2012年T91合金管材質(zhì)介紹 更進(jìn)一步了解T91合金管
T91合金管
T91合金管規(guī)格：8-1240×1-200mm
T91合金管 T91合金管概況：
標(biāo)準(zhǔn)：
GB3087 —— 中國國家標(biāo)準(zhǔn)
GB5310 —— 中國國家標(biāo)準(zhǔn)
ASME SA210 —— 美國鍋爐及壓力容器規(guī)范
ASME SA213 —— 美國鍋爐及壓力容器規(guī)范
DIN17175 —— 聯(lián)邦德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
用途：
用于低中壓鍋爐（工作壓力一般不大于5.88Mpa，工作溫度在450℃以下）的受熱面管子；用于高壓鍋爐（工作壓力一般在9.8Mpa以上，工作溫度在450℃～650℃之間）的受熱面管子、省煤器、過熱器、再熱器、石化工業(yè)用管等。
主要生產(chǎn)鋼管牌號：
10、20、20G、20MnG、25MnG、15CrMoG、12Cr2MoG、12Cr1MoVG、12Cr2MoWVTiB、10Cr9Mo1VNb、SA210A1、SA210C、SA213 T11、SA213 T12、SA213 T22、SA213 T23、SA213 T91、SA213 T92、ST45.8/Ⅲ、15Mo3、13CrMo44、10CrMo910等
尺寸公差:
鋼管種類 外徑(D) 壁厚(S)
冷拔管 鋼管外徑(mm) 允許偏差(mm) 鋼管壁厚(mm) 允許偏差(mm)
＞30～50 ±0.3 ＞3～20 ±10％
力學(xué)性能：
標(biāo)準(zhǔn) 牌號 抗拉強(qiáng)度（MPa） 屈服強(qiáng)度（MPa） 伸長率（％） 硬度
GB3087 10 335～475 ≥195 ≥24 /
20 410～550 ≥245 ≥20 /
GB5310 20G 410～550 ≥245 ≥24 /
20MnG ≥415 ≥240 ≥22 /
25MnG ≥485 ≥275 ≥20 /
15CrMoG 440～640 ≥235 ≥21 /
12Cr2MoG 450～600 ≥280 ≥20 /
12Cr1MoVG 470～640 ≥255 ≥21 /
12Cr2MoWVTiB 540～735 ≥345 ≥18 /
10Cr9Mo1VNb ≥585 ≥415 ≥20 /
ASME SA210 SA210A-1 ≥415 ≥255 ≥30 ≤143HB
SA210C ≥485 ≥275 ≥30 ≤179HB
ASME SA213 SA213 T11 ≥415 ≥205 ≥30 ≤163HB
SA213 T12 ≥415 ≥220 ≥30 ≤163HB
SA213 T22 ≥415 ≥205 ≥30 ≤163HB
SA213 T23 ≥510 ≥400 ≥20 ≤220HB
SA213 T91 ≥585 ≥415 ≥20 ≤250HB
SA213 T92 ≥620 ≥440 ≥20 ≤250HB
DIN17175 ST45.8/Ⅲ 410～530 ≥255 ≥21 /
15Mo3 450～600 ≥270 ≥22 /
13CrMo44 440～590 ≥290 ≥22 /
10CrMo910 480～630 ≥280 ≥20 /
化學(xué)成分:
標(biāo)準(zhǔn) 牌號 化學(xué)成分（％）
C Si Mn P S Cr Mo Cu Ni V Al W Ti Nb N
GB3087 10 0.07～0.13 0.17～0.37 0.38～0.65 ≤0.030 ≤0.030 0.3～0.65 / ≤0.25 ≤0.30 / /
20 0.17～0.23 0.17～0.37 0.38～0.65 ≤0.030 ≤0.030 0.3～0.65 / ≤0.25 ≤0.30 / /
GB5310 20G 0.17～0.24 0.17～0.37 0.35～0.65 ≤0.030 ≤0.030 ≤0.25 ≤0.15 ≤0.20 ≤0.25 ≤0.08
20MnG 0.17～0.24 0.17～0.37 0.70～1.00 ≤0.030 ≤0.030 ≤0.25 ≤0.15 ≤0.20 ≤0.25 ≤0.08
25MnG 0.18～0.24 0.17～0.37 0.80～1.10 ≤0.030 ≤0.030 ≤0.25 ≤0.15 ≤0.20 ≤0.25 ≤0.08
15CrMo 0.12～0.18 0.17～0.37 0.40～0.70 ≤0.030 ≤0.030 0.80～1.10 0.40～0.55 ≤0.20 ≤0.30
12Cr2MoG 0.08～0.15 ≤0.50 0.40～0.70 ≤0.030 ≤0.030 2.00～2.50 0.90～1.20 ≤0.20 ≤0.30
12Cr1MoV 0.08～0.15 0.17～0.37 0.40～0.70 ≤0.030 ≤0.030 0.90～1.20 0.25～0.35 ≤0.20 ≤0.30 0.15～0.30
12Cr2MoWVTiB 0.08～0.15 0.45～0.75 0.45～0.65 ≤0.030 ≤0.030 1.60～2.10 0.50～0.65 ≤0.20 ≤0.30 0.28～0.42
0.30～0.55 0.08～0.15 B 0.002～0.008
10Cr9Mo1VNb 0.08～0.12 0.20～0.50 0.30～0.60 ≤0.020 ≤0.010 8.00～9.50 0.85～1.05 ≤0.20 ≤0.40 0.18～0.25 ≤0.015
0.06～0.10 0.03～0.07
ASME SA210 SA210A-1 0.13～0.19 ≥0.1 0.45～0.65 ≤0.030 ≤0.030
SA210C 0.18～0.24 ≥0.1 0.80～1.10 ≤0.030 ≤0.030
ASME SA213 SA213 T11 0.05～0.15 0.50～1.0 0.30～0.60 ≤0.030 ≤0.030 1.00～1.50 0.50～1.00
SA213 T12 0.05～0.15 ≤0.50 0.30～0.61 ≤0.030 ≤0.030 0.80～1.25 0.44～0.65
SA213 T22 0.05～0.15 ≤0.50 0.30～0.60 ≤0.030 ≤0.010 1.90～2.60 0.87～1.13
SA213 T23 0.04～0.10 ≤0.50 0.10～0.60 ≤0.030 ≤0.030 1.90～2.60 0.05～0.30
≤0.030 1.45～1.75 B 0.0005～0.006 0.02～0.08 ≤0.040
SA213 T91 0.08～0.12 0.20～0.50 0.30～0.60 ≤0.020 ≤0.010 8.00～9.50 0.85～1.05
≤0.40 0.18～0.25 ≤0.015
0.06～0.10 0.03～0.07
SA213 T92 0.07～0.13 ≤0.50 0.30～0.60 ≤0.020 ≤0.010 8.50～9.50 0.30～0.60
≤0.40 0.15～0.25 ≤0.015 1.50～2.00 B 0.001～0.006 0.04～0.09 0.03～0.07
DIN 17175 ST45.8/Ⅲ ≤0.21 0.10～0.35 0.40～1.20 ≤0.040 ≤0.040
15Mo3 0.12～0.20 0.10～0.35 0.40～0.80 ≤0.035 ≤0.035
0.25～0.35
13CrMo44 0.10～0.18 0.10～0.35 0.40～0.70 ≤0.035 ≤0.035 0.70～1.10 0.45～0.65
10CrMo910 0.08～0.15 ≤0.50 0.30～0.70 ≤0.025 ≤0.020 2.00～2.50 0.90～1.10 ≤0.30 ≤0.30
≤0.015
T91
根據(jù)ASTM213/A213M-85C,T91鋼的化
與T91鋼對應(yīng)的德國鋼號為X10CrMoVNNb91，日本鋼號為HCM95，法國則為
TUZ10CDVNb0901。
T91鋼的化學(xué)成份%
元素 含量
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
T91鋼中各合金元素分別起到固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和提高鋼的抗氧化性、抗
腐蝕性能，具體分析如下。
�、偬际卿撝泄倘軓�(qiáng)化作用最明顯的元素，隨含碳量的增加，鋼的短時強(qiáng)度上
升，塑性、韌性下降，對T91這類馬氏體鋼而言，含碳量的上升會加快碳化物球
化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低鋼的焊接性、耐蝕性和抗氧化性，
故耐熱鋼一般都希望降低含碳量，但含碳太低，鋼的強(qiáng)度將降低。T91鋼與
12Cr1MoV鋼相比，含碳量降低20%，這是綜合考慮上述因素的影響而決定的。
�、赥91鋼中含微量氮，氮的作用體現(xiàn)在兩個方面。一方面起固溶強(qiáng)化作用，
常溫下氮在鋼中的溶解度很小，T91鋼焊后熱影響區(qū)在焊接加熱和焊后熱處理過
程中，將先后出現(xiàn)VN的固溶和析出過程：焊接加熱時熱影響區(qū)內(nèi)已形成的奧氏體
組織由于VN的溶入，氮含量增加，此后常溫組織中的過飽和程度提高，在隨后的
焊后熱處理中有細(xì)小的VN析出，這增加了組織穩(wěn)定性，提高了熱影響區(qū)的持久強(qiáng)
度值。另一方面，T91鋼中還含有少量A1，氮能與其形成A1N，A1N在1 100℃以上
才大量溶入基體，在較低溫度下又重新析出，能起到較好的彌散強(qiáng)化效果。
�、奂尤脬t主要是提高耐熱鋼的抗氧化性、抗腐蝕能力，含鉻量小于5%時，
600℃開始劇烈氧化，而含鉻量達(dá)5%時就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV鋼在580
℃以下具有良好的抗氧化性，腐蝕深度為0.05 mm/a，600℃時性能開始變差，腐
蝕深度為0.13 mm/a。T91含鉻量提高到9%左右，使用溫度能達(dá)到650℃，主要措
施就是使基體中溶有更多的鉻。
�、茆C與鈮都是強(qiáng)碳化物形成元素，加入后能與碳形成細(xì)小而穩(wěn)定的合金碳化
物，有很強(qiáng)的彌散強(qiáng)化效果。
�、菁尤脬f主要是為了提高鋼的熱強(qiáng)性，起到固溶強(qiáng)化的作用。
2.2 熱處理工藝
T91的最終熱處理為正火+高溫回火，正火溫度為1040℃，保溫時間不少于10
min，回火溫度為730～780℃，保溫時間不少于1h，最終熱處理后的組織為回火
馬氏體。
2.3 機(jī)械性能
T91鋼的常溫抗拉強(qiáng)度≥585 MPa，常溫屈服強(qiáng)度≥415 MPa，硬度≤250 HB
，伸長率(50 mm標(biāo)距的標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣)≥20%，許用應(yīng)力值[σ]650℃=30 MPa。
2.4 焊接性能
按照國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量公式算得T91的碳當(dāng)量為
可見T91的焊接性較差。
3 T91焊接時存在的問題
3.1 熱影響區(qū)淬硬組織的產(chǎn)生
從圖1可以看出，T91的臨界冷卻速度低，奧氏體穩(wěn)定性很大，冷卻時不易發(fā)
生正常的珠光體轉(zhuǎn)變，從而冷卻到較低溫度時發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變。正由于此，
T91的淬硬和冷裂傾向很大。
圖1 T91鋼的連續(xù)冷卻曲線
由于熱影響區(qū)的各種組織具有不同的密度、膨脹系數(shù)和不同的晶格形式，在
加熱和冷卻過程中必然會伴有不同的體積膨脹和收縮；另一方面，由于焊接加熱
具有不均勻和溫度高的特點(diǎn)，故而T91焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力很大。
對于T91，奧氏體十分穩(wěn)定，要冷卻到較低溫度(約400℃)才能變?yōu)轳R氏體。
粗大的馬氏體組織脆而硬，接頭又處在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下。同時，焊縫冷卻過程中
氫由焊縫向近縫區(qū)擴(kuò)散，氫的存在促使了馬氏體脆化，其綜合作用的結(jié)果，很容
易在淬硬區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。
3.2 熱影響區(qū)晶粒長大
焊接熱循環(huán)對焊接頭熱影響區(qū)的晶粒長大有重大的影響，特別是緊鄰加熱溫
度達(dá)到最高的熔合區(qū)。當(dāng)冷卻速度較小時，在焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)粗大的塊狀鐵
素體和碳化物組織，使鋼材的塑性明顯下降；冷卻速度大時，由于產(chǎn)生了粗大的
馬氏體組織，也會使焊接接頭塑性下降。
3.3 軟化層的產(chǎn)生
T91鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，熱影響區(qū)產(chǎn)生軟化層不可避免，而且比珠光體耐
熱鋼的軟化更為嚴(yán)重。當(dāng)用加熱和冷卻速度均較緩慢的規(guī)范時，軟化程度較大。
另外，軟化層的寬度和它離熔合線的距離，不僅與焊接的加熱條件及特點(diǎn)有關(guān)，
還與預(yù)熱、焊后熱處理等有關(guān)。哈爾濱鍋爐廠曾做過試驗得出T91焊接熱影響區(qū)
硬度曲線，見圖2。
圖2 T91焊接熱影響區(qū)硬度曲線
�、�730℃回火；②750℃回火
由圖2可以看出，T91鋼焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生的軟化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而且接頭的
回火溫度越高，軟化程度越嚴(yán)重，接頭強(qiáng)度利用系數(shù)大大下降。
3.4 應(yīng)力腐蝕裂紋
T91鋼在焊后熱處理之前，冷卻溫度一般不低于100℃，如果在室溫下冷卻，
而環(huán)境又比較潮濕時，容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。德國規(guī)定：在焊后熱處理之前必
須冷卻至150℃以下。在工件較厚、有角焊縫存在及幾何尺寸不好的情況下，冷
卻溫度不低于100℃。如果在室溫下冷卻，嚴(yán)禁潮濕，否則容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂
紋。
4 T91鋼的焊接工藝
4.1 預(yù)熱溫度的選擇
T91鋼的Ms點(diǎn)約為400℃，預(yù)熱溫度一般選在200～250℃。預(yù)熱溫度不能太高
，否則接頭冷卻速度降低，可能在焊接接頭中引起晶界處碳化物析出和形成鐵素
體組織，從而大大降低該鋼材焊接接頭在室溫時的沖擊韌性。預(yù)熱溫度的下限從
哈爾濱鍋爐廠所做過的插銷試驗可得到很好的說明。
插銷試棒采用T91鋼，直徑8 mm,深0.5 mm，底板采用13CrMo鋼，厚20 mm，
試驗在不預(yù)熱、預(yù)熱150℃、預(yù)熱200℃、預(yù)熱250℃條件下進(jìn)行。焊條采用J707
。焊接電流為165～170 A，電弧電壓為21～267 V，試驗結(jié)果如表2所示。
T91插銷試驗結(jié)果
試驗
條件 試樣
號 應(yīng)力水平
/MPa 斷裂時間
/min
不預(yù)熱 1 303.8 9 9
2 186 8 237
3 176.4 8.3 1440未斷
預(yù)熱150℃ 4 421.4 8.1 1260
5 354.8 120未斷
預(yù)熱200℃ 6 465.2 8.6 1440未斷
7 482.7 8.1 438
8 539 7.9 313
預(yù)熱250℃ 9 539 8.2 1440未斷
10 600 8.0 1440未斷
由上述試驗結(jié)果知，在不預(yù)熱條件下，T91鋼焊接接頭的臨界應(yīng)力為176.4
MPa；預(yù)熱150℃時，臨界應(yīng)力為354.8 MPa，為T91鋼常溫屈服極限415 MPa的
85.4%；預(yù)熱200℃以上時，臨界應(yīng)力大于460 MPa，超過了T91鋼常溫屈服極限。
由此，為避免T91鋼焊接時產(chǎn)生冷裂紋，預(yù)熱溫度必須不低于200℃，德國規(guī)定預(yù)
熱溫度為180～250℃，美國CE公司規(guī)定預(yù)熱溫度為120～205℃。
4.2 層間溫度的選擇
層間溫度不得低于預(yù)熱溫度下限，但如同預(yù)熱溫度的選取一樣，層間溫度也
不能過高。T91焊接時層間溫度一般控制在200～300℃。法國規(guī)定：層間溫度不
超過300℃。美國規(guī)定：層間溫度可位于170～230℃之間。
4.3 焊后熱處理起始溫度的選擇
T91要求焊后冷卻到低于Ms點(diǎn)以下并保持一定時間再進(jìn)行回火處理，焊后冷
卻速度為80～100℃/h。如果未經(jīng)保溫，接頭的奧氏體組織可能沒有完全轉(zhuǎn)變，
回火加熱會促使碳化物沿奧氏體晶界沉淀，這樣的組織很脆。但是T91焊后也不
允許冷卻到室溫再進(jìn)行回火，因為其焊接接頭冷卻到室溫時就有產(chǎn)生冷裂紋的危
險。對于T91來說，最佳起始溫度為100～150℃，并保溫1h，可基本確保組織轉(zhuǎn)
變完畢。
4.4 回火溫度、恒溫時間、回火冷卻速度的選擇
T91鋼冷裂傾向較大，在一定條件下，容易產(chǎn)生延遲裂紋，故焊接接頭必須
在焊后24 h內(nèi)進(jìn)行回火處理。T91焊后狀態(tài)的組織為板條狀馬氏體，經(jīng)過回火可
變?yōu)榛鼗瘃R氏體，其性能較板條狀馬氏體優(yōu)越�；鼗饻囟绕蜁r，回火效果不明
顯，焊縫金屬容易時效而脆化；回火溫度過高(超過AC1線)，接頭又可能再次奧
氏體化，并在隨后的冷卻過程中重新淬硬。同時，如本文在前面所述，回火溫度
的確定還要考慮接頭軟化層的影響。一般而言，T91回火溫度為730～780℃。
T91焊后回火恒溫時間不少于1 h，才能保證其組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。
為了降低T91鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力，必須控制其冷卻速度小于5 ℃/min。
T91鋼的焊接工藝可用圖3表示。
圖3 T91鋼焊接工藝
①預(yù)熱200～250 ℃；②焊接，層間溫度200～300 ℃；③焊后冷卻，速度為
80～100 ℃/h；④100～150 ℃保溫1 h；⑤730～780 ℃回火1 h；⑥以不大于5
℃/min速度冷卻
5 T91鋼在廣東省內(nèi)火電廠應(yīng)用實例
廣東省電力局第一焊接培訓(xùn)中心曾作過Φ42 mm×5mm的T91小徑管對接的焊
接工藝評定。采取的預(yù)熱溫度為200℃，焊后冷卻到150℃，保溫1h后進(jìn)行回火，
回火溫度為750～780℃，保溫1h，升降溫速度均小于5℃/min。焊后對試樣進(jìn)行
外觀檢查、斷口檢查、無損檢測、拉伸和彎曲試驗，結(jié)果均合格，這也說明上述
焊接工藝是行之有效的。
上述焊接工藝已成功應(yīng)用在沙角A廠、梅縣電廠高溫再熱器外圈。T91鋼在這
些電廠應(yīng)用后，由于超溫等造成的事故頻率大大降低。
6 結(jié)論
①T91鋼靠合金化原理，尤其是添加了少量鈮、釩等微量元素，高溫強(qiáng)度、
抗氧化性較12 Cr1MoV鋼有較大的提高，但其焊接性能較差。
�、诓邃N試驗表明，T91鋼有較大冷裂傾向，選取預(yù)熱200～250 ℃，層間溫度200～300 ℃，可有效防止冷裂紋產(chǎn)生。
③T91合金管焊后熱處理前，必須冷卻至100～150 ℃，保溫1 h；回火溫度730～ 780 ℃，保溫時間不少于1 h。
④以上焊接工藝已應(yīng)用于200 MW、300MW 鍋爐制造生產(chǎn)實踐中，取得滿意效 果，并獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。
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