T91 합금 강관

T91합금강관은 강관의 일종으로서 T91강은 미국국립상수령실험실과 미국연소공정회사 야금재료실험실이 합작하여 연구제작한 신형의 마씨체내열강이다.이는 121MoV강을 기초로 탄소함유량을 낮추고 류황, 린의 함량을 엄격히 제한하며 소량의 바나듐, 니오브륨원소를 첨가하여 합금화한다.ASTM213/A213M-85C에 따르면 T91강의 화학성분은 표1을 참조한다.T91 스틸에 대응하는 독일 스틸 번호는 X10CrMoVNnb91, 일본 스틸 번호는 HCM95, 프랑스는 TUZ10CDVNb0901이다.표 1 T91 강철의 화학 성분%

T91 합금 강관 원소 함량

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

T91강의 각 합금원소는 각각 고용강화, 미산강화와 강의 항산화성, 부식저항성능을 제고하는데 구체적으로 다음과 같이 분석한다.

①탄소는 강철에서 용해강화작용이 가장 뚜렷한 원소로서 탄소함유량이 증가함에 따라 강철의 단시강도가 상승하고 가소성, 인성이 떨어진다. T91과 같은 마씨체강의 경우 탄소함유량의 상승은 탄화물의 구화와 집결속도를 가속화하고 합금원소의 재분배를 가속화하며 강철의 용접성, 내식성과 항산화성을 낮추기 때문에 내열강은 일반적으로 탄소함유량을 낮추기를 원하지만 탄소함유량이 너무 낮으면 강철의 강도가 낮아진다.T91강은 12Cr1MoV강에 비해 탄소 함유량이 20% 감소하는데, 이는 상기 요인의 영향을 종합적으로 고려해 결정된다.

② T91강에는 미량의 질소가 함유되어 있는데, 질소의 작용은 두 가지 방면에서 나타난다.한편으로는 용접 강화 작용을 하는데, 상온에서 질소는 강철에서 용해도가 매우 작다. T91 강철 용접 후 열 영향 구역은 용접 가열과 용접 후 열 처리 과정에서 선후로 VN의 용해와 석출 과정이 나타날 것이다. 용접 가열 시 열 영향 구역 내에 이미 형성된 오씨체 조직은 VN의 용해로 질소 함량이 증가하고, 이후 상온 조직 중의 과포화 정도가 높아지며, 이 용접 후 열 처리 강도는 작은 영향을 증가한다.다른 한편으로 T91강에는 또 소량의 A1이 함유되여있는데 질소는 그와 함께 A1N을 형성할수 있으며 A1N은 1100 ℃ 이상에서야 대량으로 기체에 용해되여 비교적 낮은 온도에서 다시 석출되여 비교적 좋은 미산강화효과를 낼수 있다.

③ 크롬을 첨가하는 것은 주로 내열강의 항산화성, 부식 방지 능력을 높이는 것이다. 크롬 함유량이 5% 미만일 때 600 ℃ 가 격렬하게 산화하기 시작하고 크롬 함유량이 5% 에 달할 때 좋은 항산화성을 가진다.12Cr1MoV강은 580 ℃ 이하에서 항산화성이 우수하며 부식깊이는 0.05 mm/a이고 600 ℃ 에서는 성능이 나빠지기 시작하며 부식깊이는 0.13 mm/a이다.T91의 크롬 함유량은 9% 정도로 높아졌고, 사용 온도는 650 ℃ 에 달할 수 있으며, 주요 조치는 기체에 더 많은 크롬을 녹이는 것이다.

④ 바나듐과 니오브는 모두 강한 탄화물로 원소를 형성하며, 첨가하면 탄소와 작고 안정적인 합금 탄화물을 형성하여 매우 강한 미산 강화 효과가 있다.

⑤ 몰리브덴을 첨가하는 것은 주로 강철의 열 강성을 높이고 용해 강화 작용을 한다.

2.2 열처리 공정

T91의 최종열처리는 정화 + 고온회화이며 정화온도는 1040 ℃ 이고 보온시간은 10min 이상이며 회화온도는 730~780 ℃ 이고 보온시간은 1h 이상이며 최종열처리후의 조직은 회화마씨체이다.

2.3 기계적 성능

T91강의 상온 인장 강도 ≥ 585MPa, 상온 굴복 강도 ≥ 415MPa, 경도 ≤ 250HB, 신장률 (50mm 거리의 표준 원형 시료) ≥ 20%, 허용 응력 값 (σ] 650 ℃ = 30MPa.

2.4 용접 성능

국제용접학회가 추천한 탄소당량 공식에 따르면 T91의 탄소당량은

T91의 용접성이 떨어지는 것을 알 수 있다.

3 T91 용접 문제

3.1 열영향구역 담금질 조직의 발생

그림 1에서 볼 수 있듯이 T91은 임계 냉각 속도가 낮고 오씨체의 안정성이 매우 크며 냉각 시 정상적인 주광체 전환이 잘 일어나지 않아 낮은 온도로 냉각될 때 마씨체 전환이 발생한다.이 때문에 T91은 담금질과 냉열 경향이 크다.

열 영향 구역의 각종 조직은 서로 다른 밀도, 팽창 계수와 서로 다른 결정 형식을 가지기 때문에 가열과 냉각 과정에서 반드시 서로 다른 부피 팽창과 수축을 동반한다.한편, 용접 가열은 고르지 않고 온도가 높은 특징이 있기 때문에 T91 용접 헤드 내부의 응력이 매우 크다.

T91의 경우 오씨체는 매우 안정적이며 낮은 온도 (약 400 ℃) 로 냉각해야만 마씨체로 변할 수 있다.굵은 마씨체는 조직이 아삭아삭하고 단단하며 이음매는 또 복잡한 응력상태에 처해있다.이와 동시에 용접봉이 냉각되는 과정에 수소가 용접봉에서 근봉구역으로 확산되여 수소의 존재가 마씨체를 아삭아삭하게 하였는데 그 종합작용의 결과 담금질구역에 랭균열이 생기기 쉽다.

3.2 열영향구역 결정 입자 성장

용접열 순환은 용접 헤드 열 영향 구역의 결정 입자가 자라는 데 중대한 영향을 미치는데, 특히 가열 온도가 가장 높은 용접 구역에 인접해 있다.냉각 속도가 시간에 비해 용접열 영향 구역에 굵은 덩어리 모양의 철소체와 탄화물 조직이 나타나 강재의 가소성을 현저히 떨어뜨린다;냉각 속도가 크면 굵은 마그네틱 조직이 생겨 용접 헤드의 가소성도 떨어진다.

3.3 연화층의 생성

T91강은 질량조절상태에서 용접되는데 열영향구역에 연화층이 생기는것은 불가피하며 주광체내열강보다 연화가 더욱 심각하다.가열과 냉각 속도가 모두 느린 규범을 사용할 때 연화 정도가 비교적 크다.또한 연화층의 너비와 그것이 용접선에서 떨어지는 거리는 용접의 가열 조건 및 특징뿐만 아니라 예열, 용접 후 열처리 등과 관련이 있다.하얼빈 보일러 공장은 T91 용접 열 영향 구역의 경도 곡선을 시험한 적이 있는데, 그림 2를 보라.

3.4 응력 부식 균열

T91강은 용접 후 열처리 전에 냉각 온도가 일반적으로 100 ℃ 이상이어야 하며, 실온에서 냉각되고 환경이 비교적 습할 경우 응력 부식 균열이 생기기 쉽다.독일은 용접 후 열처리 전에 150℃ 이하로 냉각해야 한다고 규정하고 있다.가공소재가 두껍고 필렛 용접이 존재하며 형상 크기가 좋지 않은 경우 냉각 온도는 100 ℃ 이상이어야 합니다.만약 실온에서 냉각된다면 습기를 엄금해야 한다. 그렇지 않으면 응력부식균열이 생기기 쉽다.

4 T91 강철의 용접 공정

4.1 예열 온도의 선택

T91강의 Ms점은 약 400 ℃ 이고 예열온도는 일반적으로 200~250 ℃ 이다.예열 온도는 너무 높아서는 안 된다. 그렇지 않으면 이음매의 냉각 속도가 낮아져 용접 이음매에서 결정계의 탄화물이 석출되고 철소체 조직이 형성되어 이 강재 용접 이음매가 실온에서 충격 근성을 크게 낮출 수 있다.예열 온도의 하한선은 하얼빈 보일러 공장에서 한 플러그 시험에서 좋은 설명을 얻을 수 있다.

플러그 시험봉은 T91강, 직경 8mm, 깊이 0.5mm, 바닥판은 13CrMo강, 두께 20mm로 예열하지 않고 150 ℃, 예열 200 ℃, 예열 250 ℃ 의 조건에서 시험이 진행된다.용접봉은 J707을 사용합니다.용접 전류는 165~170A, 아크 전압은 21~267V이며, 시험 결과는 표 2와 같다.

표 2 T91 플러그 시험 결과

시험

조건 샘플

호 응력 수준

/MPa 브레이크 시간

/min

예열하지 않음 1 303.8 9 9

2 186 8 237

3 176.4 8.3 1440 끊김 없음

예열 150 ℃ 4 421.4 8.1 1260

5 354.8 120 중단 없음

예열 200 ℃ 6 465.2 8.6 1440 미중단

7 482.7 8.1 438

8 539 7.9 313

예열 250 ℃ 9 539 8.2 1440 미중단

10 600 8.0 1440 끊김 없음

상술한 시험결과로 알수 있는바 예열하지 않는 조건에서 T91강철용접이음매의 림계응력은 176.4MPa이다.150 ℃ 를 예열할 때 임계 응력은 354.8 MPa로 T91 강철 상온 굴복 한계 415 MPa의 85.4% 입니다.200 ℃ 이상을 예열할 때 임계 응력은 460 MPa보다 커서 T91 강철의 상온 굴복 한계를 초과합니다.이로부터 T91강을 용접할 때 랭렬문이 생기지 않도록 하기 위하여 예열온도는 반드시 200 ℃ 이상이여야 하며 독일은 180~250 ℃, 미국 CE회사는 120~205 ℃ 로 예열온도를 규정하였다.

4.2 층간 온도 선택

층간 온도는 예열 온도 하한선보다 낮아서는 안 되지만 예열 온도를 선택한 것처럼 층간 온도도 지나치게 높아서는 안 된다.T91 용접 시 층간 온도는 일반적으로 200~300 ℃ 로 제어된다.프랑스 규정: 층간 온도는 300 ℃ 를 초과하지 않는다.미국 규정: 층간 온도는 170~230 ℃ 사이에 위치할 수 있다.

4.3 용접 후 열처리 시작 온도 선택

T91은 용접 후 Ms 미만의 점 이하로 냉각하고 일정 시간을 유지한 후 80~100℃/h의 냉각 속도를 가진 재화 처리를 요구한다. 보온을 거치지 않으면 이음매의 오씨체 조직이 완전히 변하지 않을 수 있으며, 재화 가열은 탄화물이 오씨체 결정계를 따라 침전되는 등 조직이 바삭바삭하다.그러나 T91 용접 후에도 용접 헤드가 실온으로 냉각되면 차가운 균열이 발생할 위험이 있기 때문에 실온으로 냉각된 후 다시 불을 켤 수 없습니다.T91의 경우 최적 시작 온도는 100~150 ℃ 이며 1h 보온으로 조직 전환이 기본적으로 보장됩니다.

4.4 회화온도, 항온시간, 회화냉각속도의 선택

T91 강철은 냉열 경향이 크고 일정한 조건에서 지연 균열이 발생하기 쉽기 때문에 용접 헤드는 용접 후 24h 이내에 템퍼 처리를 해야 한다.T91 용접 후 상태의 조직은 판막대 마씨체이며, 회화를 거쳐 회화 마씨체로 변할 수 있으며, 그 성능은 판막대 마씨체보다 우월하다.회화온도가 낮을 경우 회화효과가 뚜렷하지 않아 용접봉금속은 시효가 쉽고 아삭아삭해진다.회화온도가 너무 높으면 (AC1선을 초과함.) 이음매가 다시 오씨체화되고 그후의 냉각과정에서 다시 담금질될수 있다.이와 동시에 본고가 앞에서 말한바와 같이 회화온도의 확정은 또 접두연화층의 영향을 고려해야 한다.일반적으로 T91 회화 온도는 730~780 ℃ 이다.

T91 용접 후 회화 항온 시간이 1h 이상이어야 그 조직이 회화 마씨체로 완전히 전환될 수 있다.

T91 강철 용접 헤드의 잔여 응력을 낮추려면 냉각 속도가 5 ℃ /min 미만이어야 합니다.T91 강철의 용접 공정은 그림 3으로 표현할 수 있습니다.

① 200~250℃를 예열한다.② 용접, 층간 온도 200~300℃;③ 용접 후 냉각, 속도는 80~100 ℃/h; ④ 100~150 ℃ 보온 1h; ⑤ 730~780 ℃ 회화 1h; ⑥ 5 ℃/min 미만의 속도로 냉각

5 T91 강철의 광동성 내화발전소 응용 실례

광둥성 전력국 제1용접훈련센터는 Φ42mm × 5mm의 T91 소경관 도킹의 용접공정 평가를 한 적이 있다.채택한 예열 온도는 200 ℃ 이고, 용접 후 150 ℃ 로 냉각되며, 1h 보온 후 회화를 진행하며, 회화 온도는 750~780 ℃, 보온 1h, 승강 온도 속도는 모두 5 ℃/min 미만이다.용접 후 시료에 대해 외관 검사, 절단 검사, 무손상 검사, 스트레칭 및 벤드 시험을 실시한 결과 모두 합격되었는데, 이는 상술한 용접 공정이 효과적이라는 것을 설명한다.

상술한 용접공예는 이미 사각 A공장, 매현발전소 고온재열기 외곽에 성공적으로 응용되였다.T91강은 이들 발전소에서 응용된 뒤 초온 등으로 인한 사고 빈도가 크게 낮아졌다.

6 결론

① T91강은 합금화 원리에 의거하며, 특히 니오브, 바나듐 등 미량 원소를 소량 첨가하여 고온 강도, 항산화성이 12Cr1MoV강에 비해 비교적 크게 향상되었지만, 용접 성능은 비교적 떨어진다.

② 플러그 시험에 따르면 T91강은 비교적 큰 냉열 경향이 있으며, 예열 200~250 ℃, 층간 온도 200~300 ℃ 를 선택하여 냉열 균열이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

③ T91 용접 후 열처리 전에는 반드시 100~150 ℃ 로 냉각하여 1h 보온해야 한다. 회화온도는 730~780 ℃ 로 보온시간이 1h 이상이어야 한다.

④ 이상의 용접 공정은 200MW, 300MW 보일러 제조 생산 실천에 응용되어 만족스러운 효과를 거두었고 비교적 큰 경제적 효과를 얻었다.강관은 중공 단면을 가지고 주변에 이음매가 없는 긴 강재이다.강관은 중공 단면을 가지고 있으며, 석유, 천연가스, 가스, 물 및 일부 고체 재료를 수송하는 파이프 등 유체를 수송하는 파이프로 대량으로 사용된다.강관은 원강 등 실심강재에 비해 굽힘과 비틀림에 강한 강도와 동시에 무게가 비교적 가벼워 일종의 경제단면강재로서 석유드릴, 자동차전동축, 자전거선반 및 건축시공에서 사용하는 강철비계 등 구조부품과 기계부품을 제조하는데 널리 사용된다.강관으로 고리형 부품을 제조하면 재료의 이용률을 높일 수 있고, 제조 공정을 간소화할 수 있으며, 재료와 가공 시간을 절약할 수 있다. 예를 들면 롤러 베어링 코일, 잭 커버 등은 현재 이미 강관으로 광범위하게 제조하고 있다.강관은 여전히 각종 재래식 무기에 없어서는 안 될 재료이며, 총관, 포통 등은 모두 강관으로 제조해야 한다.강관은 횡단면적의 모양에 따라 원관과 이형관으로 나눌 수 있다.둘레가 같은 조건에서 원의 면적이 가장 크기 때문에 원형관으로 더 많은 유체를 수송할 수 있다.또한 원환 단면은 내부 또는 외부 레이디얼 압력을 견딜 때 균일한 힘을 받기 때문에 대부분의 강관은 원관입니다.합금관 무게 계산 공식: [(외경-벽 두께)*벽 두께]*0.02466=kg/m(m당 무게)