لوله های فولادی T91

لوله فولادی آلیاژ T91 یک نوع لوله فولادی است، فولاد T91 یک نوع جدید از فولاد مقاوم در برابر گرما است که توسط آزمایشگاه ملی ایالات متحده مانند آزمایشگاه ریج و آزمایشگاه مواد فلزی شرکت مهندسی سوختن ایالات متحده توسعه یافته است. این کاهش میزان کربن بر اساس فولاد 121MoV، به شدت محدود کردن میزان گوگرد، فسفر، اضافه کردن مقدار کمی ونادیوم، نیوبیوم برای آلیاژ کردن است. بر اساس ASTM213/A213M-85C، ترکیب شیمیایی فولاد T91 در جدول 1 ذکر شده است. شماره فولاد T91 در آلمان X10CrMoVNNb91، ژاپن HCM95 و فرانسه TUZ10CDVNb0901 است. جدول 1 درصد ترکیب شیمیایی فولاد T91

عناصر لوله فولادی آلیاژ T91

C 0.08-0.12

میلی متر 0.30-0.60

P ≤0.02

S ≤0.01

سی 0.20-0.50

کران 8.00-9.50

ماه 0.85-1.05

V 0.18-0.25

ناب 0.06-0.10

N 0.03-0.07

نیم ≤0.40

عناصر آلیاژ مختلف در فولاد T91 به ترتیب تقویت محلول جامد، تقویت پراکنده و افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی فولاد را انجام می دهند، تجزیه و تحلیل خاص به شرح زیر است.

1 کربن روشن ترین عنصر تقویت کننده محلول جامد در فولاد است، با افزایش مقدار کربن، افزایش قدرت کوتاه مدت فولاد، پلاستیک، کاهش استحکام، برای T91 مانند فولاد مارسیتی، افزایش مقدار کربن سرعت کربید و تجمع را تسریع می کند، توزیع مجدد عناصر آلیاژ را تسریع می کند، کاهش جوشکاری، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر اکسیداسیون فولاد، بنابراین فولاد مقاوم در برابر گرما به طور کلی می خواهد مقدار کربن را کاهش دهد، اما کربن بسیار پایین است، قدرت فولاد کاهش خواهد فولاد T91 در مقایسه با فولاد 12Cr1MoV 20٪ کاهش میزان کربن دارد که با توجه به تاثیر عوامل فوق تعیین شده است.

فولاد T91 حاوی مقدار کمی نیتروژن است و اثر نیتروژن در دو جنبه منعکس می شود. از یک طرف نقش تقویت محلول جامد، محلول نیتروژن در فولاد در دمای عادی بسیار کوچک است، منطقه تأثیر حرارتی پس از جوشکاری فولاد T91 در جریان گرمایش جوشکاری و درمان حرارتی پس از جوشکاری، محلول جامد و فرآیند تخلیه VN را به ترتیب ظاهر می کند: بافت آستین در منطقه تأثیر حرارتی هنگام گرمایش جوشکاری به دلیل تخلیه VN تشکیل شده است، میزان نیتروژن افزایش می یابد، پس از آن سطح اشباع بیش از حد در بافت دمای عادی افزایش می یابد، در درمان حرارتی بعد از جوشکاری تخلیه VN کوچک وجود دارد، که ثبات بافت را افزایش می دهد از سوی دیگر، فولاد T91 همچنین حاوی مقدار کمی از A1 است، نیتروژن می تواند A1N را تشکیل دهد، A1N در بیش از 1100 درجه سانتیگراد به مقدار زیادی در ماتریس محلول می شود، در دمای پایین تر دوباره تخریب می شود، می تواند اثر تقویت پراکنده بهتری داشته باشد.

اضافه کردن کروم عمدتاً برای بهبود مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی فولاد مقاوم در برابر گرما است، هنگامی که مقدار کروم کمتر از 5٪ است، 600 ℃ شروع به اکسیداسیون شدید می کند، در حالی که مقدار کروم تا 5٪ مقاومت در برابر اکسیداسیون خوب دارد. فولاد 12Cr1MoV دارای مقاومت خوب در زیر 580 درجه سانتیگراد است، عمق خوردگی 0.05 میلی متر / سال است، عملکرد 600 درجه سانتیگراد شروع به بد شدن می کند، عمق خوردگی 0.13 میلی متر / سال است. محتوای کروم T91 به حدود 9٪ افزایش یافته و دمای استفاده می تواند به 650 درجه سانتیگراد برسد، اقدام اصلی این است که کروم بیشتری در ماتریس محلول شود.

وانادیوم و نیوبیوم عناصر تشکیل کننده کربید قوی هستند و پس از اضافه شدن می توانند کربید آلیاژ کوچک و پایدار را با کربن تشکیل دهند و اثر تقویت پراکنده بسیار قوی دارند.

② اضافه کردن مولیبدن عمدتا برای افزایش مقاومت حرارتی فولاد است و نقش تقویت محلول جامد را ایفا می کند.

2.2 فرآیند حرارتی

درمان حرارتی نهایی T91 آتش مثبت + حرارت بالا است، دمای آتش مثبت 1040 درجه سانتیگراد، زمان عایق کمتر از 10 دقیقه، دمای آتش 730 تا 780 درجه سانتیگراد، زمان عایق کمتر از 1 ساعت، بافت نهایی پس از درمان حرارتی آتش مارسیت است.

۲.۳ ویژگی های مکانیکی

مقاومت کششی در دمای عادی فولاد T91 ≥585 MPa، مقاومت تسلیم در دمای عادی ≥415 MPa، سختی ≤250 HB، کشش (نمونه دایره استاندارد با فاصله 50 میلی متر) ≥20٪، استرس مجاز [σ] 650 ℃ = 30 MPa.

2.4 کارایی جوشکاری

معادل کربن T91 با توجه به فرمول معادل کربن توصیه شده توسط انجمن جوشکاری بین المللی

قابلیت جوشکاری T91 کمتر است.

مشکلات هنگام جوشکاری T91

3.1 تولید بافت های سخت شده در منطقه تأثیر حرارتی

از شکل 1 می توان دید که سرعت خنک کننده بحرانی T91 پایین است، استحکام آستیتیک بسیار زیاد است، تغییر مروارید طبیعی در زمان خنک شدن آسان نیست، بنابراین تغییر مارتیتیک در زمان خنک شدن به دمای پایین تر رخ می دهد. به همین دلیل است که T91 به شدت سخت و سرد می شود.

از آنجا که بافت های مختلف منطقه تأثیر حرارتی دارای تراکم متفاوت، ضریب انبساط و شکل های مختلف شبکه های کریستالی هستند، در فرآیند گرمایش و خنک کردن، انبساط و انقباض حجم متفاوت همراه خواهد بود. از سوی دیگر، از آنجا که گرمایش جوشکاری دارای ویژگی های نابرابر و دمای بالا است، فشار داخلی اتصال جوشکاری T91 بسیار زیاد است.

برای T91، آستین بسیار پایدار است و برای تبدیل به مارتین باید تا دمای پایین تر (حدود 400 درجه سانتیگراد) خنک شود. بافت های بزرگ مارسیتی شکننده و سخت هستند و اتصالات تحت فشار پیچیده قرار دارند. در عین حال، هیدروژن در فرآیند خنک کردن درز جوش از درز جوش به منطقه نزدیک درز گسترش می یابد، وجود هیدروژن باعث شکنندگی مارتیسیت می شود، نتیجه ترکیب آن، به راحتی در منطقه سخت شدن ترک های سرد ایجاد می شود.

3.2 رشد دانه در منطقه تأثیر حرارتی

چرخه گرمایی جوشکاری تاثیر قابل توجهی بر رشد دانه در منطقه تأثیر گرمایی سر جوشکاری دارد، به ویژه در نزدیکی منطقه ذوب که دمای گرمایش به بالاترین حد می رسد. هنگامی که سرعت خنک شدن کمتر است، در منطقه تأثیر حرارتی جوشکاری، فیرومید بلوک و بافت کربید بزرگ ظاهر می شود، که باعث کاهش قابل توجهی پلاستیک فولاد می شود. سرعت خنک کردن بالا، به دلیل تولید بافت مارسیتی بزرگ، همچنین باعث کاهش پلاستیکی اتصالات جوشکاری می شود.

3.3 تولید لایه های نرم

فولاد T91 در حالت تنظیم جوشکاری، منطقه تأثیر حرارتی تولید لایه های نرم کننده اجتناب ناپذیر است، و نرم شدن فولاد مقاوم در برابر حرارت مروارید جدی تر است. هنگامی که سرعت گرمایش و خنک کردن آهسته تر است، نرم تر می شود. علاوه بر این، عرض لایه نرم کننده و فاصله آن از خط ذوب، نه تنها با شرایط و ویژگی های گرمایش جوشکاری، بلکه با پیش گرمایش، درمان حرارتی پس از جوشکاری و غیره مرتبط است. کارخانه دیگ بخار هاربین در مورد منحنی سختی منطقه تأثیر حرارتی جوشکاری T91 آزمایش کرده است، به شکل 2 مراجعه کنید.

3.4 ترک خوردگی استرس

فولاد T91 قبل از درمان حرارتی بعد از جوشکاری، دمای خنک کننده به طور کلی کمتر از 100 درجه سانتیگراد نیست، اگر در دمای اتاق خنک شود، و محیط زیست نسبتاً مرطوب باشد، به راحتی شکاف خوردگی استرس را ایجاد می کند. قوانین آلمان: قبل از پردازش حرارتی پس از جوشکاری باید تا زیر 150 درجه سانتیگراد خنک شود. در شرایط ضخیم تر، جوشکاری زاویه ای و اندازه هندسی بد، دمای خنک کننده کمتر از 100 درجه سانتیگراد نیست. اگر در دمای اتاق خنک شود، رطوبت به شدت ممنوع است، در غیر این صورت به راحتی شکاف های خوردگی استرس ایجاد می شود.

فرآیند جوشکاری فولاد T91

4.1 انتخاب درجه حرارت

نقطه Ms فولاد T91 حدود 400 درجه سانتیگراد است و دمای پیش گرمایش معمولاً 200 تا 250 درجه سانتیگراد انتخاب می شود. دمای پیش گرمایش نمی تواند بیش از حد بالا باشد، در غیر این صورت سرعت خنک کردن اتصال کاهش می یابد، ممکن است در اتصال جوشکاری باعث ریخته شدن کربید در کریستال و تشکیل بافت فیریتی شود، در نتیجه مقاومت ضربه اتصال جوشکاری فولادی را در دمای اتاق به طور قابل توجهی کاهش می دهد. محدودیت پایین دمای پیش گرمایش از آزمایش پلاگین در کارخانه دیگ بخار هاربین به خوبی توضیح داده شده است.

میله آزمایش پلاگین از فولاد T91 با قطر 8 میلی متر و عمق 0.5 میلی متر استفاده می شود و صفحه پایین از فولاد 13CrMo با ضخامت 20 میلی متر استفاده می شود و آزمایش در شرایط بدون پیش گرمایش، پیش گرمایش 150 ℃، پیش گرمایش 200 ℃، پیش گرمایش 250 ℃ انجام می شود. جوشکاری از J707 استفاده می شود. جریان جوشکاری 165 تا 170 A و ولتاژ قوس 21 تا 267 ولت است و نتایج آزمایش در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 2 نتایج آزمایش T91

آزمایش

شرایط نمونه

سطح استرس

زمان شکستن MPa

/ دقیقه

بدون گرمایش 1 303.8 9 9

۲ ۱۸۶ ۸ ۲۳۷

3 176.4 8.3 1440 قطع نشده

پیش گرمایش 150 ℃ 4 421.4 8.1 1260

5 354.8 120 قطع نشده

پیش گرمایش 200 ℃ 6 465.2 8.6 1440 قطع نشده

7 482.7 8.1 438

8 539 7.9 313

پیش گرمایش 250 ℃ 9 539 8.2 1440 قطع نشده

10 600 8.0 1440 قطع نشده

با توجه به نتایج آزمایش بالا، فشار بحرانی اتصالات جوشکاری فولادی T91 در شرایط بدون پیش گرمایش 176.4 MPa است. هنگام پیش گرمایش 150 درجه سانتیگراد، فشار بحرانی 354.8 MPa است که 85.4٪ از حد تسلیم دمای عادی فولاد T91 415 MPa است. هنگام پیش گرمایش بالای 200 درجه سانتیگراد، فشار بحرانی بیش از 460 MPa است که از حد تسلیم دمای عادی فولاد T91 فراتر می رود. بنابراین، برای جلوگیری از تولید ترک سرد در هنگام جوشکاری فولاد T91، دمای پیش گرمایش نباید کمتر از 200 درجه سانتیگراد باشد، دمای پیش گرمایش آلمان 180 تا 250 درجه سانتیگراد است و شرکت CE ایالات متحده دمای پیش گرمایش 120 تا 205 درجه سانتیگراد را مشخص می کند.

4.2 انتخاب درجه حرارت

دمای بین لایه ها نباید کمتر از حد پایین دمای پیش گرمایش باشد، اما همانطور که انتخاب دمای پیش گرمایش، دمای بین لایه ها نیز نباید بیش از حد بالا باشد. دمای بین لایه های جوشکاری T91 معمولاً 200 تا 300 درجه سانتیگراد کنترل می شود. قوانین فرانسه: دمای بین لایه ها بیش از 300 درجه سانتیگراد نباشد. مقررات ایالات متحده: دمای بین لایه ها می تواند بین 170 تا 230 درجه سانتیگراد باشد.

4.3 انتخاب دمای شروع درمان حرارتی پس از جوشکاری

T91 نیاز به خنک کردن بعد از جوشکاری به زیر نقطه Ms و نگه داشتن یک زمان خاص برای درمان آتش سوزی، سرعت خنک کردن پس از جوشکاری 80 ~ 100 ℃ / ساعت. اگر عایق نشود، بافت آستین اتصال ممکن است به طور کامل تغییر نداشته باشد، گرمایش آتش سوزی باعث رسوب کربید در امتداد کریستال آستین می شود، این بافت شکننده است. با این حال، بعد از جوشکاری T91 اجازه نمی دهد تا تا دمای اتاق خنک شود و بعد از آن آتش بزند، زیرا اتصالات جوشکاری آن در هنگام خنک شدن به دمای اتاق خطر ایجاد ترک های سرد را دارند. برای T91، بهترین دمای شروع 100 تا 150 درجه سانتیگراد و عایق 1 ساعت است که اساساً می تواند اطمینان حاصل کند که بافت به پایان رسیده است.

4.4 انتخاب دمای آتش، زمان دمای ثابت، سرعت خنک کننده آتش

فولاد T91 دارای تمایل به ترک شدن سرد است و در شرایط خاص به راحتی به ترک شدن تاخیر می رسد، بنابراین اتصالات جوشکاری باید در عرض 24 ساعت پس از جوشکاری مورد درمان قرار گیرند. T91 پس از جوشکاری بافت مارسیت صفحه ای است، پس از آتش سوزی می تواند به مارسیت آتش سوزی تبدیل شود، عملکرد آن از مارسیت صفحه ای برتر است. هنگامی که دمای آتش سوزی پایین است، اثر آتش سوزی واضح نیست، فلز جوشکاری به راحتی قدیمی و شکننده است؛ با دمای بیش از حد بالا (بیش از خط AC1)، اتصالات ممکن است دوباره آستینیت شوند و در فرآیند خنک کننده بعدی دوباره سخت شوند. در عین حال، همانطور که در این مقاله در بالا ذکر شد، تعیین دمای آتش زدن نیز باید تاثیر لایه نرم کردن اتصال را در نظر بگیرد. به طور کلی، دمای آتش T91 بین 730 تا 780 درجه سانتیگراد است.

زمان ثابت حرارت پس از جوشکاری T91 کمتر از 1 ساعت است تا اطمینان حاصل شود که بافت آن به طور کامل به مارسنیت آتش زده تبدیل می شود.

برای کاهش فشار باقیمانده اتصالات جوشکاری فولادی T91، سرعت خنک کننده آن باید کمتر از 5 ℃ / دقیقه کنترل شود. فرآیند جوشکاری فولاد T91 را می توان در شکل 3 نشان داد.

گرمایش 200 تا 250 درجه سانتیگراد؛ جوشکاری، دمای بین لایه ها 200 تا 300 ℃؛ خنک کننده پس از جوشکاری، سرعت 80 تا 100 ℃ / ساعت؛ سرسرعت عایق 1 ساعت در درجه حرارت 100 تا 150 ℃؛ سرعت 1 ساعت در درجه حرارت 730 تا 780 ℃؛ سرعت خنک کننده بیش از 5 ℃ / دقیقه

5 نمونه کاربرد فولاد T91 در نیروگاه های حرارتی در استان گوانگدونگ

اولین مرکز آموزش جوشکاری اداره برق استان گوانگدونگ، ارزیابی فرآیند جوشکاری برای اتصال لوله های T91 با قطر Φ42 mm × 5mm را انجام داده است. دمای پیش گرمایش 200 درجه سانتیگراد است، پس از جوشکاری به 150 درجه سانتیگراد خنک می شود، عایق 1 ساعت پس از آتش سوزی، دمای آتش سوزی 750 تا 780 درجه سانتیگراد، عایق 1 ساعت، سرعت سرد شدن کمتر از 5 درجه سانتیگراد / دقیقه است. بعد از جوشکاری، آزمایش ظاهر نمونه، بازرسی قطع، آزمایش بدون آسیب، کشش و خم شدن، نتایج واجد شرایط است که نشان می دهد که فرآیند جوشکاری فوق موثر است.

فرآیند جوشکاری بالا با موفقیت در حلقه خارجی گرمایشگر درجه حرارت بالا نیروگاه A و نیروگاه ME استفاده شده است. پس از استفاده از فولاد T91 در این نیروگاه ها، فرکانس حوادث ناشی از دمای بیش از حد به طور قابل توجهی کاهش یافته است.

6 نتیجه گیری

فولاد T91 بر اساس اصل آلیاژ سازی، به ویژه اضافه کردن مقدار کمی از نیوبیوم، وانادیوم و عناصر ریز، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون فولاد 12 Cr1MoV بهبود زیادی دارد، اما عملکرد جوشکاری آن ضعیف است.

آزمایش پلاگین نشان می دهد که فولاد T91 تمایل بیشتری به ترک سرد دارد، انتخاب پیش گرمایش 200 تا 250 درجه سانتیگراد، دمای بین لایه 200 تا 300 درجه سانتیگراد، می تواند به طور موثر از تولید ترک سرد جلوگیری کند.

قبل از درمان حرارتی بعد از جوشکاری T91، باید تا 100 تا 150 درجه سانتیگراد خنک شود و 1 ساعت عایق شود؛ دمای آتش 730 تا 780 درجه سانتیگراد، زمان عایق کمتر از 1 ساعت باشد.

فرایند جوشکاری بالا در عملیات تولید بویلر 200 MW و 300 MW استفاده شده است تا نتایج رضایت بخش و منافع اقتصادی بیشتری را بدست آورد. لوله فولادی یک نوار فولادی طولانی با قطعه حفره و بدون درز در اطراف است. لوله های فولادی دارای قطعه های خالی هستند که به عنوان لوله های حمل مایعات مانند لوله های حمل نفت، گاز، گاز، آب و برخی مواد جامد استفاده می شوند. لوله های فولادی در مقایسه با فولاد جامد مانند فولاد دایره، در همان زمان مقاومت در برابر خم شدن، وزن کمتر، یک فولاد مقطع اقتصادی است که به طور گسترده ای برای تولید قطعات ساختاری و قطعات مکانیکی مانند حفاری نفت، محور انتقال خودرو، چرخه دوچرخه و چرخه فولادی در ساخت و ساز استفاده می شود. تولید قطعات حلقه ای با لوله های فولادی، می تواند بهبود استفاده از مواد، ساده سازی فرآیند تولید، صرفه جویی در مواد و زمان پردازش، مانند لوله های لوله کشی، کیلوجیک و غیره، در حال حاضر به طور گسترده ای از لوله های فولادی تولید شده است. لوله های فولادی یا مواد ضروری برای سلاح های متعارف، لوله های تفنگ، توپ و غیره باید لوله های فولادی برای تولید. لوله های فولادی با توجه به شکل منطقه مقطع متفاوت می توانند به لوله های دایره ای و لوله های متنوع تقسیم شوند. از آنجا که در شرایط مساوی محیط دایره بزرگترین مساحت دارد، می توان مایعات بیشتری را با لوله های دایره حمل کرد. علاوه بر این، قطعات دایره ای در برابر فشار شعاعی داخلی یا خارجی به طور یکنواخت تحت تأثیر قرار می گیرند، بنابراین اکثر لوله های فولادی لوله های دایره ای هستند. فرمول محاسبه وزن لوله آلیاژ: [(قطر خارجی - ضخامت دیوار) * ضخامت دیوار] * 0.02466 = کیلوگرم / متر (وزن در هر متر)