Технические новинки Vol.17

Vol.17: TRUSTARC™ CM-95B91 (E9015-B91) и TRUSTARC™ CM-96B91 (E9016-B91) применяется для жаропрочных сталей ASTM T91/P91, используемых в термальных электростанциях.

1. Предисловие

В наши дни 60% электроэнергии во всем мире вырабатывается из ископаемых источников, таких как уголь, нефть и природный газ, как показано на Иллюстрации 1, и по прогнозам, эта пропорция сохранится и после 2020 года.

Поскольку выработка термальной электроэнергии из ископаемых источников поднимает такие вопросы, как сбережение ресурсов и снижение расходов, а также сокращение выбросов углекислого газа(CO₂), способы повышения эффективности производства электроэнергии давно являются предметом интенсивных исследований. В настоящее время эффективность выработки тепловой электроэнергии повышают путем нагнетания высокотемпературного пара в энерготурбины под высоким давлением, что, очевидно, означает, что стальные материалы используются в жестких условиях. Один из типов стали, разработанных для работы в подобных жестких условиях - это высокохромистая ферритная жаропрочная сталь с содержанием хрома от 9 до 12 %.

Поскольку коэффициент теплового расширения этой стали меньше, чем у аустенитной жаропрочной стали, высокохромистая ферритная жаропрочная сталь находит большее применение в тепловой энергетике, для которой характерны многократные остановки и возобновление операций в связи с колебаниями спроса на электроэнергию. Типичная высокохромистая ферритная жаропрочная сталь - ASTM T91 и P91 (модифицированная сталь 9Cr-1Mo, далее именуемая T91/P91), которая используется в парогенераторах многих тепловых электростанций.

Компания Kobe Steel разработала и представила на рынок сварочные материалы для стали T91/P91, в частности, серии 9Cb, которые применяются на тепловых электростанциях в Японии уже десятки лет, а также серии B9, которые соответствуют спецификации AWS. В данном выпуске говорится о последних тенденциях в международных стандартах, а также о покрытых электродах для дуговой сварки TRUSTARC™ CM-95B91 и TRUSTARC™ CM-96B91, недавно разработанных в соответствии со спецификацией AWS A5.5: 2014 для стали T91/P91.
[Направление торговли опущено позднее.]

2. Последние тенденции в международных стандартах

Таблица 1: тенденции ASME B31.1

Год	Содержание Mn+Ni (% массы)	Высший предел температуры PWHT для производства (°C)		Ссылка (Год пересмотра)
		Рекомендуемые условия	Обязательные условия
2008 и ранее	Не установлено	760	Ac1 основного металла: около 800	Таблица 132 P-No. 5B Группа No. 1→Группа No. 2 (2007)
2009-2013	Присадочный металл: неизвестно	775	Ac1 основного металла: около 800	Таблица 132 P-No. 15E Группа No. 1 (2009)
	1.0 ≤Присадочного металла < 1.50	790
	Присадочного металла < 1.0	800
2014 и позже	Присадочного металла < 1.2	775	Ac1 основного металла: около 800, для присадочного металла A1 or A c1*2	Таблица 132 P-No. 15E Группа No. 1 (2014)
	< 1.0*1	-		125.1.3 (2014) Для ремонта литых изделий
Note: *1 B9: SMAW, SAW, GTAW и FCAW *2 A1 или Ac1 присадочного металла определяется путем анализа и расчета или фактического измерения.

Таблица 2: AWS B9/B91 trends

Год	Верхний предел содержания Mn+Ni в наплавленном металла*1(% массы)	Верхний предел температуры PWHT при классификационных испытаниях (°C)	Ссылка (Год пересмотра)*2
2004 и ранее	Не установлено*3	759 (SMAW) или 760	B9: SMAW, GMAW, GTAW (1996), SAW (1997)
2005-2010	1.5 или 1.50	775	B9: GMAW, GTAW (2005), SMAW (2006), SAW (2007), FCAW (2010)
2011 и позже	1.40	775	B9 исключено →B91 заново определенное B91: SAW (2011), FCAW (2012), SMAW (2014)*4
Note: *1 Химический состав проволоки или прутков при сварке GMAW или GTAW *2 Спецификации AWS No.: SMAW: A5.5; SAW A5.23; GMAW & GTAW: 5.28; FCAW: A5.36. *3 Указанный верхний предел суммарного содержания Mn и Ni - 2,25. *4 Обсуждение пересмотра для GMAW и GTAW продолжается в 2015 году

Таблица 3: тренды ASME (другие спецификации)

Год	Верхний предел содержания Mn+Ni (% массы)	Высший предел температуры PWHT для производства (°C)	Ссылка
2012	1.0*1	-	Дополнение 2192-8 B9 для ремонта литых изделий
2013	1.2*2	-	Сек. I, PW-5.4, B9 Для баростойких элементов
Note: *1 SMAW, SAW, GTAW и FCAW *2 SMAW, SAW, GTAW, FCAW и GMAW

Таблица 4: Тенденции в опубликованных отчетах EPRI

Год	Верхний предел содержания Mn+Ni (% массы)	Высший предел температуры PWHT для производства (°C)	Ссылка
2011	1.00 (FCAW: 1.50)	770	Доклад No. 1023199 SMAW, SAW, FCAW, GMAW/GTAW
2014	-*1	-	Доклад No. 3002003472 Предложение по оптимизации химических составов для стали P91
	-	-*2	Доклад No. 3002004370 Предложение по руководству производственным процессом для стали P91
2015	1.00*4 (FCAW: 1.50*4)	770*4	Доклад No. неизвестен*3SMAW, SAW, FCAW, GMAW/GTAW
Note: *1 Установленный верхний предел суммарного содержания Mn и Ni - 0,70. *2 Верхний предел температуры отпуска 770 °C. *3 Обсуждается пересмотр Доклада No. 1023199 (2011). *4 Расчетные цифры по *3, как показано выше

Международные стандарты для сварочных материалов для сталей T91/P91значительно изменились за последние десять лет. Главные изменения касаются требований по содержанию марганца Mn + никеля Ni, а также температуры послесварочной термообработки (PWHT), которая тесно связана с содержанием Mn+Ni. В Таблицах 1 и 3 показано, как модифицировались стандарты Американского общества инженеров-механиков (производственный стандарт ASME), тогда как в Таблице 2 представлены стандарты AWS (Стандарт для сварочных материалов), а в Таблице 4 - стандарты Института электроэнергетических исследований (промышленной организации EPRI).

Для сварных соединений стали T91/P91 незаменима послесварочная термообработка с целью снижения остаточного напряжения.Однако сопротивление разрушению при ползучести и/или ударная вязкость этих сварочных металлов могут оказаться нестабильными, если температура послесварочной термообработки PWHT превышает их температуру превращения (A_c1 ), так как это может вызвать начало формирования свежей мартенситной* микроструктуры.

*Свежий мартенсит может сформироваться в процессе мартенситной трансформации, происходящей во время высокотемпературной аустенитной фазы, когда температура падает из-за послесварочной термообработки при температуре выше A_c1 . Свежий мартенсит демонстрирует такие же свойства высокой прочности / низкой пластичности, как и обычный мартенсит, так как он не подвергался закаливанию посредством послесварочной термообработки PWHT.

По указанным выше причинам, предел ① содержания Mn+Ni и ② температуры послесварочной обработки РWHT постоянно пересматривался во всех стандартах. Общим для всех стандартов является предотвращение формирования свежего мартенсита.

Новейшие версии типичных международных стандартов содержат следующие определения:
・ASME (B31.1: 2014) ① 1.2 %; ② A₁ или A_c1
・AWS (A5.5: 2014) ① 1.40 %; ② 775 °C
・Отчет EPRI (No. 2023199: 2011) ① 1.00 %; ② 770 °C

Может возникнуть вопрос, каким образом производятся международные замеры температуры A_c1 . ASTM A1033-04 определяет метод измерения точки превращения углеродистой стали и низколегированной стали. Однако ни один из международных стандартов не определяет условия испытаний, такие как метод измерения или скорость повышения или понижения температуры с целью замера Ас1 для высокохромистых ферритных жаропрочных сталей.

Компания Kobe Steel часто вела дискуссии по этим условиям, и в конце концов круговые испытания для сталей T91/P91 были приняты Международным институтом сварки (IIW) в 2013 году. Мы были единственным в мире производителем сварочных материалов, принявшим в них участие.

3. CM-95B91 (AWS A5.5 E9015-B91) и CM-96B91 (AWS A5.5 E9016-B91)

Японские законы и нормативные правила устанавливают максимальную температуру послесварочной термообработки PWHT в 760°C для сталей T91/P91. Так как материалы Kobe Steel серии 9Cb, в частности, CM-9Cb (AWS A5.5 E9016-G), TG-S9Cb (AWS A5.28 ER90S-G) были протестированы и признаны соответствующими для температуры PWHT, превышающей A_c1 и достигающей 780°C⁽²⁾, их продолжают рекомендовать для проектов в Японии.

Компания Kobe Steel внесла в комиссию AWS A5 предложение модифицировать спецификации для серии 9Cb, в частности максимальную температуру послесварочной термообработки PWHT в 760°C при классификационных испытаниях.

С другой стороны, как отмечено выше, температура послесварочной термообработки PWHT в 760°C или выше в настоящее время определена в новейших международных стандартах и запрашивается многими производителями для новых зарубежных проектов, которые должны вестись в соответствии с такими международными стандартами как AWS, ASME, EPRI.В ответ на это компания Kobe Steel недавно разработала покрытые электроды CM-95B91 (E9015-B91) и CM-96B91 (E9016-B91).Электрод CM-95B91 предназначен для использования с постоянным током (DC), тогда как CM-96B91 рекомендуется для переменного тока (AC.)

3.1 Свойства электродов CM-95B91 и CM-96B91

Эти покрытые электроды были разработаны с целью удовлетворить следующим трем требованиям.
(1) Не допустить образования свежей мартенситной микроструктуры даже при температуре послесварочной обработки PWHT в 760°C или выше.
(2) Предотвратить сохранение остаточного δ феррита (снижающего долгосрочное сопротивление разрушению при ползучести) в наплавленном металле.
(3) Обеспечить долгосрочное сопротивление разрушению при ползучести наплавленного металла равное или высшее, чем у стали T91/P91.

Электроды CM-95B91 и CM-96B91 разработаны для поддержания низшего предела температуры послесварочной термообработки PWHT, определенной в AWS, то есть 745 °C (=760-15).В Таблице 5 приведены типичные химические составы наплавленных металлов для этих электродов, а также новейшие спецификации AWS A5.5: 2014

Таблица 5: Химические составы наплавленных металлов CM-95B91 и CM-96B91 (% массы)

	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Co	Cr	Mo	V	Nb	Al	N	Mn+Ni	N/Al	X bar*3, ppm
CM-95B91	0.10	0.20	0.64	0.008	0.004	0.02	0.10	0.40	8.20	0.90	0.20	0.05	<0.01	0.03	0.74	14	7
CM-96B91	0.10	0.21	0.63	0.008	0.004	0.03	0.10	0.40	8.45	0.98	0.19	0.05	<0.01	0.03	0.73	15	7
AWS A5.5:2014 E901X-B91*1	0.08 - 0.13	0.30 max.	1.20 max.	0.01 max.	0.01 max.	0.25 max.	0.80 max.	*2	8.0 - 10.5	0.85 - 1.20	0.15 - 0.30	0.02 - 0.10	0.04 max.	0.02 - 0.07	1.40 max.	(4 min.)	(15 max.)
Note: *1 Величина X в E901X должна составлять 5 (только для DC) или 6 (DC или AC). *2 О преднамеренном добавлении должно быть заявлено *3 X bar = (10P + 5Sb + 4Sn + As)/100 (ppm)

3.1.1 Оптимальные добавки Mn и Ni

Из-за высокого содержания хрома Cr (элемента, формирующего феррит) в сварочных материалах для сталей T91/P91, δ феррит, который понижает долгосрочное сопротивление разрушению при ползучести, склонен к сохранению в сварочном металле. Таким образом, путем добавления Mn+Ni создается эффективный химический состав, который предотвращает сохранение δ феррита в сварочном металле (3).С другой стороны, как показано на Иллюстрации 2, добавление компонента Mn+Ni понижает A_c1 , что приводит к повышенному риску формирования свежего мартенсита.

На Иллюстрации 3 приведено соотношение между содержанием Mn и Ni и временем до разрушения при ползучести наплавленного металла для стали T91/P91. Видно, что Mn оказывает меньшее по сравнению с Ni воздействие на время до разрушения при ползучести, которое становится более продолжительным по мере сокращения содержания Ni.Считается, что большая долговечность при ползучести зависит от задержки восстановления решетчатой микроструктуры.

Поэтому электроды CM-95B91 и CM-96B91 разработаны с содержанием минимального количества Ni, необходимого для понижения остаточного δ феррита, достаточного количества Mn, чтобы общее содержание Mn+Ni составляло до 1,0 %.

3.1.2 CNB (баланс эквивалента Cr ‒ эквивалента Ni)

В Докладе EPRI No. 1023199 указано, что продукты из стали Т91/P91 должны обладать мартенситной однофазной структурой без δ феррита, чтобы обеспечить сопротивление разрушению при ползучести, и рекомендован расчет индекса по нижеприведенному уравнению⁽⁴⁾:

CNB = (эквивалент Cr) – (эквивалент Ni)
= (Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb+9Ti+12Al) –
(40C+30N+4Ni+2Mn+1Cu)
< 10 % (% массы)

Электроды CM-95B91 и CM-96B91 также разработаны в соответствии с вышеуказанным индексом CNB, так что долгосрочное сопротивление разрушению при ползучести может поддерживаться путем сокращения содержания остаточного δ феррита в наплавленном металле. Более того, помимо Mn и Ni добавляется также кобальт Co, что также снижает содержание остаточного δ феррита в наплавленном металле. На Иллюстрации 4 показано соотношение между содержанием Mn+Ni и Co и A_c1 (измеренного значения) и A₁ (рассчитанного с помощью программы Thermo-calc.) в наплавленном металле стали T91/P91. Очевидно, что Co не понижает A_c1 и A₁ , даже при добавлении вместе с Mn и Ni.

Микроструктура наплавленного металла электрода CM-95B91 показана на Фото 1.На снимке видна однородная мартенситная однофазовая микроструктура без δ феррита и свежего мартенсита.

Метод измерения A_c1 , описанный в этой статье, задействует повышение температуры цилиндрического образца и использует высокоточный светодиодный излучающий прибор для обнаружения изменений в диаметре (удлинение и сокращение) по мере повышения температуры. Точность этого метода была подтверждена в ходе продвинутого предварительного исследования⁽⁵⁾.

3.2 Механические свойства

Соотношение между характеристиками прочности и параметром тепловой обработки, известным как параметр Ларсона-Миллера (LMP), в наплавленном металле CM-95B91 показано на Иллюстрации 5, а соотношение между ударными свойствами и LMP - на Иллюстрации 6.

Известно, что разрывная прочность наплавленного металла CM-95B91 равна или превышает разрывную прочность стали T91/P91 при послесварочной термообработке PWHT в пределах от LMP (×10 -3): 20,6 (743 °C × 2,1 hr) до LMP (×10 -3): 22,0 (779 °C × 8.0 hr).

Хотя формальные требования к ударным свойствам отсутствуют, мы воспользовались средним показателем _VE20 °C ≥ 38J в качестве примера для сравнения. Если условия послесварочной термообработки PWHT равны или превышают 760°C × 2,7 hr (LMP ×10 -3 = 21,1), считается, что наплавленный металл CM-95B91 может обладать достаточным уровнем ударных свойств в практическом плане.

3.3 Свойства сопротивления разрушению при ползучести

На Иллюстрациях 7 и 8 представлены свойства сопротивления разрушению при ползучести наплавленного металла CM-95B91 при температуре испытаний в 650 °C и 600 °C соответственно.

Результаты испытаний наплавленного металла CM-95B91 при 650°C продемонстрировали, что его сопротивление разрушению при ползучести выше, чем у стали T91/P91. На Иллюстрации 8 показан ход испытания на длительную прочность при 600°C, с исходным временем до разрушения при ползучести приблизительно 40.000 часов (около 4,5 лет).

4. Примечания по использованию

Сварочный металл высокохромистый ферритной жаропрочной стали более подвержен растрескиванию под напряжением из-за его склонности к самозакаливанию, чем сварочный металл высоколегированных сталей 1,25Cr-0,5Mo или 2,25Cr-1Mo. Поэтому необходимо принимать во внимание следующие замечания по использованию:
(1) Необходимо поддерживать температуру предварительного подогрева и межпроходную температуру в промежутке от 250 до 350°C для предотвращения растрескивания под напряжением.
(2) Также крайне важно проводить повторную просушку электродов перед их использованием в течение одного часа при температуре 350-400°C, чтобы удовлетворить требованию H4 (уровень диффундирующего водорода по AWS).
(3) Для предотвращения горячего растрескивания также необходимо избегать чрезмерно высокого сварочного тока и скорости сварки. Сварочные материалы компании Kobe Steel для высокохромистой ферритной жаропрочной стали разработаны с малым содержанием фосфора P и серы S для предотвращения горячего растрескивания. Однако наплавленный металл стали T91/P91 имеет больший диапазон температуры нахождения в твердо-жидком состоянии по сравнению с высоколегированными сталями 1,25Cr-0,5Mo или 2,25Cr-1Mo, что делает его более подверженным образованию горячих трещин.

5. Послесловие

В данной статье рассказано о ряде новейших тенденций в международных стандартах в отношении высоколегированных сталей T91/P91, применяемых в тепловой энергетике, а также о свойствах покрытых электродов для дуговой сварки CM-95B91 и CM-96B91, недавно разработанных в соответствии с требованиями этих стандартов.Эти электроды обладают высокими качествами по N/Al, X bar (см. Таблицу 5) и H4, а также сопротивлением сгоранию, и дают отличную свариваемость для высоколегированных сталей T91/P91, применяемых в тепловой энергетике.Учитывая высокие качества этих электродов, их применение следует расширить для лучшего контроля выбросов углекислого газа CO2 за счет более высокой эффективности производства электроэнергии.

Ссылки

(1) Институт экономики энергетики, Япония - Азия / Мировой энергетический обзор 2014
(2) Воздействие температуры PWHT на механические свойства сварочных металлов высокохромистых ферритных жаропрочных сталей ‒ Инженерный доклад по исследованиям и разработкам Kobe Steel, Том 63, No. 1 (2013)
(3) Обеспечение сварочный материалов P91, Материалы Конференции EPRI по производству и технологиям соединения материалов 9Cr , Сессия 2, 5-1 (2001)
(4) EPRI 1023199: Директивы и спецификации для высоконадежных тепловых электростанций (2011)
(5) Воздействие температуры PWHT на механические свойства сварочных металлов высокохромистых ферритных жаропрочных сталей, Сварка в мире, Том 56, Янв - Фев (2012)
(6) Государственный институт материаловедения (NIMS), данные по ползучести, No.43A

Верх страницы