SA213 T11 против T22 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
SA213 T11 и SA213 T22 — это два широко используемых хромомолибденовых низколегированных стали для труб котлов, супернагревателей и теплообменников. Инженеры и специалисты по закупкам часто взвешивают компромиссы между первоначальной стоимостью материала, легкостью обработки и сварки, а также прочностью при высоких температурах в эксплуатации (устойчивостью к ползучести). Во многих проектах решение сводится к тому, оправдывает ли более высокое содержание легирующих элементов и способность к работе при повышенных температурах T22 его более высокую стоимость и несколько более строгие требования к сварке и термообработке по сравнению с T11.
Основное техническое отличие заключается в том, что T22 легирован для обеспечения значительно лучшей прочности и устойчивости к ползучести при повышенных температурах, чем T11; T11 обычно выбирается, когда хорошая пластичность, легкость сварки и более низкая стоимость являются приоритетами для низких и умеренных рабочих температур.
1. Стандарты и обозначения
- Основные стандарты:
- ASTM/ASME: SA213 (трубы для высокотемпературного использования), A335 (трубы) — T11 и T22 соответствуют маркам Cr-Mo, обычно сопоставимым с P11 и P22 в спецификациях труб.
- EN / DIN: Сравнимые марки — это члены семейства 13CrMo44/14MoV6-3, но прямые перекрестные ссылки требуют осторожности.
- JIS / GB: Национальные стандарты имеют аналогичные серии Cr-Mo, но необходимо проверить точные обозначения и таблицы свойств для замены.
- Классификация:
- SA213 T11 и T22 — это низколегированные ферритные стали (легированная сталь), предназначенные для высокотемпературного использования; они не являются нержавеющими сталями и не относятся к HSLA в типичном смысле (их легирование нацелено на прочность при повышенных температурах и ползучесть, а не только на устойчивость к коррозии).
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице ниже приведены типичные диапазоны состава (весовой процент), встречающиеся в промышленной практике и согласно общепринятым диапазонам ASME/ASTM. Точные пределы зависят от конкретного завода и версии стандарта; всегда консультируйтесь с контролирующей спецификацией материала для покупки или проектирования.
| Элемент | Типичный T11 (прибл. вес%) | Типичный T22 (прибл. вес%) |
|---|---|---|
| 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 (номинально ~1.0–1.25) | ~2.0 – 2.5 (номинально ~2.25) |
| Ni | ≤ 0.40 (следы) | ≤ 0.40 (следы) |
| Mo | ~0.44 – 0.65 (номинально ~0.5) | ~0.85 – 1.06 (номинально ~1.0) |
| V | следы / по желанию | следы / по желанию |
| Nb (Cb) | следы / не указано | следы / не указано |
| Ti | следы | следы |
| B | следы | следы |
| N | следы | следы |
Как легирование влияет на производительность: - Хром увеличивает закаливаемость и прочность при высоких температурах и способствует образованию стабильных карбидов, которые улучшают устойчивость к ползучести. - Молибден улучшает прочность на ползучесть и устойчивость к размягчению при температуре, стабилизируя карбиды и затрудняя диффузию. - Углерод и марганец контролируют основную прочность и закаливаемость; более высокий углерод увеличивает прочность, но снижает свариваемость и ударную вязкость. - Кремний является деоксидизатором и обеспечивает умеренную прочность и устойчивость к окислению. - Следовые микроалюминиевые добавки (V, Nb, Ti) могут влиять на размер зерна, упрочнение осаждением и ударную вязкость, но обычно они незначительны в стандартных составах T11/T22.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - В поставленном (нормализованном и закаленном) состоянии как T11, так и T22 демонстрируют закаленный мартенсит / закаленную бейнитную микроструктуры с дисперсией легированных карбидов (богатых Cr и Mo). Размер зерна и распределение карбидов контролируются температурой нормализации и режимом закалки. - T22, с более высоким содержанием Cr и Mo, имеет тенденцию образовывать более высокую долю стабильных легированных карбидов и микроструктуру, которая лучше сопротивляется коагуляции при повышенных температурах, чем T11.
Эффекты термообработки: - Нормализация (воздушное охлаждение выше критического диапазона) уточняет размер зерна аустенита и растворяет карбиды; затем следует закалка для достижения желаемого баланса прочности/пластичности. - Закалка и отпуск контролируют ударную вязкость при комнатной температуре по сравнению с прочностью, но менее распространены для трубных изделий, предназначенных для эксплуатации — стандартная практика заключается в нормализации и отпуске, соответствующих форме изделия. - Для обоих классов постсварочная термообработка (PWHT) обычно используется для отпуска зоны термического влияния сварки и снижения остаточных напряжений и твердости; T22 обычно требует более строгого контроля (минимальная температура PWHT, время выдержки), чтобы соответствовать требованиям по ползучести. - Термомеханически контролируемая переработка (TMCP) может использоваться для уточнения размера зерна и улучшения ударной вязкости в толстых секциях, но для труб главными переменными являются циклы нормализации и отпуска.
4. Механические свойства
Механические свойства ниже являются ориентировочными диапазонами для нормализованных и закаленных труб и сильно зависят от толщины стенки, точной термообработки и отделки. Используйте соответствующие таблицы кодов для проектирования.
| Свойство | Типичный T11 (нормализованный и закаленный) | Типичный T22 (нормализованный и закаленный) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | ~420 – 560 МПа | ~450 – 620 МПа |
| Предельная прочность (0.2% сдвиг, МПа) | ~240 – 360 МПа | ~300 – 420 МПа |
| Удлинение (%) | ~20 – 25% | ~18 – 22% |
| Ударная вязкость (Charpy V, комнатная температура) | Умеренная; зависит от термообработки | Умеренная; часто немного ниже, чем у T11, если углерод/закаливаемость выше |
| Твердость (HB) | ~150 – 220 HB | ~160 – 240 HB |
Интерпретация: - T22 обычно предлагает более высокую предельную и прочность на растяжение, особенно при повышенных температурах, из-за более высокого содержания Cr и Mo, что улучшает прочность на ползучесть. - T11 может обеспечить немного лучшую пластичность и может быть легче соответствовать требованиям по ударной вязкости для некоторых геометрий из-за его более низкого содержания легирующих элементов и низкой закаливаемости. - Разница в ударной вязкости при комнатной температуре незначительна в правильно обработанных материалах; ключевое преимущество T22 в сохранении прочности при температуре (устойчивость к ползучести).
5. Сварка
Соображения по свариваемости вращаются вокруг содержания углерода, общей закаливаемости (Cr + Mo + другие легирующие элементы) и необходимости предварительного подогрева/PWHT.
- Твердость и образование мартенсита в зонах термического влияния увеличиваются с повышением легирования и закаливаемости; таким образом, более высокое содержание Cr и Mo в T22 увеличивает риск закалки HAZ и холодного растрескивания, вызванного водородом, если контроль сварки недостаточен.
- Общие индексы свариваемости, полезные для качественной интерпретации:
- Эквивалент углерода (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (более консервативный индекс):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Интерпретация (качественная): более высокий CE или Pcm подразумевает больший предварительный подогрев, более медленное охлаждение и часто обязательный PWHT, чтобы избежать хрупких микроструктур HAZ. T22 обычно будет иметь более высокий CE, чем T11 при равном углероде, что указывает на более строгие процедуры сварки.
- Рекомендуемая практика: контролировать водород в сварочных расходных материалах, применять соответствующий предварительный подогрев и выполнять PWHT в соответствии с кодом и техническими паспортами материалов — для T22 обычно указывается более строгий PWHT, чтобы соответствовать требованиям по ползучести и ударной вязкости.
6. Коррозия и защита поверхности
- Обе стали T11 и T22 являются нелегированными сталями и не обеспечивают значительной устойчивости к влажной коррозии или агрессивным средам только за счет химического состава.
- Типичные защиты: покраска, грунтовки, высокотемпературные покрытия или металлургические покрытия, где это уместно. Для наружного/атмосферного использования может использоваться оцинковка для некоторых компонентов, но это редко для высокотемпературных труб.
- При высокотемпературном окислении (пар/печь) образуются оксидные слои на поверхности; легирование (Cr) улучшает адгезию оксидов и устойчивость к высокотемпературному окислению — здесь T22 выигрывает от более высокого содержания Cr.
- Индексы коррозионной стойкости, такие как PREN, не применимы к этим низколегированным сталям: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс предназначен для нержавеющих сталей и не описывает поведение коррозии Cr-Mo ферритных сталей.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: Оба класса хорошо обрабатываются при нормализации и отпуске; T22 может быть немного сложнее из-за более высокого содержания легирующих элементов и более сильных дисперсий карбидов.
- Формуемость и холодная гибка: Низколегированная T11 обычно более прощает в операциях гибки и формовки; T22 может требовать более строгого контроля радиусов изгиба или формовки при повышенных температурах, чтобы избежать растрескивания в более толстых секциях.
- Отделка поверхности: Шлифовка, полировка и неразрушающий контроль являются стандартными; для сварки и обработки контроль за водородом и PWHT чаще применяется к T22.
8. Типичные применения
| SA213 T11 – Типичные применения | SA213 T22 – Типичные применения |
|---|---|
| Экономичные трубы для супернагревателей и подогревателей для паровых контуров низкой температуры, подогревателей питательной воды и общих труб котлов, где достаточна умеренная прочность при температуре | Трубы для супернагревателей, паропроводы и коллекторы на электростанциях, трубопроводы для высокотемпературных процессов в нефтехимии и компоненты, где требуются более высокая прочность на ползучесть и более длительный срок службы при повышенной температуре |
| Экономичные трубы для теплообменников для умеренных температур | Критические высокотемпературные детали и трубопроводы, требующие более высоких допустимых напряжений при температуре |
| Запасные части в системах, изначально спроектированных для работы с 1–1.25% Cr, где важны свариваемость и контроль затрат | Новые конструкции, где желательны более длительный срок службы, более высокие допустимые напряжения при температуре или уменьшенная толщина стенки для экономии веса/пространства |
Обоснование выбора: - Выбирайте T11, когда рабочие температуры и напряжения умеренные, и когда приоритетами являются более низкая стоимость, легкость обработки и более простые требования к сварке/PWHT. - Выбирайте T22, когда требуются более высокая прочность на ползучесть и устойчивость к окислению/образованию оксидов при повышенных температурах, и когда более длительный срок службы или более высокие допустимые напряжения при температуре оправдывают более высокую стоимость материала и более строгие требования к обработке.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: T22 обычно стоит дороже, чем T11 из-за более высокого содержания Cr и Mo; Mo особенно дорогой и непропорционально влияет на цену.
- Доступность: Оба класса широко доступны в форме труб и трубопроводов, но сроки поставки и волатильность цен могут зависеть от спроса на легирующие элементы (доступность Mo). Стандартные размеры труб и общие толщины стенок легко доступны у крупных поставщиков; специальные размеры могут иметь более длительные сроки поставки.
- Формы продукции: бесшовные и сварные трубы, трубы, фитинги и фланцы являются обычными; доступность в виде листов и кованых изделий варьируется в зависимости от рыночного спроса.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | SA213 T11 | SA213 T22 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (низкая закаливаемость) | Более требовательная (высокая закаливаемость; более строгий PWHT) |
| Баланс прочности и ударной вязкости | Хороший при комнатной и умеренной температуре | Превосходная прочность при высоких температурах / устойчивость к ползучести |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Выводы: - Выбирайте SA213 T11, если: ваш проект работает при умеренных температурах пара или процессов, где исключительная устойчивость к ползучести не требуется, вы придаете приоритет более низкой стоимости материала, более простым требованиям к сварке и обработке, и вам нужна хорошая пластичность и ударная вязкость в эксплуатации. - Выбирайте SA213 T22, если: применение связано с более высокими температурами пара или постоянными напряжениями, где критична устойчивость к ползучести и сохранение прочности при температуре, вы принимаете более высокую стоимость материала и более строгие процедуры сварки/PWHT, и вам нужен более длительный срок службы или более высокие допустимые напряжения при температуре.
Окончательная рекомендация: основывайте выбор на максимальной рабочей температуре и напряжении проекта (требования к сроку службы при ползучести), возможности сварочной процедуры (предварительный подогрев/PWHT) и анализе жизненного цикла затрат. В случае сомнений проконсультируйтесь с применимыми таблицами материалов ASME/ASTM и проведите обзор проектирования, который включает допустимые напряжения при предполагаемой рабочей температуре и квалификацию сварочной процедуры.