T91 против P91 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

T91 и P91 — это два названия, с которыми часто сталкиваются инженеры, специфицирующие материалы для высокотемпературных электростанций и промышленных паровых приложений. Оба термина относятся к одной и той же группе жаропрочных мартенситных/ферритных сталей класса 9Cr–1Mo, используемых для давления, работающего при повышенных температурах; однако обозначения и последствия для закупок различаются. Инженеры, выбирая между двумя, обычно учитывают такие факторы, как предполагаемая форма продукта (трубка против трубы), применимый код или стандарт, квалификация сварочной процедуры и доступность региональной цепочки поставок.

Основное практическое различие связано со стандартами и формой продукта: «T91» обычно используется в спецификациях труб (например, ASME SA‑213), в то время как «P91» встречается в спецификациях труб (например, ASME SA‑335) и в некоторых региональных схемах наименования. Металлургически они по сути одинаковы, это 9Cr–1Mo–V–Nb класс, и именно поэтому их часто сравнивают или рассматривают как взаимозаменяемые в проектировании и закупках.

1. Стандарты и обозначения

• ASTM/ASME:
• ASME SA‑213 T91 — бесшовные ферритные легированные стальные трубы для котлов, супернагревателей и теплообменников.
• ASME SA‑335 P91 — бесшовные ферритные легированные стальные трубы для высокотемпературного применения.
• EN / Европейские:
• EN 10216‑2 / EN 10222 класс, часто обозначаемый как X10CrWMoVNb9‑2 (материал № 1.4903) — европейское обозначение для сопоставимых сталей 9Cr.
• JIS (Япония) / GB (Китай):
• Нет единого прямого эквивалента JIS; японские стандарты могут перечислять аналогичные стали 9Cr, но отличаются по химическим пределам и практике термообработки.
• Китайские стандарты GB предлагают сопоставимые классы 9Cr–1MoV; местные обозначения и пределы термообработки могут варьироваться.
• Классификация: Эти сплавы являются низколегированными жаропрочными сталями (не нержавеющими) и в практике классифицируются как жаропрочные ферритные/мартенситные стали (в стиле HSLA с точки зрения стратегии упрочнения, но разработаны для прочности при повышенных температурах).

2. Химический состав и стратегия легирования

Семейство 9Cr–1Mo достигает баланса прочности при высоких температурах, стойкости к ползучести и свариваемости в первую очередь за счет хрома для устойчивости к окислению и закаливания, молибдена для прочности на ползучесть и упрочнения в твердом растворе, а также микроалюминирования с V/Nb для стабилизации карбидов и контроля роста зерна. Типичные диапазоны состава следуют отраслевой практике:

Как стратегия легирования влияет на производительность: - Cr (8–9.5%) увеличивает устойчивость к окислению и способствует стабильности закалки и закаляемости. - Mo (≈1%) улучшает прочность на ползучесть и препятствует восстановлению; важно для долгосрочных высокотемпературных свойств. - V и Nb образуют карбиды и карбонитриды, которые фиксируют микроструктуру и препятствуют росту зерна во время воздействия высоких температур, улучшая срок службы при ползучести. - Контролируемый C необходим для прочности через мартенситную трансформацию и образование карбидов; поддерживается на достаточно низком уровне для обеспечения приемлемой свариваемости. - Небольшое количество B улучшает свойства при ползучести в некоторых партиях, в то время как N и Ti/Nb контролируют химию осаждения.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичная микроструктура и обработка: - В состоянии нормализации: после аустенитирования (нормализации), за которым следует контролируемое охлаждение и закалка, образуется закаленная мартенситная микроструктура. Микроструктура состоит из закаленных мартенситных пластинок с разбросанными карбидами M23C6 и мелкими карбонитридами MX (V/Nb). - Нормализация + закалка: стандартный путь для разработки характерного сочетания прочности и ударной вязкости. Нормализация растворяет вредные фазы и восстанавливает зерновую структуру; закалка оптимизирует прочность/ударную вязкость и стабилизирует карбиды. - Подход закалки и закалки: аналогичен нормализации/закалке для этих низколегированных сталей; степень закалки контролируется, чтобы избежать чрезмерного остаточного аустенита. - Термомеханическая обработка (TMT): графики прокатки и контролируемое охлаждение могут уточнить размер зерна аустенита и улучшить ударную вязкость без ущерба для прочности при высоких температурах. - Различия в реакции: нет внутреннего металлургического различия между T91 и P91 — различия в свойствах возникают из-за точной температуры/времени термообработки и термомеханической истории, указанной в стандарте продукта. Правильная термообработка после сварки (PWHT) имеет решающее значение для восстановления закалки и снятия остаточных напряжений.

4. Механические свойства

Механические свойства варьируются в зависимости от формы продукта, термообработки и производителя. Типичные диапазоны для нормализованных и закаленных секций сталей 9Cr–1Mo:

Что сильнее/жестче/более пластично: - На практике T91 и P91 металлургически эквивалентны; различия в измеренных свойствах обусловлены температурой термообработки, временем закалки и толщиной секции. Правильно нормализованный и закаленный материал обеспечит ожидаемую прочность при высоких температурах и адекватную ударную вязкость при комнатной температуре. Более толстые секции и недостаточная закалка приводят к повышенной твердости и сниженной вязкости.

5. Свариваемость

Соображения по свариваемости вытекают из углеродного эквивалента и высокой закаляемости от Cr, Mo, V и микроалюминирования. Общие индексы, используемые для прогнозирования потребностей в предварительном нагреве и PWHT:

• Углеродный эквивалент Международного института сварки: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Эквивалент Pcm для предсказуемости восприимчивости к холодным трещинам: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация и практика: - Рассчитанные CE и $P_{cm}$ для сталей 9Cr–1Mo обычно указывают на умеренную до высокую закаляемость по сравнению с углеродными сталями. Это подразумевает обязательные контролируемые сварочные процедуры: предварительный нагрев, ограничения температуры между проходами и полное PWHT для восстановления закалки и минимизации местного мартенсита и остаточных напряжений. - Как T91, так и P91 требуют квалифицированных сварочных расходных материалов и PWHT в соответствии с кодом (например, ASME), чтобы достичь приемлемой вязкости и свойств при ползучести в сварных швах и зонах термического влияния. - Из-за схожей химии свариваемость по сути одинакова для T91 и P91, но спецификация сварочной процедуры должна соответствовать коду продукта (трубка против трубы) и толщине.

6. Коррозия и защита поверхности

• Это не нержавеющие стали; коррозионная стойкость ограничена улучшенной устойчивостью к окислению при повышенной температуре из-за содержания Cr. Они не предназначены для коррозионных сред без защиты.
• Общие защиты: покраска, высокотемпературные покрытия, огнеупорная облицовка и в некоторых случаях оцинковка перед эксплуатацией (с учетом температурных ограничений). Для паровых/энергетических приложений контроль химии внутренней воды/пара является обычной стратегией контроля коррозии.
• Формула PREN (для нержавеющей производительности) не применима к T91/P91, но для полноты: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — этот индекс применяется к нержавеющим сталям и не имеет смысла для ферритных сталей 9Cr–1Mo.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: Умеренная сложность. Более высокая прочность и наличие карбидов снижают обрабатываемость по сравнению с мягкими сталями. Используйте острые инструменты, жесткие установки и соответствующие скорости резания. Рекомендуется использование карбидных инструментов для производственной работы.
• Формуемость: Ограниченная; значительное холодное формование не рекомендуется. Предпочтительны горячая обработка и контролируемая прокатка во время производства. Сгибание и формование готового нормализованного и закаленного материала требуют тщательного контроля процесса; локализованная деформация может привести к трещинам.
• Финишная обработка: Шлифовка и обработки поверхности являются стандартными; тепловое воздействие во время сварки и обработки может изменить местную закалку и потребовать последующего PWHT или местной закалки.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте обозначение труб и соответствующих поставщиков, когда геометрия компонента и код требуют труб ASME SA‑213 T91 (например, спиральные трубы супернагревателя). - Выбирайте обозначение трубы, когда специфицируете бесшовные/высокотемпературные трубы по ASME SA‑335 P91 для главных паровых/энергетических трубопроводов. - В обоих случаях решающими техническими критериями являются рабочая температура, проектное напряжение/требование к ползучести, свариваемость/возможности PWHT и соответствие коду.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: Стали 9Cr–1Mo дороже, чем обычные углеродные стали и стали 1¼Cr–Mo из-за легирующих элементов и более строгого контроля процесса. Среди них T91/P91 является премиум низколегированным классом.
• Доступность по форме продукта: Трубки T91 широко производятся для рынков котлов и теплообменников; доступность труб P91 надежна в основных промышленных регионах, но сроки поставки могут варьироваться. Европейские заводы могут поставлять материалы, эквивалентные EN, под другим обозначением; закупка должна указывать как химические/термообрабатывающие требования, так и точный стандарт (ASME против EN), чтобы избежать несоответствий.
• Долгосрочные позиции: бесшовные трубы P91 большого диаметра или толстостенные и тяжелые конструкции могут иметь длительные сроки поставки и должны планироваться заранее в процессе закупки.

10. Резюме и рекомендации

Выводы: - Выбирайте T91, если вы специфицируете или закупаете трубки (трубки котлов/супернагревателей/теплообменников), и код требует ASME SA‑213 T91 или эквивалентные формы труб. Используйте T91, где требуется форма продукта, допустимые размеры и практики производства труб. - Выбирайте P91, если вы специфицируете бесшовные трубы, фитинги или детали под давлением в соответствии с кодами, такими как ASME SA‑335 P91, или если процессы закупки и инспекции ориентированы на трубные продукты. Используйте P91 для главных паровых линий и трубопроводов под давлением, где код трубы и квалификация сварочной процедуры написаны для P91.

Заключительная практическая заметка: металлургически T91 и P91 относятся к одной и той же группе 9Cr–1Mo; следовательно, решение в инженерном проектировании или закупках должно основываться на требуемой форме продукта, применимом стандарте/коде и последующих процедурах обработки и сварки, а не на предполагаемых различиях в производительности материалов. Всегда указывайте точные пределы химии, требуемую термообработку (параметры нормализации и закалки), PWHT и механические критерии приемки в документах на закупку, чтобы обеспечить воспроизводимую производительность в эксплуатации.