Tuyau en acier allié T91

Le tuyau en acier allié T91 est un type de tuyau en acier, l'acier T91 est un nouvel acier martensitique résistant à la chaleur développé en collaboration par le laboratoire national d'imagerie treeling et le laboratoire de matériaux métallurgiques de la société américaine d'ingénierie de combustion. Il s'agit de réduire la teneur en carbone sur la base de l'acier 121mov, de limiter strictement la teneur en soufre et en phosphore, d'ajouter une petite quantité d'éléments vanadium et niobium pour l'alliage. La composition chimique de l'acier T91 selon astm213 / a213m - 85C est donnée dans le tableau 1. Le numéro d'acier correspondant à l'acier T91 est x10crmovnnb91 en Allemagne, hcm95 au Japon et tuz10cdvnb0901 en France. Tableau 1 Composition chimique de l'acier T91%

T91 teneur en éléments de tuyau en acier allié

C 0,08 - 0,12

Mn 0,30 - 0,60

P ≤ 0,02

S ≤ 0,01

Si 0,20 - 0,50

CR 8,00 - 9,50

Mo 0,85 - 1,05

V 0,18 - 0,25

NB 0,06 - 0,10

N 0,03 - 0,07

Ni ≤ 0,40

Les éléments d'alliage de l'acier T91 jouent respectivement un rôle dans le renforcement en solution solide, le renforcement dispersif et l'amélioration de la résistance à l'oxydation de l'acier, les propriétés anticorrosion, l'analyse spécifique suivante.

① Le carbone est l'élément le plus évident du rôle de renforcement de la solution solide dans l'acier, avec l'augmentation de la teneur en carbone, la résistance à court terme de l'acier augmente, la plasticité, la ténacité diminue, pour le type d'acier martensitique T91, l'augmentation de la teneur en carbone accélérera la sphérisation des carbures et la vitesse d'agrégation, accélérera la redistribution des éléments d'alliage, réduira la soudabilité, la résistance à la corrosion et la résistance à l'oxydation de l'acier, de sorte que l'acier résistant à la chaleur souhaite généralement réduire la teneur en carbone, mais la teneur en carbone est trop faible L'acier T91 contient 20% moins de carbone que l'acier 12cr1mov, ce qui est déterminé en tenant compte de l'impact des facteurs ci - dessus.

② L'acier T91 contient des traces d'azote, le rôle de l'azote se reflète dans deux aspects. D'une part, joue le rôle de renforcement de la solution solide, la solubilité de l'azote dans l'acier à température normale est faible, la zone affectée thermiquement après soudage de l'acier T91 dans le chauffage de la soudure et le traitement thermique après soudage, apparaîtra successivement le processus de solution et de dégagement de VN: le tissu austénitique déjà formé dans la zone affectée thermiquement lors du chauffage de la soudure en raison de la dissolution de VN, la teneur en azote augmente, après quoi le degré de Sursaturation dans le tissu à température normale augmente, il y a un petit dégagement de VN dans le traitement thermique ultérieur après soudage, ce qui augmente la stabilité tissulaire et améliore la valeur de résistance durable de la zone affectée thermiquement. D'autre part, l'acier T91 contient également une petite quantité d'A1, l'azote peut former a1n avec lui, a1n au - dessus de 1 100 ℃ est dissous en grande quantité dans la matrice, à une température plus basse est redispersé, peut jouer un meilleur effet de renforcement de dispersion.

③ l'ajout de chrome est principalement d'améliorer la résistance à l'oxydation de l'acier résistant à la chaleur, la capacité anti - corrosion, lorsque la teneur en chrome est inférieure à 5%, 600 ℃ commence à oxyder violemment, tandis que la teneur en chrome jusqu'à 5% a une bonne résistance à l'oxydation. L'acier 12cr1mov a une bonne résistance à l'oxydation en dessous de 580 ℃, la profondeur de corrosion est de 0,05 mm / a, les performances commencent à devenir mauvaises à 600 ℃, la profondeur de corrosion est de 0,13 mm / a. La teneur en chrome de T91 est augmentée à environ 9%, la température d'utilisation peut atteindre 650 ℃, la principale mesure est de faire dissoudre plus de chrome dans la matrice.

④ vanadium et niobium sont des éléments de formation de carbure fort, peut former un carbure d'alliage mince et stable avec le carbone après l'ajout, a un fort effet de renforcement dispersif.

⑤ l'ajout de molybdène est principalement destiné à améliorer la résistance thermique de l'acier, joue un rôle de renforcement de la solution solide.

2.2 processus de traitement thermique

Le traitement thermique final de T91 est la normalisation + revenu à haute température, la température de normalisation est 1040 ℃, le temps d'isolation n'est pas moins de 10 minutes, la température de revenu est 730 ~ 780 ℃, le temps d'isolation n'est pas moins de 1H, le tissu après le traitement thermique final est martensitique revenu.

2.3 propriétés mécaniques

L'acier T91 a une résistance à la traction à température normale ≥ 585 MPa, une limite d'élasticité à température normale ≥ 415 MPa, une dureté ≤ 250 HB, un allongement (éprouvette circulaire standard de 50 mm) ≥ 20% et une valeur de contrainte admissible [σ] 650 ℃ = 30 MPa.

2.4 propriétés de soudage

L'équivalent carbone de T91 calculé selon la formule d'équivalent carbone recommandée par l'International Welding Society est

La soudabilité du T91 visible est mauvaise.

3 T91 problèmes lors du soudage

3.1 production de tissus durs trempés dans la zone affectée par la chaleur

On voit sur la figure 1 que la vitesse critique de refroidissement de T91 est faible, que l'austénite est très stable et qu'elle n'est pas susceptible de subir une transition perlitique normale au refroidissement et donc une transition martensitique au refroidissement à une température plus basse. C'est à cause de cela que T91 a une forte tendance à durcir et à craquer à froid.

Les différents tissus de la zone affectée thermiquement ayant des densités, des coefficients de dilatation et des formes de treillis différents s'accompagnent nécessairement de dilatations et de contractions volumiques différentes lors du chauffage et du refroidissement; D'autre part, parce que le chauffage de la soudure a des caractéristiques inégales et de haute température, le joint de soudage T91 est fortement contraint à l'intérieur.

Pour T91, l'austénite est très stable et doit être refroidie à une température plus basse (environ 400°C) pour devenir martensitique. Le tissu martensitique grossier est fragile et dur, et le joint est à son tour dans un état de stress complexe. Dans le même temps, lors du refroidissement de la soudure, l'hydrogène est diffusé par la soudure vers la zone de soudure rapprochée, la présence d'hydrogène favorise la fragilisation martensitique, le résultat de son action combinée, il est facile de créer des fissures froides dans la zone dure trempée.

3.2 croissance des grains dans la zone affectée par la chaleur

Le cycle thermique de soudage a un impact important sur la croissance des grains dans la zone affectée thermiquement de la tête de soudage, en particulier dans la zone de fusion immédiatement adjacente où la température de chauffage atteint son maximum. Lorsque la vitesse de refroidissement est faible, dans la zone affectée par la chaleur de soudage apparaîtra un tissu massif de ferrite et de carbure, de sorte que la plasticité de l'acier diminue considérablement; Lorsque la vitesse de refroidissement est élevée, elle peut également rendre les joints soudés moins plastiques en raison de la production de tissus martensitiques grossiers.

3.3 production de la couche adoucie

L'acier T91 est soudé à l'état tempéré, la zone affectée par la chaleur produisant une couche de ramollissement est inévitable et plus sévère que le ramollissement de l'acier perlitique résistant à la chaleur. Le degré de ramollissement est plus grand lorsqu'il est utilisé avec une spécification de vitesse de chauffage et de refroidissement plus lente. En outre, la largeur de la couche de ramollissement et sa distance de la ligne de fusion sont liées non seulement aux conditions de chauffage et aux caractéristiques de la soudure, mais également au préchauffage, au traitement thermique après soudage, etc. L'usine de chaudière de Harbin a effectué des essais pour déterminer la courbe de dureté de la zone affectée par la chaleur de soudage T91, voir la figure 2.

3.4 fissures de corrosion sous contrainte

L'acier T91 avant le traitement thermique après soudage, la température de refroidissement n'est généralement pas inférieure à 100 ℃, si refroidi à la température ambiante, et l'environnement est encore plus humide, il est facile d'apparaître des fissures de corrosion sous contrainte. Règlement allemand: il doit être refroidi à moins de 150 ° C avant le traitement thermique post - soudage. Dans le cas de pièces épaisses, de soudures angulaires et de mauvaises dimensions géométriques, la température de refroidissement n'est pas inférieure à 100 ° c. Si refroidi à température ambiante, l'humidité est strictement interdite, sinon il est facile de créer des fissures de corrosion sous contrainte.

Processus de soudage de l'acier 4 T91

4.1 choix de la température de préchauffage

Le point MS de l'acier T91 est d'environ 400 ℃, la température de préchauffage est généralement choisie entre 200 et 250 ℃. La température de préchauffage ne doit pas être trop élevée, sinon la vitesse de refroidissement du Joint diminue, ce qui peut provoquer un dégagement de carbure et la formation de tissus ferritiques aux joints de grains dans le joint soudé, ce qui réduit considérablement la ténacité à l'impact de ce joint soudé en acier à température ambiante. La limite inférieure de la température de préchauffage peut être bien illustrée par les essais de brochage effectués à la chaudière de Harbin.

Tige d'essai de goupille en acier T91, diamètre 8 mm, profondeur 0,5 mm, plaque de base en acier 13crmo, épaisseur 20 mm, l'essai est effectué sans préchauffage, préchauffage 150 ℃, préchauffage 200 ℃, préchauffage 250 ℃. Les électrodes de soudage sont en j707. Le courant de soudage est de 165 ~ 170 a, la tension d'arc est de 21 ~ 267 V, les résultats des essais sont présentés dans le tableau 2.

Tableau 2 Résultats des essais T91

Essais

Échantillon de condition

Niveau de stress

/ MPa temps de rupture

/ min

Sans préchauffage 1 303,8 9

2 186 8 237

3 176,4 8,3 1440 non cassé

Préchauffer 150 ℃ 4 421,4 8,1 1260

5 354,8 120 non cassé

Préchauffage 200 ℃ 6 465,2 8,6 1440 non interrompu

7 482,7 8,1 438

8 539 7,9 313

Préchauffage 250 ℃ 9 539 8.2 1440 non interrompu

10 600 8.0 1440 non cassé

Sachant, d'après les résultats des essais précédents, que la contrainte critique du joint soudé en acier T91 est de 176,4 MPa sans préchauffage; Préchauffée à 150°c, la contrainte critique est de 354,8 MPa, soit 85,4% de la limite d'élasticité normale à la température de 415 MPa pour l'acier T91; Au - dessus de 200 ° C de préchauffage, la contrainte critique est supérieure à 460 MPa, dépassant la limite d'élasticité à température normale de l'acier T91. Par conséquent, pour éviter les fissures froides lors du soudage de l'acier T91, la température de préchauffage ne doit pas être inférieure à 200 ℃, l'Allemagne spécifie la température de préchauffage de 180 ~ 250 ℃, la société américaine ce spécifie la température de préchauffage de 120 ~ 205 ℃.

4.2 choix de la température entre les couches

La température inter - couches ne doit pas être inférieure à la limite inférieure de la température de préchauffage, mais comme pour le choix de la température de préchauffage, la température inter - couches ne doit pas non plus être trop élevée. La température entre les couches lors du soudage T91 est généralement contrôlée à 200 ~ 300 ℃. Réglementation française: la température entre les couches ne dépasse pas 300°c. Règlement américain: la température entre les couches peut être comprise entre 170 ~ 230 ℃.

4.3 choix de la température de début du traitement thermique après soudage

T91 nécessite le refroidissement après soudage au - dessous du point MS et le maintien d'un certain temps avant le traitement de trempe, la vitesse de refroidissement après soudage est de 80 ~ 100 ℃ / H. sans isolation, le tissu austénitique du joint peut ne pas être complètement transformé, le chauffage de trempe provoquera la précipitation du carbure le long des joints de cristal austénitique, un tel tissu est fragile. Mais le T91 ne permet pas non plus de refroidir à la température ambiante après le soudage, car ses joints soudés risquent de créer des fissures froides lorsqu'ils sont refroidis à la température ambiante. Pour T91, la température de départ optimale est de 100 ~ 150 ℃, et la conservation de la chaleur pendant 1h peut assurer la transformation des tissus.

4.4 choix de la température de revenu, temps de thermostat, vitesse de refroidissement de revenu

La tendance à la fissuration à froid de l'acier T91 est plus grande, dans certaines conditions, il est facile de produire des fissures retardées, de sorte que le joint de soudage doit être traité dans les 24 heures suivant le soudage. L'Organisation de l'état après soudage T91 est martensite en bande de tôle, après trempe variable en martensite trempée, sa performance est supérieure à celle de la martensite en bande de tôle. Lorsque la température de trempe est basse, l'effet de trempe n'est pas évident, le métal de soudure est facilement vieilli et fragilisé; La température de revenu est trop élevée (au - delà de la ligne ac1) et le joint peut à son tour être austénitisé et trempé à nouveau lors du refroidissement ultérieur. Dans le même temps, la détermination de la température de trempe tient également compte de l'influence de la couche de ramollissement du joint, comme cela a été décrit ici précédemment. En général, la température de revenu T91 est de 730 ~ 780 ℃.

Le temps de thermostat de revenu après soudage T91 n'est pas inférieur à 1 h pour garantir la transformation complète de son tissu en martensite de revenu.

Pour réduire les contraintes résiduelles des joints soudés en acier T91, il est nécessaire de contrôler leur vitesse de refroidissement inférieure à 5°C / min. Le procédé de soudage de l'acier T91 peut être représenté sur la figure 3.

① préchauffer 200 ~ 250 ℃; ② soudure, la température entre les couches 200 ~ 300 ℃; ③ refroidissement après soudage, la vitesse est de 80 ~ 100 ℃ / h; ④ 100 ~ 150 ℃ isolation 1 h; ⑤ 730 ~ 780 ℃ revenu 1 h; ⑥ refroidissement à une vitesse d'au plus 5 ℃ / min

5 Exemples d'applications d'acier T91 dans les centrales thermiques de la province du Guangdong

Le premier centre de formation en soudage de l'administration provinciale de l'électricité du Guangdong a évalué le processus de soudage pour le soudage bout à bout du tube T91 de Φ42 mm × 5 mm. La température de préchauffage prise est de 200 ℃, le refroidissement après soudage à 150 ℃, l'isolation thermique après 1h pour le revenu, la température de revenu est de 750 ~ 780 ℃, l'isolation thermique pendant 1H, la vitesse de montée et de descente de la température est inférieure à 5 ℃ / min. Après le soudage de l'échantillon d'essai pour l'inspection de l'apparence, l'inspection de la coupure, le contrôle non destructif, l'essai de traction et de flexion, les résultats sont tous qualifiés, ce qui indique également que le processus de soudage ci - dessus est éprouvé.

Le processus de soudage ci - dessus a été appliqué avec succès à l'usine de Sand Point a, à l'anneau extérieur du réchauffeur à haute température de l'usine Meixian. Après l'application de l'acier T91 dans ces centrales, la fréquence des accidents dus à la surchauffe, etc., est considérablement réduite.

6 Conclusion

① l'acier T91 repose sur le principe de l'alliage, en particulier l'ajout d'une petite quantité de niobium, de vanadium et d'autres éléments traces, la résistance à haute température et la résistance à l'oxydation sont plus élevées que l'acier 12 cr1mov, mais ses performances de soudage sont médiocres.

② L'essai de broche montre que l'acier T91 a une grande tendance à la fissuration à froid, choisissez le préchauffage 200 ~ 250 ℃, la température entre les couches 200 ~ 300 ℃, peut effectivement empêcher la formation de fissures à froid.

③t91 après le traitement thermique de soudage avant, il doit être refroidi à 100 ~ 150 ℃, 1 h d'isolation; température de revenu 730 ~ 780 ℃, pas moins de 1 h d'isolation.

④ au - dessus du processus de soudage a été appliqué dans la pratique de production de la chaudière de 200 MW, 300 MW pour obtenir des résultats satisfaisants et obtenir de grands avantages économiques. Le tube d'acier est une longue bande d'acier avec une section creuse et aucun joint sur le périmètre. Les tuyaux en acier ont une section creuse et sont largement utilisés comme tuyaux pour transporter des fluides, tels que le pétrole, le gaz naturel, le gaz, l'eau et certains matériaux solides. Le tube d'acier par rapport à l'acier solide tel que l'acier rond, lorsque la résistance à la torsion en flexion est la même, le poids est plus léger, c'est un acier de section économique, largement utilisé pour fabriquer des pièces structurelles et des pièces mécaniques, telles que des tiges de forage pétrolier, des arbres de transmission automobile, des supports de vélo et des échafaudages en acier utilisés dans la construction de bâtiments, etc. La fabrication de pièces annulaires avec des tubes en acier peut améliorer l'utilisation des matériaux, simplifier le processus de fabrication, économiser des matériaux et des heures de travail de traitement, tels que les viroles de roulement, les douilles de vérin, etc., ont été largement fabriqués avec des tubes en acier. Le tube d'acier est également un matériau indispensable pour toutes sortes d'armes conventionnelles, le canon, le canon, etc. doivent être fabriqués en tube d'acier. Les tubes en acier peuvent être divisés en tubes ronds et profilés selon différentes formes de section transversale. Comme la surface du cercle est maximale à périmètre égal, plus de fluide peut être transporté avec un tube circulaire. En outre, la section circulaire est soumise à une force plus uniforme lorsqu'elle est soumise à une pression radiale interne ou externe, de sorte que la grande majorité des tubes en acier sont des tubes ronds. Formule de calcul du poids du tube en alliage: [(diamètre extérieur - épaisseur de paroi) * épaisseur de paroi] * 002466 = kg / M (poids par mètre)