T91高圧鋼管の品質保証
T91鋼は、米国国立エレファントリッジ研究所と米国燃焼工学会社の冶金材料研究所によって開発された新しいタイプのマルテンサイト耐熱鋼です。9Cr1MoV鋼をベースに、炭素含有量を減らし、硫黄とリンの含有量を厳しく制限し、合金化のために少量のバナジウムとニオブを追加します。
T91鋼に対応するT91シームレス鋼管の鋼種は、ドイツではx10crmovnnb91、日本ではhcm95、フランスではtuz10cdvnb0901です。
要素の内容
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
T91鋼の各合金元素は、固溶体強化、分散強化、および鋼の耐酸化性と耐食性の向上の役割を果たします。具体的な分析は以下のとおりです。
①炭素は、鋼の固溶体強化の最も明白な要素です。炭素含有量の増加に伴い、鋼の短期強度が増加し、塑性と靭性が低下します。T91などのマルテンサイト鋼の場合、炭素含有量の増加は炭化物の球状化と凝集を加速し、合金元素の再分布を加速し、鋼の溶接性、耐食性、耐酸化性を低下させます。そのため、耐熱鋼は一般的に炭素含有量を減らしたいと考えていますが、炭素含有量が少なすぎると鋼の強度が低下します。12Cr1MoV鋼と比較して、T91鋼の炭素含有量は20％減少します。これは、上記の要因の影響を包括的に考慮して決定されます。
②T91鋼には微量窒素が含まれており、窒素の役割は2つの側面に反映されています。一方では、固溶体強化の役割を果たします。室温での鋼への窒素の溶解度は非常に小さい。溶接加熱と溶接後熱処理の過程で、T91鋼の溶接後熱影響部でVN固溶と析出過程が連続して発生します。溶接加熱中に熱影響部に形成されたオーステナイト構造により、窒素含有量が増加します。 VNの溶解、その後常温構造の過飽和度が増加します。その後の溶接後熱処理では、微細なVN析出があり、微細構造の安定性が向上し、熱影響部の持続強度が向上します。一方、T91鋼にも少量のA1が含まれています。窒素はそれと一緒にA1Nを形成することができます。A1Nは、1100℃を超えるとマトリックスに溶解し、低温で再び析出するため、優れた分散強化効果が得られます。
③クロムの添加は、主に耐熱鋼の耐酸化性と耐食性を向上させることです。クロム含有量が5％未満の場合、600℃で激しく酸化し始めますが、クロム含有量が5％までの場合、優れた耐酸化性を示します。12Cr1MoV鋼は580℃以下で耐酸化性に優れ、腐食深さは600℃で0.05mm / A、性能が低下し始め、腐食深さは0.13mm / Aです。T91のクロム含有量は約9％で使用温度は650℃に達することができます。主な対策は、マトリックスにより多くのクロムを溶解することです。
④バナジウムとニオブは強力な炭化物形成元素です。添加後、炭素と微細で安定した炭化合金を形成することができ、強力な分散強化効果があります。
⑤ モリブデンは主に鋼の熱強度を向上させ、固溶体強化の役割を果たすために添加されます。
T91の最終熱処理は、焼ならし+高温焼戻しです。焼ならし温度は1040℃、保持時間は10分以上、焼戻し温度は730〜780℃、保持時間は1時間以上です。最終熱処理後の微細構造は強化マルテンサイトです。
室温≥585MPaでのT91鋼の引張強度、室温≥415MPaでの降伏強度、硬度≤250Hb、伸び（ゲージ距離50 mmの標準円形サンプル）≥20％、許容応力値[σ] 650℃= 30MPa。
国際溶接協会が推奨する炭素当量式によると、T91の炭素当量は
T91の溶接性が悪いことがわかります。
T91鋼はコールドクラックの傾向が大きく、特定の条件下でクラックが遅れる傾向があります。したがって、溶接継手は溶接後24時間以内に強化する必要があります。溶接後のT91の微細構造はプレートとストリップのマルテンサイトであり、焼き戻し後に焼き戻しマルテンサイトに変化する可能性があり、その特性はプレートとストリップのマルテンサイトよりも優れています。焼戻し温度が低い場合、焼戻し効果は明らかではなく、溶接金属は老化および脆化しやすい。焼戻し温度が高すぎる場合（AC1ラインを超える場合）、接合部は再びオーステナイト化され、その後の冷却プロセスで再び硬化する可能性があります。同時に、この論文で前述したように、焼戻し温度の決定では、接合部軟化層の影響を考慮する必要があります。一般的に、T91の焼戻し温度は730〜780℃です。
溶接後のT91の焼戻し一定温度時間は、その構造が焼戻しマルテンサイトに完全に変化することを保証するために、1時間以上でなければなりません。
T91鋼溶接継手の残留応力を低減するためには、冷却速度を5℃/分未満に制御する必要があります。T91鋼の溶接プロセスを図3に示します。
200〜250℃に予熱します。②溶接、中間層温度200〜300℃。③溶接後の冷却、速度80〜100℃/ h; ④100〜150℃で1時間。⑤730〜780℃で1時間焼戻し。⑤5℃/分以下の速度で冷却します。
T91鋼は合金化の原理に依存しており、特にニオブやバナジウムなどの微量元素を少量添加しています。高温強度と耐酸化性は12cr1mov鋼に比べて大幅に改善されていますが、溶接性能は劣っています。
ピンテストは、T91鋼がコールドクラックの大きな傾向を持っていることを示しています。予熱200〜250℃、中間層温度200〜300℃を選択することで、コールドクラックを効果的に防ぐことができます。
T91は、溶接後の熱処理の前に1時間100〜150℃に冷却する必要があります。焼戻し温度730〜780℃、保持時間1時間以上。
上記の溶接プロセスは、200MWおよび300MWのボイラーの製造および製造方法に適用されており、満足のいく結果と大きな経済的利益が得られています。
