T91 против T92 – Состав, Термальная Обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
T91 и T92 — две близкородственные ферритно-мартенситные хром-молибденовые стали (с модификацией вольфрамом), широко используемые в оборудовании для энергогенерации и нефтехимии при высоких температурах. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с дилеммой выбора между ними, обусловленной компромиссом между ползучестью, свариваемостью, стойкостью к окислению/коррозии и стоимостью материала. Типичные ситуации выбора включают подбор материала трубы или трубки для работы с продвинутыми параметрами пара, выбор материала для поковок или фитингов для эксплуатации при повышенных температурах и балансирование затрат жизненного цикла с трудностями изготовления.
Основное отличие между ними — стратегия легирования: T92 (в некоторых стандартах также обозначается как P92) содержит значительное количество вольфрама и корректирует содержание молибдена и микроэлементов для повышения ползучей прочности и микроструктурной стабильности при более высоких температурах, тогда как T91 больше полагается на молибден с несколько более простой составной формулой. Такая смена легирования приводит к различной закаливаемости, поведению при отпуске и области применения, из-за чего эти марки часто сравнивают при проектировании компонентов и закупках материалов.
1. Стандарты и обозначения
- Распространённые обозначения ASTM/ASME:
- T91: ASTM A387 Grade 91 (лист), A335 Grade P91 (бесшовная труба), A213 TP91 (трубка) — обычно упоминаются как Grade 91 / P91.
- T92: ASTM A387 Grade 92, A335 Grade P92, A213 T92 — обычно упоминаются как Grade 92 / P92.
- Европейские и другие стандарты:
- EN: эквиваленты 9Cr сталей встречаются под обозначениями EN (но прямые послойные соответствия редки).
- JIS/GB: локальные обозначения 9Cr сталей с аналогичным химическим составом часто применяются в Азии.
- Классификация сталей: обе марки являются легированными ферритно-мартенситными сталями, не нержавеющими и не инструментальными, обычно относятся к группе высокопрочных легированных сталей с повышенной ползучестью (HSLA/термостойкие).
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице ниже представлены типичные диапазоны содержания элементов (в мас. %) для каждой марки. Точные пределы зависят от конкретного стандарта/спецификации и формы выпуска.
| Элемент | T91 (типичный диапазон, мас.%) | T92 (типичный диапазон, мас.%) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.70 | 0.20–0.50 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.5–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | 0.85–1.05 | 0.45–0.65 |
| W | — (следы) | 1.8–2.5 |
| V | 0.18–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | следы | следы |
| B | следы* | следы* |
| N | ~0.03–0.06 | ~0.03–0.06 |
* Бор (B) и азот (N) являются контрольными элементами; бор добавляется в очень малых ppm для влияния на закаливаемость и ползучесть.
Влияние легирования на свойства: - Хром (Cr) обеспечивает стойкость к окислению и повышает прочность ферритной матрицы. - Молибден (Mo) увеличивает прочность и сопротивление ползучести за счёт упрочнения твердым раствором и образования карбидов; у T91 содержание Mo выше, чем у T92. - Вольфрам (W) в T92 частично замещает Mo, повышая прочность при высоких температурах и стабилизируя карбиды при более высоких рабочих температурах. - Ванадий (V) и ниобий (Nb) образуют стабильные карбиды и нитриды, которые уточняют зерно и улучшают ползучую прочность; они также влияют на свариваемость и поведение зоны термического влияния (ЗТВ). - Углерод контролирует баланс твёрдости и вязкости, а также образование мартенсита; содержание поддерживается на умеренном уровне для баланса свариваемости и прочности.
3. Микроструктура и отклик на термообработку
Типичные микроструктуры - В нормализованном и отпущенном состоянии обе марки развивают отпущенный мартенсит с высокой плотностью мелких карбидов и карбонитридов (обогащённых V и Nb). Такая структура мартенситных тавров обеспечивает сочетание прочности и вязкости, необходимое для работы при повышенных температурах. - T92, как правило, образует более мелкие и устойчивые карбидные распределения при высоких температурах из-за стабилизирующего эффекта вольфрама; это способствует улучшенной ползучей и отпускной стойкости на верхнем пределе рабочих температур.
Реакция на термообработку - Нормализация: обе марки обычно нормализуют (воздушное охлаждение) из диапазона температур около ~980–1050 °C (параметры процесса согласно стандарту) для уточнения зерна предшествующего аустенита. - Закалка и отпуск: отпуск после нормализации при температурах обычно между 700–760 °C формирует отпущенный мартенсит. Более высокий отпуск снижает твёрдость и увеличивает вязкость, но может уменьшать ползучую прочность. - Термо-механические методы: контролируемая прокатка и термомеханическая обработка (для труб/листов) уточняют зерно и плотность дислокаций; T92 особенно выигрывает от тщательного контроля для оптимального распределения осадков, поскольку содержание вольфрама влияет на кинетику осаждения.
4. Механические свойства
Механические свойства существенно зависят от термообработки и формы выпуска. В таблице приведены типичные диапазоны значений для нормализованного и отпущенного состояния, часто используемого в компонентах электростанций.
| Свойство (типично, состояние N&T) | T91 | T92 |
|---|---|---|
| Предел текучести (0,2% смещение) | ~350–450 MPa (типичные минимумы по спецификации ~415 MPa) | ~400–550 MPa (в ряде случаев верхние значения выше) |
| Временное сопротивление | ~560–700 MPa | ~600–750 MPa |
| Относительное удлинение (A%) | ~18–25% | ~15–22% |
| Ударная вязкость (Charpy-V, комнатная температура) | средняя; зависит от надреза и термообработки (например, от десятков Дж до >40 Дж) | сопоставима, иногда немного ниже из-за большей закаливаемости; зависит от отпуска |
| Твёрдость (HRC/HB) | умеренная (отпущенная) | слегка выше при сопоставимом отпуске за счет W |
Интерпретация: - T92 обычно разрабатывается с целью обеспечить более высокую ползучую прочность и лучшее сохранение прочности при повышенных температурах по сравнению с T91, при этом имеет несколько повышенную закаливаемость и в некоторых случаях несколько сниженную вязкость или пластичность при комнатной температуре при одинаковом отпуске. - Для компонентов с одинаковой отпускной схемой T92 чаще демонстрирует более высокую временную и ползучую прочность, тогда как T91 может предложить несколько лучшую пластичность и более простую обработку в ряде производственных сценариев.
5. Свариваемость
Закаливаемость и особенности сварки - Оба материала — T91 и T92 — требуют контролируемых сварочных процедур: электроды с низким содержанием водорода, подогрев, контроль межслойной температуры и послеварочная термообработка (PWHT) для отпуска ЗТВ и снятия остаточных напряжений. - Из-за повышенной закаливаемости (вольфрам в T92 увеличивает закаливаемость) T92 может потребовать более строгий подогрев и контроль PWHT, чтобы избежать образования мартенситных трещин в ЗТВ. Микроэлементы (V, Nb) и содержание углерода тоже повышают склонность к твёрдому ЗТВ и холодным трещинам при наличии водорода.
Полезные индексы свариваемости (качественная интерпретация) - Часто используется эмпирический индекс IIW для эквивалента углерода: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Более высокий $CE_{IIW}$ означает большую закаливаемость и необходимость усиленного подогрева и PWHT. - Более комплексный индекс $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - $P_{cm}$ помогает прогнозировать склонность к холодным трещинам; более высокие значения означают больший риск.
Качественный вывод: - Для обеих марок необходим PWHT; T92 обычно требует более высокого подогрева и тщательного режима PWHT из-за присутствия вольфрама и коррекции содержания Mo, которые немного повышают $CE$ и $P_{cm}$. Квалификация сварочных процедур и контроль водорода обязательны для аппаратов работающих под давлением.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни T91, ни T92 не являются нержавеющими сталями; они ферритные стали с умеренной стойкостью к высокотемпературному окислению за счёт Cr. В условиях пара и высокотемпературных окислительных сред они образуют защитные оксидные слои, однако подвержены окислению на стороне пара, карбюризации и сульфидированию в зависимости от условий эксплуатации.
7. Производство, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: обе стали труднее обрабатывать, чем обыкновенные углеродистые стали. T92, благодаря более высокому содержанию вольфрама и склонности сохранять твердость, более требовательна к инструменту, требует снижения скоростей резания и применения прочного инструмента.
- Формуемость: холодное деформирование и гибка ограничены; детали обычно формуют в нормализованном состоянии с последующей отпускной термообработкой. Глубокая вытяжка не типична; предпочтительно горячее формование с последующей нормализацией и отпуском для крупных поковок.
- Финишная обработка: шлифование и полирование возможны, но инструмент изнашивается быстрее, чем при обработке низколегированных сталей. Тепловая обработка после формования и сварки необходима для восстановления желаемых отпущенных мартенситных свойств.
8. Типичные применения
| Типичные применения T91 | Типичные применения T92 |
|---|---|
| Трубки котлов, коллекторы, паропроводы в обычных и современных установках с умеренными и высокими температурами пара | Трубки и коллекторы подогревателей и повторных подогревателей, паропроводы и компоненты для установок ультрасуперкритического класса, где требуется повышенная ползучесть |
| Коллекторы, отводы и фитинги для установок с проектными температурами до ~600 °C | Компоненты для условий пара с более высокими температурами (например, 600–650 °C) и с более длительным ресурсом по ползучести |
| Трубки теплообменников, футеровка печей для работы при умеренно высоких температурах | Новые компоненты для A-USC, крупногабаритные отливки и кованые детали, где приоритет — повышенная стойкость к ползучести |
| Запасные части для устаревших систем, где важны доступность, стоимость и простота изготовления | Критически важные компоненты с длительным сроком службы, где оправдана высокая стоимость материала с точки зрения жизненного цикла |
Обоснование выбора: - Выбирайте T91 для проверенных приложений в энергетике при нескольких более низких температурах, где важна простота изготовления и низкая стоимость материала. - Выбирайте T92, когда приоритетом являются проектная температура, ресурс по ползучести и сохранение прочности при повышенной температуре, а также когда процессы закупки и изготовления способны обеспечить более строгие требования к сварке и термообработке.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: T92 обычно дороже T91 из-за добавления вольфрама и более жёсткого контроля технологических процессов. Надбавка варьируется в зависимости от рынка и формы продукции.
- Доступность: T91 находится в эксплуатации дольше и исторически доступна шире в виде труб, листа, поковок. Спрос на T92 растет с развитием передовых паровых установок, но в некоторых размерных группах и по срокам поставки может оставаться более ограниченной.
- Формы продукции: обе марки доступны в виде бесшовных и сварных труб, листа, поковок и фитингов; для критичных закупок рекомендуем уточнять наличие и сроки поставки у поставщиков.
10. Итоги и рекомендации
| Критерий | T91 | T92 |
|---|---|---|
| Свариваемость (трудности процедуры) | Хорошая при применении квалифицированных низководородных процедур; немного проще, чем у T92 | Более требовательна из-за повышенной закаливаемости; требует более строгого преднагрева и послесплавочной термообработки |
| Соотношение прочность — вязкость | Высокая прочность и хорошая вязкость при стандартных отпусках | Повышенная прочность при высоких температурах и устойчивость к ползучести; возможно незначительное снижение пластичности и вязкости при неправильной обработке |
| Стоимость | Ниже (как правило) | Выше (как правило) |
Рекомендации: - Выбирайте T91, если необходима проверенная, экономичная 9Cr сталь с устойчивостью к ползучести для работы с паром при высоких температурах в пределах подтверждённой области применения марки, и когда важны простота изготовления и доступность. - Выбирайте T92, если проект требует превосходной долгосрочной прочности на ползучесть и микроструктурной стабильности в верхнем диапазоне высокотемпературной эксплуатации (например, для передовых или ультрасуперкритических условий пара), и вы способны обеспечить более строгие требования к сварке, термообработке и закупкам.
Заключительное замечание: обе марки требуют тщательного задания термообработки, квалификации сварочных процедур и контроля для обеспечения надежной и долговечной работы. Для критичных высокотемпературных компонентов рекомендуется проводить испытания ползучести на уровне изделий, оценку поставщиков и анализ стоимости жизненного цикла в рамках процесса выбора.