkeit und Oxidations-/Skalenstabilität bei erhöhten Temperaturen erforderlich sind und wenn eine längere Lebensdauer oder höhere zulässige Spannungen bei Temperatur die höheren Materialkosten und strengeren Verarbeitungsanforderungen rechtfertigen.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: T22 kostet typischerweise mehr als T11 aufgrund des höheren Cr- und Mo-Gehalts; Mo ist besonders teuer und trägt unverhältnismäßig zum Preis bei.
- Verfügbarkeit: Beide Qualitäten sind in Rohr- und Rohrformen weit verbreitet, aber Lieferzeiten und Kostenvolatilität können durch die Nachfrage nach Legierungen (Mo-Verfügbarkeit) beeinflusst werden. Standardrohrgrößen und gängige Wandstärken werden von großen Lieferanten vorrätig gehalten; Spezialgrößen können längere Lieferzeiten haben.
- Produktformen: nahtlose und geschweißte Rohre, Rohre, Fittings und Flansche sind üblich; die Verfügbarkeit in Platten und Schmiedestücken variiert je nach Marktnachfrage.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | SA213 T11 | SA213 T22 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (niedrigere Härtbarkeit) | Anspruchsvoller (höhere Härtbarkeit; strengere PWHT) |
| Festigkeits-Zähigkeits-Verhältnis | Gut bei Raum- & moderater Temperatur | Überlegene Hochtemperaturfestigkeit / Kriechbeständigkeit |
| Kosten | Niedriger | Höher |
Schlussfolgerungen: - Wählen Sie SA213 T11, wenn: Ihr Design bei moderaten Dampf- oder Prozesstemperaturen arbeitet, wo außergewöhnliche Kriechbeständigkeit nicht erforderlich ist, Sie niedrigere Materialkosten, einfachere Schweiß- und Verarbeitungsanforderungen priorisieren und Sie gute Verformbarkeit und Zähigkeit im Betrieb benötigen. - Wählen Sie SA213 T22, wenn: die Anwendung höhere Dampftemperaturen oder anhaltende Spannungen umfasst, bei denen Kriechbeständigkeit und Beibehaltung der Festigkeit bei Temperatur entscheidend sind, Sie höhere Materialkosten und strengere Schweiß-/PWHT-Verfahren akzeptieren und Sie eine längere Lebensdauer im Betrieb oder höhere zulässige Spannungen bei Temperatur benötigen.
Abschließende Empfehlung: Basieren Sie die Auswahl auf der maximalen Betriebstemperatur und den Spannungen des Projekts (Kriechlebensdaueranforderungen), der Schweißverfahrensfähigkeit (Vorwärmung/PWHT) und der Lebenszykluskostenanalyse. Bei Zweifeln konsultieren Sie die entsprechenden ASME/ASTM-Materialtabellen und führen Sie eine Entwurfsprüfung durch, die zulässige Spannungen bei der vorgesehenen Betriebstemperatur und Schweißverfahrensqualifikationen umfasst.