ASTM A516 Gr60 против Gr70 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
ASTM A516 классы 60 и 70 являются двумя из наиболее часто указываемых углеродных стальных плит для изготовления оборудования, содержащего давление, особенно котлов, сосудов под давлением и резервуаров для хранения. Инженеры и специалисты по закупкам часто взвешивают компромиссы между прочностью, вязкостью, свариваемостью и стоимостью при выборе между этими двумя классами. Типичные контексты принятия решений включают выбор класса для более высокого рабочего давления (предпочтение прочности) против приоритета вязкости при низкой температуре или улучшенной свариваемости (предпочтение более низкому содержанию углерода и пластичности).
Основное различие между A516 классом 60 и классом 70 заключается в требуемом уровне механической прочности: класс 70 указывается для достижения более высокой минимальной прочности, чем класс 60. Поскольку эти классы имеют схожую базовую химию и технологические процессы, их часто сравнивают, когда конструкции требуют баланса между давлением, сопротивлением разрушению и экономикой изготовления.
1. Стандарты и обозначения
- Основная спецификация: ASTM A516 / ASME SA-516 — «Плиты для сосудов под давлением, углеродная сталь, для умеренного и низкотемпературного обслуживания».
- Связанные коды: Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением (раздел II и VIII) при использовании в сосудах под давлением.
- Сравнимые международные стандарты (используйте для перекрестной ссылки): серия EN 10028 (плиты для сосудов под давлением), JIS G3115 (стальные плиты для сосудов под давлением) и варианты GB/T 3274/7131 в китайских стандартах. Точная эквивалентность зависит от требуемых свойств и испытаний (например, требований к ударной энергии).
- Классификация: Оба класса A516 Gr60 и Gr70 являются углеродно-марганцевыми сталями (не легированными углеродными сталями). Они не являются нержавеющими сталями, инструментальными сталями или высоколегированными HSLA классами в смысле значительного микроаллоирования; некоторые коммерческие заводы могут добавлять микроаллоирующие элементы в небольших количествах для достижения целевых свойств.
2. Химический состав и стратегия легирования
Ниже приведена иллюстративная таблица типичных диапазонов состава (в.%). Это представительные коммерческие диапазоны для классов плит A516; фактическая гарантированная химия должна быть подтверждена в сертификате испытаний на заводе для каждой плавки.
| Элемент | Типичный диапазон или максимум (в.% ) |
|---|---|
| C (Углерод) | 0.18 – 0.28 (в зависимости от класса и завода) |
| Mn (Марганец) | 0.60 – 1.35 |
| Si (Кремний) | 0.10 – 0.35 |
| P (Фосфор) | ≤ 0.035 (макс) |
| S (Сера) | ≤ 0.035 (макс) |
| Cr (Хром) | следы – ~0.30 (если присутствует) |
| Ni (Никель) | следы – ~0.40 (если присутствует) |
| Mo (Молибден) | следы – ~0.10 (если присутствует) |
| V (Ванадий) | обычно следы (если микроаллоирован) |
| Nb (Ниобий) | обычно следы (если микроаллоирован) |
| Ti (Титан) | обычно следы (если присутствует для дегазации) |
| B (Бор) | следы, если используется намеренно |
| N (Азот) | низкий (ppm) |
Примечания: - ASTM A516 не требует значительных добавок легирующих элементов; стали в основном являются углеродно-марганцевыми составами. Некоторые производители применяют микроаллоирование (V, Nb, Ti) или контролируемую переработку для оптимизации прочности и вязкости. - Более высокая прочность (Gr70) обычно достигается за счет контролируемой химии плюс термомеханической переработки или прокатной практики, а не за счет тяжелого легирования.
Как легирование влияет на поведение: - Углерод увеличивает прочность и закаливаемость, но снижает свариваемость и пластичность. Умеренные уровни углерода поддерживают баланс. - Марганец улучшает закаливаемость и прочность на растяжение и способствует дегазации, но в избытке может увеличить закаливаемость и повлиять на вязкость. - Кремний помогает дегазации; небольшие количества не сильно изменяют механическое поведение. - Микроаллоирующие элементы (V, Nb, Ti) уточняют размер зерна, способствуют упрочнению осаждением и могут повысить прочность без пропорционального снижения вязкости при использовании в контролируемых количествах.
3. Микроструктура и реакция на термическую обработку
Типичные микроструктуры: - Прокатная плита A516 чаще всего демонстрирует микроструктуру феррит-перлита в состоянии, как произведено. Различия между классом 60 и классом 70 в основном количественные (градиенты углерода и Mn, размер зерна, плотность дислокаций), а не качественные. - Термомеханическая контролируемая переработка (TMCP) может привести к более мелким размерам зерна феррита и некоторым байнитным составляющим, улучшая как прочность, так и вязкость по сравнению с традиционно прокатанной плитой.
Ответы на термическую обработку: - A516 обычно поставляется в нормализованном состоянии после прокатки; полное закаливание и отпуск не является типичным для этой спецификации, поскольку продукт предназначен для умеренного температурного обслуживания и сварной конструкции. - Нормализация (нагрев выше критической температуры и контролируемое охлаждение) уточняет размер зерна и улучшает вязкость; это принятый способ улучшить вязкость при наличии легирования. - Закалка и отпуск могут достичь более высоких уровней прочности и различных профилей вязкости, но обычно не указываются для стандартной плиты A516; такие обработки изменяют класс продукта и могут повлиять на сварочные процедуры и вязкость. - Термомеханические маршруты (контролируемая прокатка + ускоренное охлаждение) используются заводами для обеспечения свойств Gr70 с мелкозернистой микроструктурой и хорошей вязкостью при низких температурах.
4. Механические свойства
Количественные пределы в спецификации варьируются в зависимости от класса, толщины и необязательного испытания на удар. Вместо того чтобы утверждать точные числовые минимумы (которые должны быть извлечены из текущей спецификации ASTM/ASME и отчетов испытаний на заводе), относительное сравнение суммировано ниже.
| Свойство | A516 класс 60 | A516 класс 70 |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Нижний диапазон (достаточно для умеренных давлений) | Выше (предназначен для обслуживания при более высоком давлении) |
| Предельная прочность | Нижний минимальный предел | Выше минимального предела |
| Удлинение (пластичность) | Сравнимо; часто немного выше пластичность при одинаковой толщине | Немного ниже пластичность из-за более высокой прочности, но все еще подходит для формовки |
| Ударная вязкость | Указывается по требованиям Charpy V-notch, когда требуется; хорошая при соответствующей переработке | Может соответствовать равной или более высокой вязкости в зависимости от переработки; часто указывается для более высокого давления, более толстых секций |
| Твердость | Немного ниже | Немного выше |
Интерпретация: - Класс 70 обеспечивает более высокие запасы прочности, позволяя либо более тонкие секции для того же давления, либо более высокие допустимые давления для той же толщины. - Вязкость контролируется химией, толщиной и переработкой на заводе — правильно переработанный Gr70 может иметь равную или превосходную вязкость по сравнению с Gr60, но по мере увеличения прочности необходимо внимательно следить за вязкостью и испытаниями на удар. - Дизайнерам следует консультироваться с фактическими сертификатами механических свойств и требуемыми испытаниями на удар (температура, энергия) для их применения.
5. Свариваемость
Соображения по свариваемости зависят от содержания углерода, закаливаемости и остаточного легирования. Две распространенные формулы эквивалента углерода, используемые для оценки свариваемости, показаны ниже и должны использоваться качественно:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
и
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация: - Более низкие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ указывают на более легкую свариваемость и меньший риск холодного растрескивания; оба класса A516 обычно имеют низкие до умеренные эквиваленты углерода. - Класс 70 может иметь немного более высокий эквивалент углерода, чем класс 60, в зависимости от химии и переработки, поэтому предварительный подогрев и контролируемые температуры межпроходной сварки могут чаще рекомендоваться для более толстых секций или сварки при низкой температуре окружающей среды. - Термальная обработка после сварки (PWHT) редко требуется для большинства углеродных стальных плит для сосудов, но может быть обязательной по проектным кодам или условиям эксплуатации; решения должны следовать требованиям кодекса ASME и квалификациям сварочных процедур.
6. Коррозия и защита поверхности
- Классы A516 60 и 70 являются не нержавеющими углеродными сталями; врожденная коррозионная стойкость ограничена базовой сталью и окружающей средой. Стратегии защиты от коррозии включают покрытия (краски, эпоксидные смолы), оцинковку (горячее цинкование или цинкосодержащие грунтовки) и катодную защиту для погруженного или закопанного обслуживания.
- Индексы коррозии нержавеющей стали, такие как PREN, не применимы к A516, поскольку это не коррозионно-стойкий сплав. Для справки, PREN рассчитывается как:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
но этот индекс применим только к аустенитным и дуплексным нержавеющим сталям. - Выбор защиты поверхности должен учитывать рабочую жидкость, температуру и механический износ. Для агрессивных сред рассмотрите нержавеющие материалы или решения с покрытием/облицовкой, а не полагайтесь на обычную углеродную сталь.
7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость
- Резка: Оба класса легко резать и резать пламенем; плазменная и лазерная резка распространены. Немного более высокая прочность в Gr70 может потребовать немного больше силы или износа инструмента.
- Сгибание/формование: Gr60 обычно более прощает для операций формования из-за немного большей пластичности при равной толщине. Gr70 можно формовать, но может потребоваться больший радиус изгиба или меньшая деформация изгиба.
- Обрабатываемость: Ни один из классов не является высокообрабатываемым сплавом; применяются стандартные инструменты и скорости подачи. Немного более высокая прочность в Gr70 может увеличить износ инструмента.
- Обработка поверхности (шлифовка, полировка) ведет себя аналогично для обоих классов; предварительные и последующие сварочные обработки схожи.
8. Типичные применения
| A516 класс 60 — типичные применения | A516 класс 70 — типичные применения |
|---|---|
| Резервуары для хранения, сосуды под давлением низкого и умеренного давления, части котлов, где вязкость имеет приоритет над максимальным допустимым давлением | Котлы и сосуды под давлением более высокого давления, резервуары и реакторы, где желательны более высокие допустимые напряжения или более тонкие секции |
| Изготовленные компоненты, где улучшенная формуемость полезна | Применения, требующие более высокого проектного напряжения или экономии веса за счет уменьшенной толщины |
| Обслуживание при низкой температуре с соответствующими испытаниями на удар, если требуется | Более толстые плиты и обслуживание при более высоком давлении с контролируемой переработкой для поддержания вязкости |
Обоснование выбора: - Выберите класс, сочетание прочности и вязкости которого соответствует проектному напряжению, требуемым запасам безопасности и требованиям к температуре удара, минимизируя при этом стоимость и сложность изготовления.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: Класс 70 обычно имеет умеренную надбавку по сравнению с классом 60 из-за более высокой прочности и иногда более контролируемой переработки (TMCP). Однако, если класс 70 позволяет использовать более тонкую плиту для достижения того же проектного значения, общая стоимость материала и стоимость изготовления могут быть ниже.
- Доступность: Оба класса широко производятся и доступны в стандартных толщине и ширине плит для сосудов под давлением. Доступность конкретных толщин, отделок поверхности и сертифицированных испытаний на удар при низких температурах варьируется в зависимости от завода; закупка должна подтвердить сроки поставки и сертификаты испытаний.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное):
| Критерий | A516 Gr60 | A516 Gr70 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Отличная (немного легче) | Очень хорошая (может потребовать больше предварительного подогрева для толстых секций) |
| Баланс прочности и вязкости | Очень хорош для общих применений | Более высокая прочность; может соответствовать вязкости, если правильно переработан |
| Стоимость | Низкая стоимость материала | Высокая стоимость материала, но может снизить общий вес/стоимость за счет более тонких секций |
Рекомендации: - Выберите A516 класс 60, если: - Проект предпочитает более высокую пластичность и легкость изготовления. - Рабочие давления и допустимые напряжения умеренные и позволяют использовать класс с более низкой прочностью. - Контроль затрат и более простые сварочные процедуры являются приоритетами. - Требования к вязкости при низкой температуре могут быть выполнены с обработкой класса 60.
- Выберите A516 класс 70, если:
- Необходима более высокая минимальная прочность для удовлетворения требований к давлению или конструкции, или если желательна экономия веса за счет более тонких плит.
- Дизайнер требует более высоких допустимых значений напряжения для проектирования сосуда и готов указать соответствующие испытания на удар и, возможно, более строгие контрольные меры по сварке.
- Завод может предоставить Gr70 с требуемой вязкостью (через TMCP или контролируемую прокатку).
Заключительная заметка: Оба класса подходят для строительства сосудов под давлением, когда указаны и предоставлены в соответствии с ASTM A516 и применимым кодом (ASME). Для любого критического выбора инженеры должны ознакомиться с текущей спецификацией ASTM/ASME, потребовать отчеты испытаний на заводе (химические и механические), проверить документацию испытаний на удар при требуемой температуре эксплуатации и подтвердить сварочные процедуры для выбранного класса и толщины.