SA387 11CL2 против 22CL2 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
SA‑387 (также упоминается как ASTM A387) — это семейство хромомолибденовых низколегированных сталей для деталей, содержащих давление, в условиях повышенной температуры. Инженеры и команды по закупкам часто взвешивают компромиссы между двумя часто указываемыми марками: 11CL2 (часто называемой типом P11) и 22CL2 (часто называемой типом P22). Типичные контексты принятия решений включают выбор минимального легирования для приемлемой прочности на ползучесть при температуре, балансировку свариваемости и требований к термообработке после сварки или оптимизацию стоимости закупок по сравнению с производительностью в течение жизненного цикла.
Основное практическое отличие между этими марками заключается в их содержании легирующих элементов, нацеленном на прочность при высоких температурах и сопротивление ползучести: более высокое содержание хрома и молибдена в марке 22CL2 обеспечивает большую прочность и способность к ползучести при повышенных температурах, в то время как 11CL2 предлагает более низкое содержание легирующих элементов, что улучшает свариваемость и снижает стоимость материала. Поскольку обе марки предназначены для применения под давлением при повышенных температурах, их часто сравнивают, когда проектировщики выбирают материалы для котлов, теплообменников, трубопроводов и сосудов под давлением, работающих в схожих температурных диапазонах.
1. Стандарты и обозначения
- Основные стандарты:
- ASTM/ASME: SA‑387 / A387 (марки 11, 22; классы 1, 2 и т.д.)
- EN: Эквивалентные обозначения часто попадают в P-градации (например, P11 / P22) или эквиваленты EN 10222/10028 в зависимости от формы продукта.
- JIS/GB: Национальные стандарты могут указывать сопоставимые Cr‑Mo стали с различными кодами марок.
- Тип материала:
- Обе марки SA387 11CL2 и 22CL2 являются низколегированными хромомолибденовыми сталями, предназначенными для работы при повышенных температурах. Они не являются нержавеющими сталями и не относятся к HSLA в смысле микроалюминированных высокопрочных конструкционных сталей; это жаростойкие сплавы для сосудов под давлением с намеренными добавками Cr и Mo.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица ниже дает представительные типичные диапазоны (в % по массе), встречающиеся в спецификациях SA‑387/A387 марка 11 класс 2 и марка 22 класс 2 или в обычной практике на заводе. Точный контрактный химический состав всегда должен быть взят из сертификата завода или соответствующего издания стандарта.
| Элемент | 11CL2 (представительный % по массе) | 22CL2 (представительный % по массе) |
|---|---|---|
| C | 0.06 – 0.15 | 0.05 – 0.15 |
| Mn | 0.30 – 0.60 | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.08 – 0.35 | 0.08 – 0.35 |
| P (макс) | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S (макс) | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| Cr | 0.90 – 1.35 | 2.00 – 2.60 |
| Ni (макс) | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.44 – 0.65 | 0.80 – 1.15 |
| V | обычно низкий / следы | обычно низкий / следы |
| Nb, Ti, B, N | следы / контролируемые | следы / контролируемые |
Как легирование влияет на производительность: - Хром (Cr) увеличивает устойчивость к окислению и прочность при высоких температурах и способствует закаляемости. - Молибден (Mo) увеличивает прочность на ползучесть и стабилизирует карбиды при повышенной температуре; Mo также способствует закаляемости. - Углерод повышает прочность, но снижает свариваемость и ударную вязкость, если его слишком много; обе марки поддерживают низкое содержание углерода для балансировки ударной вязкости и свариваемости при комнатной температуре. - Марганец и кремний являются деоксидантами и способствуют прочности. - Следовые микроалюминирующие элементы (V, Nb, Ti), когда присутствуют в небольших количествах, влияют на контроль размера зерна и упрочнение осаждением, но марки SA‑387 в основном упрочняются за счет химии Cr/Mo и термообработки.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичная обработка и микроструктура: - В состоянии прокатки или нормализации и отпускания обе марки развивают закаленную бейнитную/закаленную мартенситную микроструктуру в зависимости от скорости охлаждения и содержания легирующих элементов. - 11CL2 (низкий Cr/Mo): имеет тенденцию к трансформации при более высоких температурах и демонстрирует несколько более крупные карбиды после отпуска по сравнению с 22CL2; микроструктура достаточна для умеренной службы на ползучесть. - 22CL2 (высокий Cr/Mo): показывает более высокую закаляемость и формирует более тонкое распределение закаленных карбидов, которые более эффективны в сопротивлении ползучести и размягчению при повышенной температуре.
Влияние термообработок: - Нормализация и отпуск (обычный путь): уточняет размер зерна и производит смесь закаленного мартенсита/бейнита с улучшенной балансировкой прочности и вязкости. - Закалка и отпуск: могут использоваться для более высоких требований к прочности, но обе марки обычно используются в нормализованном/отпущенном состоянии для работы сосудов под давлением. - Термомеханическая обработка (контролируемая прокатка): может улучшить предел прочности и вязкость за счет уточнения зерна и контроля осаждения; более эффективна в 22CL2 благодаря легированию, но требует строгого контроля процесса. - Термообработка после сварки (PWHT): требуется для многих приложений под давлением для отпуска зоны термического влияния и восстановления вязкости; графики PWHT зависят от толщины, проектного кода и содержания легирующих элементов.
4. Механические свойства
Следующая таблица предоставляет качественное сравнение общих характеристик механической производительности в стандартных термообработанных условиях (нормализованные и отпущенные). Абсолютные значения зависят от толщины, точного химического состава и термообработки; проконсультируйтесь с сертификатом материала и проектным кодом для минимально гарантированных значений.
| Свойство | 11CL2 | 22CL2 |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (типичное поведение) | Умеренная | Выше (улучшена при повышенной температуре) |
| Предел прочности | Умеренный | Выше |
| Удлинение (пластичность) | Немного выше (лучше пластичность при комнатной температуре) | Немного ниже (компромисс за счет прочности) |
| Ударная вязкость (при комнатной температуре, отпущенная) | Хорошая, зависит от термообработки | Хорошая, может быть сопоставима, если правильно обработана, но требует контроля |
| Твердость (отпущенная) | Умеренная | Выше в аналогичных условиях термообработки |
Почему возникают эти различия: - Более высокое содержание Cr и Mo в 22CL2 увеличивает закаляемость и осаждение стабильных карбидов, которые поддерживают прочность при температуре. Это увеличивает прочность на растяжение и предел прочности, особенно в режиме ползучести, за счет умеренного снижения пластичности, если отпуск и термообработка не оптимизированы. - Более низкое содержание легирующих элементов в 11CL2 приводит к немного лучшей свариваемости и часто к более высокому измеренному удлинению при комнатной температуре.
5. Свариваемость
Ключевые факторы свариваемости: - Углеродный эквивалент и закаляемость определяют восприимчивость к холодным трещинам и необходимость в предварительном нагреве и PWHT. - Содержание легирующих элементов (Cr, Mo) увеличивает закаляемость; таким образом, 22CL2 обычно требует более консервативных практик предварительного нагрева и PWHT, чем 11CL2 для эквивалентной толщины.
Полезные эмпирические формулы (интерпретировать качественно; числовые расчеты не предоставлены): - Международный институт сварки Углеродный эквивалент: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Dearden & O'Neill или Pcm (выражает восприимчивость к трещинам при сварке): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация: - 22CL2, как правило, будет производить более высокий $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, чем 11CL2 из-за более высокого содержания Cr и Mo, что подразумевает более строгий контроль сварки (предварительный нагрев, температура между проходами, PWHT). - Обе марки свариваемы с соответствующими процедурами; общая практика заключается в применении предварительного нагрева и обязательного PWHT в соответствии с кодом ASME для котлов и сосудов под давлением для частей под давлением, при этом температуры и продолжительность PWHT выбираются для снятия водородных и остаточных напряжений и для отпуска HAZ.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни одна из марок не является нержавеющей; обе подвержены общей коррозии и локализованной коррозии в агрессивных средах.
- Стратегии защиты: покраска, эпоксидные покрытия, полимерные покрытия и оцинковка (в зависимости от проектной температуры и эксплуатации) являются типичными методами защиты поверхности. Для устойчивости к окислению/образованию окалины при высоких температурах содержание Cr в 22CL2 предлагает несколько улучшенную устойчивость к образованию окалины по сравнению с 11CL2, но ни одна из них не заменяет нержавеющие стали для коррозионной службы.
- PREN (эквивалентный номер устойчивости к образованию ямок) не применим к этим не нержавеющим сталям, однако для полноты: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Используйте коррозионно-стойкие сплавы или обшивку/покрытие, когда существует химическая атака или высокий риск локальной коррозии; для многих котлов и паровых приложений проблемы коррозии решаются контролем химии воды, а не полагаясь на коррозионную стойкость основного металла.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: обе марки легко обрабатываются в нормализованном/отпущенном состоянии. Немного более низкое содержание легирующих элементов в 11CL2 может обеспечить немного лучшую обрабатываемость; 22CL2 может требовать более частой замены инструмента при обработке до той же твердости.
- Формуемость/гибкость: обе могут быть сформированы, когда поставляются в нормализованном состоянии; минимальные радиусы изгиба и температуры формования должны следовать стандартным практикам для отпущенных Cr‑Mo сталей. Более высокая закаляемость в 22CL2 может увеличить риск трещин при холодной формовке более толстых секций.
- Обработка поверхности: обе принимают общие методы отделки (шлифовка, дробеструйная обработка, покрытие). Термообработка после формования или сварки часто требуется для достижения требований к вязкости и напряжению.
8. Типичные применения
| 11CL2 (SA387 Grade 11 CL2) | 22CL2 (SA387 Grade 22 CL2) |
|---|---|
| Компоненты котлов и печей, работающие при умеренных повышенных температурах, где стоимость и свариваемость являются приоритетами | Компоненты для высоких температур (супернагреватели, повторные нагреватели, толстые коллекторы), где требуются превосходная прочность на ползучесть и долговременная стабильность при повышенных температурах |
| Корпуса сосудов под давлением и трубопроводы, где проектная температура ниже в пределах эксплуатационного диапазона | Детали под давлением для более толстых секций и более высоких температур в электростанциях и нефтехимических установках |
| Экономичные трубопроводы и фитинги, где PWHT и умеренная прочность достаточно | Критические высокотемпературные спули, толстостенные компоненты и детали, подверженные более высоким постоянным напряжениям при температуре |
Обоснование выбора: - Выбирайте 11CL2, когда рабочие температуры и напряжения находятся в пределах его безопасного проектного диапазона и когда необходимо минимизировать стоимость легирования и облегчить обработку/сварку. - Выбирайте 22CL2, когда ожидаемые требования к эксплуатации (более высокая температура, более высокие постоянные напряжения, более толстые секции) требуют улучшенной прочности на ползучесть и прочности при повышенных температурах.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: 22CL2 обычно дороже по материалу, чем 11CL2 из-за большего содержания Cr и Mo. Разница варьируется в зависимости от рыночных цен на легирующие элементы.
- Доступность: обе марки широко производятся в виде плит и кованых изделий для оборудования под давлением; доступность по форме продукта (плита, кованые изделия, трубы) и время выполнения зависят от графиков завода и регионального спроса. 11CL2 часто более доступна в широком диапазоне размеров из-за более широкого применения в ценочувствительных приложениях.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | 11CL2 | 22CL2 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (ниже закаляемость) | Более требовательная (выше Cr/Mo) |
| Баланс прочности и вязкости | Умеренная прочность; хорошая пластичность | Выше прочность при повышенных температурах; хорошая вязкость, если термообработана |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Выводы и практические рекомендации: - Выбирайте 11CL2, если вам нужна экономически эффективная Cr‑Mo сталь для давления для умеренной работы при повышенных температурах, где приоритетами являются более легкая сварка и более низкая стоимость легирования, и где проектные напряжения и температуры находятся в допустимых пределах для материала Grade 11. - Выбирайте 22CL2, если приложение требует повышенной устойчивости к ползучести и более высокой прочности при повышенных температурах (или более толстых секций, где требуется закаляемость), и вы можете учесть более строгие процедуры сварки и более высокую стоимость материала.
Заключительные замечания: - Всегда проверяйте точный химический состав и гарантированные механические свойства в сертификате завода для партии, которая закупается. - Следуйте применимым проектным кодам (ASME Section II/Code Case, ASME BPVC, стандарты EN) для допустимых напряжений, необходимых PWHT и испытаний. Выбор должен быть сделан в контексте рабочей температуры, давления, ожидаемого срока службы, спецификаций сварочных процедур (WPS/PQR) и планов инспекции в процессе эксплуатации.