SA387 Gr11 против Gr22 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
SA387 Группа 11 и Группа 22 — это два тесно связанных хромомолибденовых (Cr–Mo) сталей для сосудов под давлением, которые широко используются для работы при повышенных температурах в котлах, сосудах под давлением и нефтехимическом оборудовании. Инженеры, менеджеры по закупкам и производители часто взвешивают компромиссы между стоимостью материала, свариваемостью, прочностью и прочностью при повышенных температурах при выборе между этими марками. Типичные контексты принятия решений включают компоненты трубопроводов и сосудов, подвергающиеся воздействию высоких температур пара, теплообменники и компоненты, где важны сопротивление термическому ползучести и закаливаемость.
Основное различие между двумя марками заключается в количестве легирующих элементов хрома и молибдена: Группа 11 — это вариант с низким содержанием Cr/Mo, предназначенный для умеренных повышенных температур, в то время как Группа 22 содержит больше Cr и Mo, чтобы обеспечить большую прочность и сопротивление ползучести при более высоких температурах. Из-за этого Gr22 указывается там, где требуется высокая долговечная прочность и закаливаемость; Gr11 выбирается там, где приоритетом являются немного более низкие затраты и легкость сварки, при этом обеспечивая хорошие свойства при повышенных температурах.
1. Стандарты и обозначения
- Основные стандарты и обозначения:
- ASTM/ASME: SA387 (плита) — Группа 11 (часто сокращенно Gr11) и Группа 22 (Gr22). Связанные спецификации трубопроводов: ASTM A335/ASME SA335 P11 и P22 (трубы).
- EN: Сравнимые сплавы существуют в стандартах EN для легированных сталей для сосудов под давлением (выбор требует перекрестной ссылки, так как прямое соответствие не является точным).
- JIS / GB: Японские и китайские стандарты имеют аналогичные семейства 1.25Cr–0.5Mo и 2.25Cr–1Mo, но проверьте национальные обозначения на эквивалентность.
- Классификация: Как SA387 Gr11, так и Gr22 являются легированными сталями (Cr–Mo ферритные стали), используемыми для работы при повышенных температурах; они не являются нержавеющими сталями, углеродными сталями или HSLA в современном понимании.
2. Химический состав и стратегия легирования
Следующая таблица перечисляет типичные диапазоны состава, обычно ассоциируемые с SA387 Gr11 и Gr22. Это представительные диапазоны из практики отрасли и стандартных перекрестных ссылок; всегда проверяйте с сертификатом испытаний на заводе для точных значений.
| Элемент | Типичный диапазон — Gr11 (прибл.) | Типичный диапазон — Gr22 (прибл.) |
|---|---|---|
| C | 0.08 – 0.15 мас% | 0.08 – 0.15 мас% |
| Mn | 0.30 – 0.70 мас% | 0.30 – 0.70 мас% |
| Si | 0.10 – 0.50 мас% | 0.10 – 0.50 мас% |
| P (макс) | ≤ 0.035 мас% | ≤ 0.035 мас% |
| S (макс) | ≤ 0.035 мас% | ≤ 0.035 мас% |
| Cr | ~1.0 – 1.4 мас% (номинально ~1.25%) | ~2.0 – 2.5 мас% (номинально ~2.25%) |
| Mo | ~0.40 – 0.65 мас% (номинально ~0.50%) | ~0.85 – 1.15 мас% (номинально ~1.00%) |
| V, Nb, Ti, B | Обычно присутствуют только в виде остаточного/следового микроалюминирования (≤0.05 мас% каждый) | Обычно присутствуют только в виде остаточного/следового микроалюминирования (≤0.05 мас% каждый) |
| N | Следы | Следы |
Как стратегия легирования влияет на поведение: - Хром увеличивает закаливаемость, прочность при температуре и сопротивление окислению; более высокий Cr в Gr22 обеспечивает большую прочность при высоких температурах и сопротивление ползучести, чем Gr11. - Молибден способствует прочности на ползучесть и закаливаемости; более высокий Mo в Gr22 усиливает этот эффект. - Углерод, марганец и кремний устанавливают базовую прочность и закаливаемость; углерод повышает прочность, но может снизить свариваемость и ударную вязкость, если его слишком много. - Небольшое микроалюминирование (V, Nb, Ti) уточняет размер зерна и может улучшить прочность на ползучесть, когда оно присутствует намеренно, но типичные плиты SA387 в основном полагаются на баланс Cr–Mo, а не на тяжелое микроалюминирование.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - В нормализованном и закаленном (или закаленном и отожженном) состоянии обе марки имеют ферритную матрицу с закаленным мартенситом или байнитными составляющими в зависимости от скорости охлаждения и содержания легирующих элементов. Gr11, с более низкой закаливаемостью, склонен образовывать более мелкий закаленный мартенсит/байнит при соответствующей термообработке; Gr22, будучи более легированным, достигает более высокой закаливаемости и сохраняет больше закаливаемой микроструктуры после аналогичного охлаждения.
Маршруты термообработки и эффекты: - Нормализация: Уточняет размер зерна и гомогенизирует микроструктуру; обе марки выигрывают от нормализации для улучшения ударной вязкости перед отжигом. - Закалка и отжиг (Q&T): Для плит SA387, предназначенных для высокой прочности, маршрут Q&T увеличивает предел текучести и прочность на разрыв; отжиг снижает остаточные напряжения и улучшает ударную вязкость. Gr22 достигает более высокой закаленной прочности при сопоставимых температурах отжига благодаря более высокому содержанию Cr–Mo. - Термомеханическая обработка: Контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение могут дополнительно уточнить размер зерна и улучшить ударную вязкость; эффект концептуально схож для обеих марок, но более высокая закаливаемость Gr22 делает контроль микроструктуры более чувствительным к скорости охлаждения.
Практические заметки: - Выбор температуры отжига критически важен для балансировки прочности при высоких температурах и ударной вязкости. Переотжиг снижает прочность; недоотжиг может оставить хрупкий мартенсит. Gr22 часто требует тщательного отжига, чтобы соответствовать как требованиям по ползучести, так и по ударной вязкости.
4. Механические свойства
Механическая производительность зависит от термообработки, толщины и температуры испытаний. Следующая таблица дает качественные сравнения и типичное направленное поведение, а не точные гарантированные значения; проектные спецификации и сертификаты завода определяют контрактные значения.
| Свойство | SA387 Gr11 (направленное) | SA387 Gr22 (направленное) |
|---|---|---|
| Прочность на разрыв | Умеренная; достаточная для умеренных повышенных температур | Выше; улучшенная прочность на разрыв благодаря более высокому содержанию Cr–Mo |
| Предел текучести | Умеренный | Выше |
| Удлинение (пластичность) | Обычно немного выше (более пластичный) | Немного ниже, чем у Gr11 при эквивалентном отжиге |
| Ударная вязкость (RT и низкая T) | Хорошая при нормализации/отжиге; вязкость легче достичь благодаря более низкой закаливаемости | Хорошая при правильной термообработке, но более чувствительна к тепловому воздействию и скорости охлаждения |
| Твердость (HRC/Бринелль) | Умеренная | Более высокая потенциальная твердость после закалки/отжига |
Почему возникают эти различия: - Более высокий Cr и Mo в Gr22 увеличивают закаливаемость и реакцию на отжиг, что приводит к более высокой прочности и твердости. Однако повышенная закаливаемость, как правило, снижает пластичность и может сделать достижение однородной вязкости более сложным, особенно в толстых секциях или при неправильной термообработке.
5. Свариваемость
Соображения по свариваемости включают содержание углерода, закаливаемость и наличие легирующих элементов, которые способствуют образованию мартенсита в зоне термического воздействия (HAZ).
Ключевые концепции и предсказательные формулы: - Используйте формулы эквивалента углерода для оценки потребностей в предварительном нагреве и постсварочной термообработке (PWHT). Одна из часто используемых формул эквивалента углерода: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Более консервативный параметр для конструкционных сталей — это параметр свариваемости $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация для SA387: - Gr22 имеет более высокий Cr и Mo, увеличивая $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ относительно Gr11. Это означает, что Gr22 более подвержен закалке HAZ и потенциальным холодным трещинам, если сварен без соответствующих мер предосторожности. - Практические последствия: - Предварительный нагрев часто требуется для обеих марок на более толстых секциях или при низких температурах окружающей среды, но Gr22 обычно требует более высокого предварительного нагрева и более строгого контроля. - PWHT (отжиг для снятия напряжений) обычно предписывается для Cr–Mo сталей, используемых при повышенных температурах, чтобы отжечь HAZ и восстановить сопротивление ползучести; температура PWHT и время выдержки обычно определяются кодом (например, ASME) и требованиями к обслуживанию. - Используйте сварочные материалы с низким содержанием водорода и квалифицированные процедуры; контролируйте температуру межпроходного шва и тепловое воздействие, чтобы избежать чрезмерной твердости HAZ.
6. Коррозия и защита поверхности
- Обе марки Gr11 и Gr22 являются нелегированными сталями и, следовательно, требуют защиты поверхности от атмосферной, химической или морской коррозии.
- Типичные стратегии защиты:
- Системы покраски/покрытия (эпоксидные, полиуретановые, вспененные для защиты от огня).
- Горячее цинкование возможно для некоторых форм продукции, но может не соответствовать требованиям к работе при высоких температурах или предписанному PWHT.
- Катодная защита, если используется в закопанных или морских условиях.
- Индексы нержавеющей стали: PREN не применим к Cr–Mo ферритным легированным сталям, поскольку PREN применяется к коррозионной стойкости аустенитных нержавеющих сталей: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Уточнение: Хотя Gr22 имеет более высокий Cr и Mo, чем Gr11, абсолютный уровень Cr (~2–2.25%) значительно ниже уровней нержавеющих сталей; он улучшает стойкость к окислению и ползучести при повышенных температурах, но не обеспечивает значительной общей коррозионной стойкости по сравнению с нержавеющими сталями.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: Обе марки обрабатываются аналогично другим среднелегированным сталям; Gr22 может быть немного более жестким и менее обрабатываемым, если поставляется в закаленном состоянии с высокой прочностью. Параметры инструмента и резки должны быть скорректированы в зависимости от твердости.
- Формуемость/гибкость: Пластичность достаточна для формовки в нормализованном/отожженном состоянии; Gr11, как правило, более прощает из-за несколько более высокой пластичности. Для холодной формовки проверьте твердость и отжиг; горячая формовка может потребоваться для сложных форм.
- Отделка поверхности: Шлифовка и отделка являются простыми, но требуется осторожность с генерацией тепла, чтобы избежать отжига или поверхностной закалки.
- Термообработка после изготовления: Компоненты, сваренные или сильно холодно обработанные, обычно требуют PWHT для соответствия механическим и ползучим требованиям для работы при высоких температурах.
8. Типичные применения
| SA387 Группа 11 (Gr11) | SA387 Группа 22 (Gr22) |
|---|---|
| Коллекторы котлов, барабаны и трубопроводы, работающие при умеренных повышенных температурах, где важны стоимость и свариваемость | Трубопроводы для высоких температур, такие как трубы супернагревателя и повторного нагревателя, и сосуды под давлением, требующие более высокой долговечной прочности и сопротивления ползучести |
| Теплообменники и ответственные части, где ожидаются умеренные температуры пара | Компоненты в нефтехимических и энергетических установках, работающих при более высоких температурах или давлениях пара, где необходима повышенная прочность на ползучесть |
| Фланцы, фитинги и плиты, где легче сварка и более низкое содержание легирующих элементов являются преимуществом | Толстые секции или компоненты с высоким напряжением, где критически важны закаливаемость и механические свойства при повышенных температурах |
Обоснование выбора: - Выбирайте Gr11, когда температура проектирования и требуемая прочность на ползучесть/разрыв находятся в пределах возможностей Gr11, когда важны легкость сварки и контроль затрат, и когда достаточно умеренной производительности при повышенных температурах. - Выбирайте Gr22, когда долговечная прочность при высоких температурах, сопротивление ползучести и более высокие допустимые напряжения при температуре оправдывают более высокую стоимость легирующих элементов и более строгий контроль за изготовлением.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: Gr22, как правило, дороже, чем Gr11 из-за более высокого содержания Cr и Mo (Mo является дорогим легирующим элементом). Ценовой премиум зависит от рыночных цен на Mo и Cr и формы (плита, труба, ковка).
- Доступность: Обе марки обычно производятся на заводах по производству плит и труб; Gr22 может быть немного менее доступен в некоторых размерах продукции и специализированных формах, но обе являются стандартными легированными категориями с широким промышленным предложением. Закупки должны подтвердить сроки поставки и проверить сертификаты завода на термообработки и результаты механических испытаний.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное):
| Критерий | SA387 Gr11 | SA387 Gr22 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (низкий CE) | Более требовательный (высокий CE) |
| Баланс прочности и вязкости | Хороший; легче достичь вязкости | Более высокая прочность; вязкость достижима с контролируемой термообработкой |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Рекомендации: - Выбирайте SA387 Gr11, если вам нужна экономически эффективная Cr–Mo легированная сталь для умеренной работы при повышенных температурах, предпочитаете легкость сварки и изготовления, и ваши требования к температуре проектирования и ползучести находятся в пределах возможностей Gr11. - Выбирайте SA387 Gr22, если приложение требует более высокой долговечной прочности на разрыв и ползучесть при повышенной температуре, более высокой закаливаемости для толстых секций или если ограничения по коду/температуре требуют более высокого содержания легирующих элементов, несмотря на более высокую стоимость материала и изготовления.
Заключительный практический совет: - Всегда указывайте точное требуемое состояние термообработки, параметры PWHT и критерии приемки (механические испытания, ударная энергия при требуемых температурах) в документах на закупку. - Требуйте отчеты о испытаниях на заводе и убедитесь, что сварочные процедуры (предварительный нагрев, межпроходной шов, расходные материалы, PWHT) квалифицированы для выбранной марки и толщины, чтобы достичь запланированной производительности в эксплуатации.