SA213 T22 vs T91 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
SA213 T22 und T91 sind zwei weit verbreitete Legierungsstahlrohrgüten in der Energieerzeugung, Petrochemie und in Hochtemperatur-Industrieanwendungen. Ingenieure und Beschaffungsfachleute stehen oft vor einem Auswahldilemma zwischen den beiden: das Gleichgewicht zwischen der Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und der langfristigen Kriechleistung gegenüber Schweißbarkeit, Kosten und Fertigungserleichterung. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl von Materialien für Kessel- und Wärmetauscherrohre, Rohrleitungen in Dampfsystemen oder Ersatzteile in druckhaltenden Baugruppen.
Der Hauptunterschied zwischen diesen Güten ist ihre Legierungsstrategie und die resultierende Mikrostruktur: T22 ist ein niedriglegierter Chrom-Molybdän-Stahl, der für moderate Hochtemperaturfestigkeit und gute Verarbeitbarkeit ausgelegt ist, während T91 ein martensitischer, hochchromhaltiger, mikrolegierter Stahl ist, der für erheblich höhere Kriech- und Streckgrenzen bei erhöhten Temperaturen entwickelt wurde. Dieser Unterschied beeinflusst die meisten nachgelagerten Entscheidungen in Design, Schweißpraxis und Lebenszykluskosten.
1. Normen und Bezeichnungen
- ASTM/ASME:
- SA213 T22 — ASTM A213 / ASME SA213 (nahtlose ferritische Legierungsstahlkessel-, Überhitzer- und Wärmetauscherrohre)
- SA213 T91 — ASTM A213 / ASME SA213 (nahtlose ferritische Legierungsstahlrohre für Hochtemperaturdienst)
- Weitere Normen:
- EN/ISO-Äquivalente werden häufig unter EN 10216-2 oder EN 10222 (für ähnliche legierte Stähle) angegeben; nationale Normen (JIS, GB) bieten vergleichbare Güten unter anderen Namen an.
- Klassifizierung:
- SA213 T22 — Niedrig- bis moderatlegierter ferritischer Stahl (häufig als Cr–Mo-Legierungsstahl bezeichnet)
- SA213 T91 — Hoch-Cr martensitischer Legierungsstahl (gehärteter martensitischer/HSLA-Typ für Hochtemperaturdienst)
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: Typische chemische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) für SA213 T22 und T91. Dies sind repräsentative Bereiche, die häufig in Industriespezifikationen angegeben werden; genaue Grenzen hängen von der Norm und der Wärme-/Produktform ab.
| Element | SA213 T22 (typischer Bereich) | SA213 T91 (typischer Bereich) |
|---|---|---|
| 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 (max) | ≤ 0.020 (max) |
| S | ≤ 0.025 (max) | ≤ 0.010 (max) |
| Cr | 1.8 – 2.3 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 (Spur) | ≤ 0.40 (Spur) |
| Mo | 0.40 – 0.70 | 0.85 – 1.05 |
| V | Spur – 0.05 | 0.18 – 0.25 |
| Nb (Cb) | Spur – 0.05 | 0.06 – 0.12 |
| Ti | — (typischerweise niedrig) | — (typischerweise niedrig) |
| B | — (typischerweise nicht spezifiziert) | — (häufig bei sehr niedrigen ppm kontrolliert) |
| N | — (niedrig) | 0.03 – 0.07 |
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt - Chrom und Molybdän: Sowohl Cr als auch Mo verbessern die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und die Oxidationsbeständigkeit. T22's bescheidenes Cr/Mo liefert moderate Kriechleistung; T91's hohes Cr und Mo, kombiniert mit Mikrolegierung, ergeben erheblich höhere Kriechbeständigkeit. - Kohlenstoff: Höherer Kohlenstoff in T91 unterstützt die Martensitbildung und die Ansprechbarkeit auf das Anlassen; T22 hat weniger Kohlenstoff, um die Duktilität und Schweißbarkeit zu erhalten. - Mikrolegierung (V, Nb): In T91 vorhanden, um Karbide/Nitride zu stabilisieren, die Korngröße zu verfeinern und die Kriechfestigkeit sowie die Widerstandsfähigkeit gegen Weichwerden bei langfristiger Exposition zu verbessern. - Silizium und Mangan: Entgasung und Festigkeitssteigerung durch Feststofflösung; beeinflussen auch die Härtbarkeit und Zähigkeit.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
- SA213 T22:
- Typische Mikrostruktur nach Standardwärmebehandlung: angelassene Ferrit mit Perlit/angelassenen bainitischen Bestandteilen, abhängig von der Abkühlrate. Es handelt sich nicht um einen vollständig martensitischen Stahl.
- Reaktion auf Wärmebehandlung: Normalisierung und Anlassen oder Spannungsabbau können Zähigkeit und Festigkeit anpassen. Es reagiert weniger auf martensitische Härtung als T91; schnelles Abschrecken ist typischerweise nicht erforderlich oder wird nicht verwendet.
- SA213 T91:
- Typische Mikrostruktur: vergüteter und angelassener Martensit (angelassener Lamellenmartensit) mit feinen Karbiden und Carbonitriden (V/Nb/Ti-reich) nach ordnungsgemäßer Normalisierung und Anlassen.
- Reaktion auf Wärmebehandlung: erfordert kontrollierte Normalisierung und Anlassen, um die beabsichtigte Mikrostruktur zu entwickeln. Thermo-mechanische Verarbeitung und präzises Anlassen sind wichtig, um die Kornverfeinerung und die gewünschte Kriechbeständigkeit zu erreichen.
- Auswirkungen der Verarbeitung:
- Normalisierung verfeinert die vorherige Austenit-Kornstruktur in T91 und ist ein wesentlicher Schritt vor dem Anlassen.
- Abschrecken und Anlassen (Q&T) für T91 ergibt hohe Festigkeit und Stabilität bei erhöhten Temperaturen; Überanlassen reduziert die Festigkeit, verbessert jedoch die Zähigkeit.
- T22 verlässt sich mehr auf kontrollierte Abkühlung und Anlassen, um Duktilität und Festigkeit auszubalancieren; es ist weniger empfindlich gegenüber Abschreckraten.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: Typische Bereiche mechanischer Eigenschaften für normalisierte und angelassene oder üblicherweise gelieferte Bedingungen. Die Werte hängen von der Wärmebehandlung, der Produktform und der Spezifikation ab.
| Eigenschaft | SA213 T22 (typisch, N&T oder wie geliefert) | SA213 T91 (typisch, normalisiert & angelassen) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | 400 – 600 | 550 – 800 |
| Streckgrenze (0.2% Offset, MPa) | 200 – 350 | 400 – 650 |
| Dehnung (%) | 18 – 30 | 12 – 20 |
| Schlagzähigkeit (Charpy V, J, RT) | 20 – 60 (variiert mit der Dicke) | 30 – 100 (Temper + HT abhängig) |
| Härte (HB) | ~150 – 230 | ~200 – 300 |
Interpretation - Festigkeit: T91 ist eindeutig die stärkere Güte in Zug- und Streckgrenze, insbesondere bei erhöhten Temperaturen und für langfristige Kriechbeständigkeit, aufgrund der martensitischen Struktur und Mikrolegierung. - Zähigkeit und Duktilität: T22 bietet in der Regel mehr Duktilität und einfachere plastische Verformung; T91 bietet eine starke Kombination aus Festigkeit und angemessener Zähigkeit, wenn es ordnungsgemäß normalisiert und angelassen wird, ist jedoch weniger duktil. - Wahlimplikationen: Für Hochdruck-, Hochtemperaturdienst, wo Kriechen wichtig ist, wird T91 bevorzugt. Für moderate Temperaturen, wo einfachere Fertigung und Kosten Priorität haben, bleibt T22 wettbewerbsfähig.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit hängt vom Kohlenstoffäquivalent und der Härtbarkeit ab; beide Güten erfordern Aufmerksamkeit, aber T91 ist anspruchsvoller.
Gemeinsame Schweißindizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW-Typ): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Umfassenderer Parameter: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation - SA213 T22: Geringere allgemeine Härtbarkeit und geringeres Kohlenstoffäquivalent als T91 in den meisten Fällen. Es ist einfacher mit Standardfüllerstoffen zu schweißen; Vorwärmen und Nachbehandlung (PWHT) werden für druckhaltende Verbindungen empfohlen, um Restspannungen zu reduzieren und Eigenschaften wiederherzustellen, aber das Risiko von Rissen ist geringer als bei T91. - SA213 T91: Höhere Härtbarkeit (aufgrund höherer Cr-, Mo- und Mikrolegierung) führt zu einem größeren Risiko der Martensitbildung in der HAZ, wasserstoffunterstützten Kaltverzügen und spröden Mikrostrukturen, wenn nicht ordnungsgemäß kontrolliert. Das Schweißen von T91 erfordert typischerweise strenges Vorwärmen, kontrollierte Zwischenpass-Temperatur und eine vollständige PWHT gemäß den Anforderungen; qualifizierte Schweißverfahren und passende Füllstoffe sind unerlässlich. - Praktischer Hinweis: Für Mischmetallverbindungen (z. B. Verbindung von T91 mit niedriglegierten Stählen) sind spezielle Übergangsverfahren und qualifizierte WPS/PQR erforderlich.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder SA213 T22 noch T91 sind rostfrei; beide sind anfällig für allgemeine Korrosion in feuchten Umgebungen und Oxidation bei erhöhten Temperaturen, abhängig von der Betriebsumgebung.
- Allgemeine Schutzstrategien:
- Schutzbeschichtungen (Lackierung), Verkleidungen oder Auskleidungen für korrosive Medien.
- Das Feuerverzinken ist für einige gefertigte Komponenten möglich, aber für Hochtemperaturrohre unüblich.
- Für die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen ist die Legierungszusammensetzung entscheidend: Höheres Cr in T91 bietet verbesserte Skalierungsbeständigkeit in oxidierenden Dampfumgebungen im Vergleich zu niedrig-Cr T22, aber die Oxidationsbeständigkeit ist immer noch schlechter als bei rostfreien Güten.
- PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist nicht anwendbar auf nicht-rostfreie Cr–Mo-Stähle, aber zur Referenz lautet die Formel für rostfreie Legierungen: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — dieser Index ist nicht sinnvoll auf T22 oder T91 anwendbar, da die lokale Korrosionsbeständigkeit und das passive Verhalten viel höhere Chrom- und Nickelgehalte erfordern.
7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit:
- T22 lässt sich in geglühtem oder normalisiertem Zustand vernünftig bearbeiten; die Bearbeitbarkeit ist moderat.
- T91, mit höherer Festigkeit und Tendenz zur Kaltverfestigung, ist schwieriger zu bearbeiten und erfordert robustes Werkzeug, niedrigere Schnittgeschwindigkeiten und Aufmerksamkeit auf die Wärmeentwicklung.
- Formbarkeit und Biegen:
- T22 zeigt aufgrund der niedrigeren Streckgrenze und höheren Duktilität bessere Kaltumform- und Biegeeigenschaften.
- T91 ist weniger geeignet für umfangreiche Kaltumformung; die Umformung erfolgt typischerweise unter kontrollierten, oft warmen Bedingungen nach entsprechender Wärmebehandlung.
- Oberflächenfinish:
- Beide können auf hohe Toleranzen bearbeitet werden, aber T91 erfordert langsamere, kontrolliertere Prozesse, um Härtung oder das Einbringen von Defekten zu vermeiden.
8. Typische Anwendungen
Tabelle: Typische Anwendungen für jede Güte
| SA213 T22 — Typische Anwendungen | SA213 T91 — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Kessel- und Überhitzerrohre für Dampfsysteme bei moderaten Temperaturen | Hochdruckdampfleitungen, Sammelstücke und Rohre in Kraftwerken, die hohe Kriechfestigkeit erfordern |
| Wärmetauscherrohre und Nachheizkomponenten in mittleren Temperaturbereichen | Komponenten, die 500–650°C ausgesetzt sind, wo langfristige Festigkeit entscheidend ist |
| Allgemeine Druckrohre, wo moderate Festigkeit und gute Schweißbarkeit erforderlich sind | Petrochemische Crackeinheiten, Hochtemperaturpipelines, Hauptdampfleitungen in Kraftwerken |
| Wirtschaftliche Ersatzteile und Serviceleitungen | Anwendungen, bei denen die Lebensdauer und die Kriechbeständigkeit höhere Anfangsmaterialkosten rechtfertigen |
Auswahlbegründung - Wählen Sie T22 für Hochtemperaturdienst mit Priorität auf niedrigeren Materialkosten, einfacherer Schweißbarkeit und höherer Formbarkeit. - Wählen Sie T91 für Hochtemperatur-, Hochstressanwendungen, bei denen langfristige Kriechleistung, höhere Streckgrenze und bessere Stabilität bei erhöhten Temperaturen erforderlich sind.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relative Kosten:
- T91 ist typischerweise teurer pro Kilogramm als T22 aufgrund des höheren Legierungsgehalts (Cr, Mo) und zusätzlicher mikrolegierter Elemente, und weil T91 oft rigorosere Wärmebehandlung und Prozesskontrollen erfordert.
- Verfügbarkeit:
- Beide Güten sind in den wichtigsten Märkten in Rohr-, Rohr- und Stabformen weit verbreitet, aber die Produktlieferzeiten für T91 können länger sein für spezialisierte Größen und wärmebehandelte Bedingungen.
- Der Lagerbestand und die lokale Versorgung sind tendenziell besser für T22, da es eine länger etablierte Verwendung für Komponenten bei moderaten Temperaturen hat.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: Schnelle Zusammenfassung
| Merkmal | SA213 T22 | SA213 T91 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut — einfachere Vor-/Nachbehandlungsverfahren | Anspruchsvoll — strenges Vorwärmen & PWHT erforderlich |
| Festigkeit–Zähigkeit (erhöhte Temperatur) | Moderate Festigkeit; gute Duktilität | Hohe Festigkeit und Kriechbeständigkeit; konstruierte Zähigkeit |
| Kosten | Niedrigere Anfangsmaterialkosten | Höhere Material- und Verarbeitungskosten |
Schlussfolgerungen und Empfehlungen - Wählen Sie SA213 T22, wenn: - Die Betriebstemperaturen und -spannungen moderat sind (Entwurfsgrenzen, bei denen T22 die zulässigen Spannungen erfüllt). - Fertigungsgeschwindigkeit, einfache Schweißbarkeit, niedrigere Anfangskosten und Formbarkeit Priorität haben. - Sie ein weit verbreitetes, wirtschaftliches Rohr für Wärmetauscher oder Kessel bei mittleren Temperaturen benötigen, wo langfristiges Kriechen nicht der entscheidende Entwurfsfaktor ist. - Wählen Sie SA213 T91, wenn: - Die Anwendung hohe Kriechfestigkeit und hohe Streckgrenze bei erhöhten Temperaturen erfordert (z. B. Hauptdampfleitungen, Sammelstücke, Komponenten, die bei 550–650°C betrieben werden). - Langfristige Lebensdauer, reduzierte Dicke zur Gewichtseinsparung oder höhere zulässige Spannungen bei Temperatur die höheren Material- und Verarbeitungskosten rechtfertigen. - Das Projekt strengere Schweißkontrollen, PWHT und qualifizierte Verfahren zulässt.
Letzter Hinweis: Die Materialauswahl sollte immer durch detaillierte Spannungs-, Kriech- und Korrosionsanalysen validiert und gegen die geltenden Vorschriften (ASME, EN, lokale Vorschriften) überprüft werden. Konsultieren Sie frühzeitig Materiallieferanten und Schweißingenieure, um Wärmebehandlungs-, Schweißverfahren und Inspektionskriterien zu definieren, die den Betriebsbedingungen und der erwarteten Lebensdauer entsprechen.