SA213 T22 против T91 – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
SA213 T22 и T91 — это два широко используемых класса легированных сталей для труб в энергетике, нефтехимии и высокотемпературных промышленных услугах. Инженеры и специалисты по закупкам часто сталкиваются с дилеммой выбора между ними: балансировка прочности при повышенных температурах и долговечности против свариваемости, стоимости и легкости обработки. Типичные контексты принятия решений включают выбор материалов для труб котлов и теплообменников, трубопроводов в паровых системах или заменяемых компонентов в сборках, удерживающих давление.
Основное различие между этими классами заключается в их стратегии легирования и полученной микроструктуре: T22 — это легированная хромом-молибденовая сталь с низким содержанием легирующих элементов, предназначенная для умеренной прочности при высоких температурах и хорошей обрабатываемости, в то время как T91 — это мартенситная, высокохромовая, микроаллоированная сталь, разработанная для значительно более высокой прочности на сдвиг и текучесть при повышенных температурах. Это различие определяет большинство последующих выборов в проектировании, практике сварки и стоимости жизненного цикла.
1. Стандарты и обозначения
- ASTM/ASME:
- SA213 T22 — ASTM A213 / ASME SA213 (бесшовные ферритные легированные стальные трубы для котлов, супернагревателей и теплообменников)
- SA213 T91 — ASTM A213 / ASME SA213 (бесшовные ферритные легированные стальные трубы для высокотемпературного обслуживания)
- Другие стандарты:
- Эквиваленты EN/ISO часто указываются в соответствии с EN 10216-2 или EN 10222 (для аналогичных легированных сталей); национальные стандарты (JIS, GB) предоставляют сопоставимые классы под другими названиями.
- Классификация:
- SA213 T22 — легированная ферритная сталь с низким и умеренным содержанием легирующих элементов (обычно называется легированной сталью Cr–Mo)
- SA213 T91 — высокохромовая мартенситная легированная сталь (закаленная мартенситная/HSLA-тип для высокотемпературного обслуживания)
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: Типичные диапазоны химического состава (вес.%) для SA213 T22 и T91. Это представительные диапазоны, которые обычно упоминаются в отраслевых спецификациях; точные пределы зависят от стандарта и формы продукта.
| Элемент | SA213 T22 (типичный диапазон) | SA213 T91 (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| 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 (макс) | ≤ 0.020 (макс) |
| S | ≤ 0.025 (макс) | ≤ 0.010 (макс) |
| Cr | 1.8 – 2.3 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 (следы) | ≤ 0.40 (следы) |
| Mo | 0.40 – 0.70 | 0.85 – 1.05 |
| V | следы – 0.05 | 0.18 – 0.25 |
| Nb (Cb) | следы – 0.05 | 0.06 – 0.12 |
| Ti | — (обычно низкое) | — (обычно низкое) |
| B | — (обычно не указывается) | — (часто контролируется на очень низком уровне ppm) |
| N | — (низкое) | 0.03 – 0.07 |
Как легирование влияет на свойства - Хром и молибден: Оба элемента улучшают прочность при повышенных температурах и стойкость к окислению. Умеренное содержание Cr/Mo в T22 обеспечивает умеренную стойкость к ползучести; высокое содержание Cr и Mo в T91, в сочетании с микроаллоированием, обеспечивает значительно более высокую стойкость к ползучести. - Углерод: Более высокое содержание углерода в T91 поддерживает образование мартенсита и реакцию закалки; в T22 содержание углерода ниже для поддержания пластичности и свариваемости. - Микроаллоирование (V, Nb): Присутствует в T91 для стабилизации карбидов/нитридов, улучшения прочности на ползучесть и сопротивления размягчению при длительном воздействии. - Кремний и марганец: Обезуглероживание и упрочнение в твердом растворе; также влияют на закаливаемость и прочность.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- SA213 T22:
- Типичная микроструктура после стандартной термообработки: закаленный феррит с перлитными/закаленными бейнитными составляющими, в зависимости от скорости охлаждения. Это не полностью мартенситная сталь.
- Реакция на термообработку: нормализация и закалка или снятие напряжений могут регулировать прочность и жесткость. Она менее отзывчива на мартенситное закаливание, чем T91; интенсивная закалка обычно не требуется или не используется.
- SA213 T91:
- Типичная микроструктура: закаленный и закаленный мартенсит (закаленный лентовидный мартенсит) с мелкими карбидами и карбонитридами (богатыми V/Nb/Ti) после правильной нормализации и закалки.
- Реакция на термообработку: требует контролируемой нормализации и закалки для формирования заданной микроструктуры. Термомеханическая обработка и точная закалка важны для достижения улучшения зерна и желаемой стойкости к ползучести.
- Эффекты обработки:
- Нормализация улучшает предыдущее аустенитное зерно в T91 и является важным этапом перед закалкой.
- Закалка и закалка (Q&T) для T91 обеспечивают высокую прочность и стабильность при повышенных температурах; чрезмерная закалка снижает прочность, но улучшает прочность.
- T22 больше полагается на контролируемое охлаждение и закалку для балансировки пластичности и прочности; она менее чувствительна к скоростям закалки.
4. Механические свойства
Таблица: Типичные диапазоны механических свойств для нормализованных и закаленных или обычно поставляемых условий. Значения зависят от термообработки, формы продукта и спецификации.
| Свойство | SA213 T22 (типичный, N&T или как поставляется) | SA213 T91 (типичный, нормализованный и закаленный) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | 400 – 600 | 550 – 800 |
| Предельная прочность (0.2% смещение, МПа) | 200 – 350 | 400 – 650 |
| Удлинение (%) | 18 – 30 | 12 – 20 |
| Ударная вязкость (Charpy V, Дж, RT) | 20 – 60 (варьируется в зависимости от толщины) | 30 – 100 (зависит от закалки + термообработки) |
| Твердость (HB) | ~150 – 230 | ~200 – 300 |
Интерпретация - Прочность: T91 явно является более прочным классом по прочности на растяжение и предельной прочности, особенно при повышенных температурах и для долговременной стойкости к ползучести, благодаря мартенситной структуре и микроаллоированию. - Ударная вязкость и пластичность: T22 обычно предлагает большую пластичность и более легкую пластическую деформацию; T91 обеспечивает сильное сочетание прочности и адекватной прочности при правильной нормализации и закалке, но менее пластична. - Последствия выбора: Для высоконагруженных, высокотемпературных условий, где важна ползучесть, предпочтителен T91. Для умеренных температур, где приоритетом являются легкость обработки и стоимость, T22 остается конкурентоспособным.
5. Свариваемость
Свариваемость зависит от углеродного эквивалента и закаливаемости; оба класса требуют внимания, но T91 более требователен.
Общие индексы сварки: - Углеродный эквивалент (тип IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Более комплексный параметр: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация - SA213 T22: Более низкая общая закаливаемость и более низкий углеродный эквивалент, чем у T91 в большинстве случаев. Его легче сваривать стандартными присадочными металлами; предварительный подогрев и термообработка после сварки (PWHT) рекомендуются для соединений, удерживающих давление, чтобы уменьшить остаточные напряжения и восстановить свойства, но риск трещин ниже, чем у T91. - SA213 T91: Более высокая закаливаемость (из-за более высокого содержания Cr, Mo и микроаллоирования) приводит к большему риску образования мартенсита в HAZ, холодным трещинам с помощью водорода и хрупким микроструктурам, если не контролировать должным образом. Сварка T91 обычно требует строгого предварительного подогрева, контролируемой температуры между проходами и полной PWHT в соответствии с требованиями кодекса; квалифицированные сварочные процедуры и соответствующие присадочные металлы являются обязательными. - Практическое примечание: Для сварки различных металлов (например, соединение T91 с низколегированными сталями) требуются специальные переходные процедуры и квалифицированные WPS/PQR.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни SA213 T22, ни T91 не являются нержавеющими; оба подвержены общей коррозии в влажных условиях и окислению при повышенных температурах в зависимости от условий эксплуатации.
- Общие стратегии защиты:
- Защитные покрытия (покраска), обшивка или облицовка для коррозионных сред.
- Горячее цинкование возможно для некоторых изготовленных компонентов, но редко используется для высокотемпературных труб.
- Для стойкости к окислению при высоких температурах важен состав сплава: более высокое содержание Cr в T91 обеспечивает улучшенную стойкость к образованию окалины в окисляющих паровых средах по сравнению с T22 с более низким содержанием Cr, но стойкость к окислению все еще уступает нержавеющим классам.
- PREN (эквивалентный номер стойкости к питтингу) не применим к не нержавеющим сталям Cr–Mo, но для справки формула для нержавеющих сплавов: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — этот индекс не имеет значительного значения для T22 или T91, поскольку локализованная коррозионная стойкость и пассивное поведение требуют гораздо более высокого содержания хрома и никеля.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- T22 обрабатывается достаточно хорошо в отожженном или нормализованном состоянии; обрабатываемость умеренная.
- T91, с более высокой прочностью и тенденцией к упрочнению, труднее обрабатывать и требует надежного инструмента, более низких скоростей резания и внимания к образованию тепла.
- Формуемость и гибкость:
- T22 демонстрирует лучшие характеристики холодной формовки и гибкости благодаря более низкой предельной прочности и более высокой пластичности.
- T91 менее подходит для обширной холодной формовки; формовка обычно выполняется в контролируемых, часто теплых условиях после соответствующей термообработки.
- Отделка поверхности:
- Обе стали могут быть обработаны до высоких допусков, но T91 требует более медленных, более контролируемых процессов, чтобы избежать закаливания или появления дефектов.
8. Типичные применения
Таблица: Типичные применения для каждого класса
| SA213 T22 — Типичные применения | SA213 T91 — Типичные применения |
|---|---|
| Трубы котлов и супернагревателей для паровых систем умеренной температуры | Трубопроводы высокого давления, коллекторы и трубы в электростанциях, требующие высокой прочности на ползучесть |
| Трубки теплообменников и компоненты подогревателей в средних температурных диапазонах | Компоненты, подвергающиеся воздействию 500–650°C, где критична долговечность |
| Общие трубопроводы, где необходима умеренная прочность и хорошая свариваемость | Нефтехимические крекинговые установки, высокотемпературные трубопроводы, главные паровые линии электростанций |
| Экономичные запасные части и сервисные трубопроводы | Применения, где срок службы конструкции и стойкость к ползучести оправдывают более высокую первоначальную стоимость материала |
Обоснование выбора - Выбирайте T22 для обслуживания при умеренных температурах с приоритетом на более низкую стоимость материала, легкость сварки и высокую формуемость. - Выбирайте T91 для высокотемпературных, высоконагруженных приложений, где требуются высокая прочность на ползучесть, высокая предельная прочность и лучшая стабильность при повышенных температурах.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость:
- T91 обычно дороже за килограмм, чем T22 из-за более высокого содержания легирующих элементов (Cr, Mo) и добавленных микроаллоирующих элементов, а также потому, что T91 часто требует более строгой термообработки и контроля обработки.
- Доступность:
- Оба класса широко доступны на основных рынках в форме труб, трубопроводов и прутков, но сроки поставки для T91 могут быть длиннее для специализированных размеров и термообработанных условий.
- Запасы и местное предложение, как правило, лучше для T22, поскольку он имеет более длительное использование для компонентов котлов умеренной температуры.
10. Резюме и рекомендации
Таблица: Быстрое резюме
| Характеристика | SA213 T22 | SA213 T91 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Хорошая — более легкие процедуры предварительной/последующей сварки | Требовательная — требуется строгий предварительный подогрев и PWHT |
| Прочность–Ударная вязкость (при повышенной температуре) | Умеренная прочность; хорошая пластичность | Высокая прочность и стойкость к ползучести; инженерная прочность |
| Стоимость | Низкая первоначальная стоимость материала | Высокая стоимость материала и обработки |
Выводы и рекомендации - Выбирайте SA213 T22, если: - Температуры и нагрузки в эксплуатации умеренные (дизайнерские пределы, где T22 соответствует допустимым нагрузкам). - Скорость обработки, легкость сварки, более низкая первоначальная стоимость и формуемость являются приоритетами. - Вам требуется широко доступная, экономичная труба для теплообменников или котлов средней температуры, где долговременная ползучесть не является основным фактором проектирования. - Выбирайте SA213 T91, если: - Приложение требует высокой прочности на ползучесть и высокой предельной прочности при повышенных температурах (например, главные паровые линии, коллекторы, компоненты, работающие при 550–650°C). - Долговечность, уменьшенная толщина для экономии веса или более высокая допустимая нагрузка при температуре оправдывают более высокую стоимость материала и обработки. - Проект может учитывать более строгие требования к сварке, PWHT и квалифицированные процедуры.
Заключительное примечание: Выбор материала всегда должен быть подтвержден детальным анализом напряжений, ползучести и коррозии и проверен в соответствии с применимыми кодами (ASME, EN, местные нормы). Рекомендуется заранее проконсультироваться с поставщиками материалов и сварочными инженерами для определения термообработки, сварочных процедур и критериев инспекции, соответствующих условиям эксплуатации и ожидаемому жизненному циклу.