Тройник из нержавеющей стали – A234WPB, ДПК, P91, 15crMOV, СС304Х, СС31603, 321ЧАС

Основополагающая роль и металлургические требования к трубным тройникам

Труба тройник, фундаментальный компонент любой системы транспортировки жидкостей, выполняет важную функцию: предоставление $90$-градусное ответвление в трубопроводе, позволяющее отвлечь, смешивание, или равное распределение потока. Несмотря на кажущуюся простоту геометрии, его изготовление требует значительной пластической деформации — формирования ответвительного соединения, что приводит к сложным напряженным состояниям и микроструктурным изменениям в материале.. Это неотъемлемое требование к формуемости, в сочетании с необходимостью того, чтобы готовый фитинг выдерживал такие же, и зачастую выше, внутреннее давление и внешние нагрузки, как и прямая труба, к которой она будет приварена., диктует строгий металлургический и производственный контроль. Выбор материала для тройника никогда не бывает произвольным.; он должен идеально соответствовать материалу трубы, чтобы обеспечить плавную интеграцию с точки зрения свариваемости., устойчивость к коррозии, и совместимость с тепловым расширением.

Регулирующий стандарт для многих перечисленных фитингов., особенно углеродистые и легированные стали, является АСТМ А234/А234М, который определяет “Трубопроводная арматура из кованой углеродистой и легированной стали для эксплуатации при умеренных и высоких температурах.” Эта спецификация определяет химический состав., необходимая термическая обработка, и испытания механических свойств, необходимые для сертификации фитинга для работы под давлением.. Марки нержавеющей стали, хотя часто изготавливаются с использованием аналогичных технологий формования, подпадают под связанные, но разные спецификации материалов (например, A403 для фитингов из кованой аустенитной нержавеющей стали.), но их окончательное соответствие назначению определяется теми же основными принципами: сохранение желаемой микроструктуры и обеспечение механической целостности после формования. Процесс производства бесшовного тройника обычно включает метод гидравлического выпучивания или процесс горячей экструзии., оба из которых требуют, чтобы материал был очень пластичным при температуре формования, и требуют термообработки после формования для снятия остаточных напряжений и восстановления оптимальной микроструктуры., шаг, который принципиально обязателен для сертификации.

Рабочие лошадки из углеродистой стали: A234 Марки WPB и WPC

Оценки WPB и ДПК являются вездесущими, фитинги общего назначения для трубопроводов средней температуры и давления. Они представляют собой фундаментальные углеродистые стали., при этом WPB является стандартной маркой, а WPC обеспечивает немного более высокую прочность из-за немного более высокого максимального содержания углерода и более жесткого контроля над другими легирующими элементами.. Их металлургическая основа – простота.: железо-углеродная матрица с контролируемым количеством марганца, кремний, и остатки. Прочность зависит главным образом от содержания перлита в ферритовой матрице., что является функцией уровня углерода.

Технические ограничения, регулирующие эти марки, сосредоточены на свариваемости и стойкости к надрезу.. Поскольку эти тройники будут приварены к трубам из углеродистой стали на месте., контроль над $\text{Carbon Equivalent Value}$ ($\text{CEV}$) имеет решающее значение, хотя и менее строгий, чем в высокопрочных трубах. Низкая стоимость и легкодоступная пластичность WPB/WPC делают их идеальными для эксплуатации при температуре окружающей среды и при умеренных температурах., например, вода, воздух, и неагрессивные углеводороды. Однако, их использование строго ограничено температурой (из-за накипи и потери прочности) и наличием агрессивных СМИ (из-за присущей им недостаточной коррозионной стойкости.). Важнейшее требование для обоих классов, особенно после пластической деформации тройника, является обязательным нормализация или снимающий стресс термическая обработка, который выполняется для уменьшения остаточных напряжений, накопленных при формовке, и обеспечения равномерности, мелкозернистая ферритно-перлитная микроструктура, гарантирующая требуемый минимальный предел текучести и предел прочности.

Таблица I: Требования к химическому составу (ASTM A234 WPB и WPC – Кованая фурнитура)

Контроль состава направлен на обеспечение хорошей свариваемости и минимальной прочности.. Показанные значения представляют собой максимальные проценты, если не указан диапазон..

Элемент	WPB Макс (%)	ДПК Макс (%)
Углерод ($\text{C}$)	$0.30$	$0.35$
Марганец ($\text{Mn}$)	$0.29 – 1.06$	$0.29 – 1.06$
Фосфор ($\text{P}$)	$0.035$	$0.035$
Сера ($\text{S}$)	$0.035$	$0.035$
Кремний ($\text{Si}$)	$0.10 – 0.35$	$0.10 – 0.35$
Хром ($\text{Cr}$)	$0.40$	$0.40$
Молибден ($\text{Mo}$)	$0.15$	$0.15$
Никель ($\text{Ni}$)	$0.40$	$0.40$
медь ($\text{Cu}$)	$0.35$	$0.35$
Ванадий ($\text{V}$)	$0.08$	$0.08$

---

Жаростойкие сплавы: WP91 и 15CrMoV

Переход от WPB/WPC к WP91 и 15КрМов представляет собой переход от службы общего назначения к узкоспециализированной., критическая работа при высоких температурах и высоком давлении, прежде всего в энергетической отрасли (перегреватели, подогреватели, главные паропроводы). Это низколегированный, жаропрочные стали, предназначен для поддержания структурной целостности и сопротивления деформации, зависящей от времени. (слизняк) при температуре значительно выше $500^\circ\text{C}$.

WP91: Революция P91

ASTM A234, класс WP91 является эквивалентом кованого фитинга $\text{P91}$ труба, модифицированный $\text{9Cr}-1\text{Mo}$ ферритная сталь. Его металлургическая архитектура представляет собой сложный баланс, призванный максимизировать жаропрочность и стойкость к окислению.. The $9\%$ $\text{Cr}$ обеспечивает превосходную стойкость к окислению со стороны пара, в то время как $1\%$ $\text{Mo}$ повышает жаропрочность. Крайне важно, это микролегированный с Ниобий ($\text{Nb}$) и Ванадий ($\text{V}$), и жестко контролируется Азот ($\text{N}$). Эта комбинация способствует образованию мелкодисперсной дисперсии чрезвычайно стабильных вторичных осадков. (например, $\text{V}$-богатый $\text{MX}$ карбонитриды и $\text{Nb}$-богатый $\text{M}_{23}\text{C}_6$ карбиды) при обязательной термической обработке. Эти выделения являются основой сопротивления ползучести сплава., эффективно закрепляет границы зерен и дислокации, предотвращение их движения даже при длительном высоком стрессе и температуре.

Изготовление и сварка WP91 очень чувствительны.. В отличие от углеродистой стали, Окончательные свойства WP91 полностью зависят от точного, двухэтапная термическая обработка: Нормализация (для обеспечения полностью мартенситной структуры) с последующим Закалка (для ускорения фаз упрочнения и восстановления необходимой прочности). Любое отклонение от точного временного и температурного окна во время сварки. (требующий строгого предварительного нагрева и термообработки после сварки – $\text{PWHT}$) или во время производства приведет к ухудшению качества, потенциально подверженный сбоям компонент. Такая чувствительность требует высочайшего уровня контроля качества., часто включая испытания на твердость и $\text{PWHT}$ мониторинг, обеспечивающий целостность $\text{MX}$ осадки сохраняются.

15КрМов: Классический сплав крипа

Обозначение 15КрМов часто относится к классическому китайскому стандартному материалу ($\text{GB 5310}$) или аналогичные европейские аналоги, представляет собой низколегированную альтернативу WP91., обычно содержит около $15\%$ $\text{Cr}$, небольшие дополнения к $\text{Mo}$, и часто $\text{V}$. Эта сталь предназначена для эксплуатации в условиях ползучести., но, как правило, в менее экстремальных режимах температуры и давления, чем $\text{P91}$. Его сопротивление ползучести основано на ферритно-бейнитной структуре., упрочненный выделением карбидов, но не хватает высоты $\text{Cr}$ стойкость к окислению и ультрастабильность $\text{MX}$ осадки $\text{P91}$. Хотя сварка более щадящая, чем $\text{P91}$, это все равно требует осторожности $\text{PWHT}$ для обеспечения стабильности твердого сплава и снятия напряжений, отражая универсальную металлургическую проблему всех жаропрочных сплавов.

Таблица I-B: Требования к химическому составу (WP91 и 15CrMoV – Кованая фурнитура)

Заметка: 15Состав CrMoV основан на типичных отраслевых спецификациях для эквивалента. $\text{1.25Cr}-0.5\text{Mo}$ ползучий сплав, как точный $\text{A234}$ эквивалент может отличаться.

Элемент	WP91 Макс (%)	15CrMoV Макс. (%)
Углерод ($\text{C}$)	$0.08 – 0.12$	$0.12 – 0.20$
Марганец ($\text{Mn}$)	$0.30 – 0.60$	$0.40 – 0.70$
Фосфор ($\text{P}$)	$0.020$	$0.035$
Сера ($\text{S}$)	$0.010$	$0.035$
Кремний ($\text{Si}$)	$0.20 – 0.50$	$0.15 – 0.35$
Хром ($\text{Cr}$)	$8.0 – 9.5$	$0.10 – 0.30$
Молибден ($\text{Mo}$)	$0.85 – 1.05$	$0.40 – 0.60$
Ванадий ($\text{V}$)	$0.18 – 0.25$	$0.10 – 0.30$
Ниобий ($\text{Nb}$)	$0.06 – 0.10$	–
Никель ($\text{Ni}$)	$0.40$	–
Алюминий ($\text{Al}$)	–	$0.040$
Азот ($\text{N}$)	$0.030 – 0.070$	–

---

Портфолио нержавеющей стали: СС304Х, СС31603, и SS321H

Последний набор материалов представляет собой переход в аустенитная нержавеющая сталь семья, в первую очередь выбираются из-за их исключительной коррозионной стойкости и хороших характеристик при высоких температурах. (хотя и не для ползучести, как $\text{WP91}$). Эти материалы образуют гранецентрированный куб. ($\text{FCC}$) микроструктура, стабилизированная никелем, что обеспечивает превосходную пластичность, прочность, и немагнитные свойства. Их основная спецификация на фитинги АСТМ А403.

СС304Х и СС321Х: Контроль высокотемпературного окисления и сенсибилизации

СС304Х представляет собой высокоуглеродистый вариант стандартного $\text{304}$ сплав. Намеренно увеличенное содержание углерода ($0.04\%$ Кому $0.10\%$) включен для повышения прочности материала при повышенных температурах, особенно для обслуживания выше $525^\circ\text{C}$ где ползучесть может стать проблемой. Однако, такое высокое содержание углерода делает его очень восприимчивым к сенсибилизация— выпадение осадков $\text{Cr}$-карбиды ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) на границах зерен при воздействии температур между $425^\circ\text{C}$ и $815^\circ\text{C}$- что истощает окружающую матрицу $\text{Cr}$, что делает его уязвимым для межкристаллитной коррозии при эксплуатации..

Чтобы противодействовать этому, в СС321Х сорт использует технику, известную как стабилизация. Он сплавлен с Титан ($\text{Ti}$), мощный карбидообразователь, имеющий гораздо более высокое сродство к углероду, чем хром. Добавив $\text{Ti}$ (в количестве, в пять раз превышающем содержание углерода), углерод преимущественно образует стабильные Карбиды Титана ($\text{TiC}$) внутри зерна, тем самым предотвращая $\text{Cr}$-карбиды от осаждения на границах зерен. Это позволяет $\text{SS321H}$ тройники можно безопасно использовать в критическом диапазоне сенсибилизации. (например, компоненты печи, выхлопные системы) без риска последующего коррозионного воздействия. Нравиться $\text{304H}$, в $\text{321H}$ обозначение подразумевает контролируемый, более высокое содержание углерода для обеспечения улучшенной жаропрочности.

СС31603 (316L): Превосходная стойкость к точечной коррозии и трещинам

СС31603 представляет собой низкоуглеродистую версию $\text{316}$ семья, обычно называют 316L. Отличительной особенностью является добавление Молибден ($\text{Mo}$), обычно $2.0\%$ Кому $3.0\%$. Этот $\text{Mo}$ имеет решающее значение для повышения Эквивалентное число сопротивления ячеек ($\text{PREN}$), обеспечивая значительно превосходящую стойкость к локальной коррозии (точечная и щелевая атака) в хлоридсодержащих средах (например, морская вода, определенные химические процессы) по сравнению с $\text{304}$ семья.

The “$\text{L}$” (низкоуглеродистый, Макс $0.03\%$) обозначение делает $\text{316L}$ по своей сути устойчив к сенсибилизация во время сварки или изготовления, поскольку углерода недостаточно для образования повреждающих границ зерен $\text{Cr}$-карбиды. Это означает, что, в отличие от $\text{304}$ или $\text{321}$, $\text{316L}$ как правило, не требует отжига после сварки для восстановления коррозионной стойкости., главное преимущество при изготовлении в полевых условиях. Однако, его низкое содержание углерода приносит в жертву некоторую высокотемпературную прочность, что делает его вообще непригодным для обслуживания выше $425^\circ\text{C}$ где $\text{H}$ марки будут выбраны для улучшения характеристик ползучести.

Таблица I-C: Требования к химическому составу (Фитинги из аустенитной нержавеющей стали)

Следующие значения основаны на требованиях ASTM A403/A403M., представляющий основной химический состав деформируемых марок.

Элемент	СС304Х (Максимум %)	СС31603 (Максимум %)	СС321Х (Максимум %)
Углерод ($\text{C}$)	$0.04 – 0.10$	$0.030$	$0.04 – 0.10$
Марганец ($\text{Mn}$)	$2.00$	$2.00$	$2.00$
Фосфор ($\text{P}$)	$0.045$	$0.045$	$0.045$
Сера ($\text{S}$)	$0.030$	$0.030$	$0.030$
Кремний ($\text{Si}$)	$1.00$	$1.00$	$1.00$
Хром ($\text{Cr}$)	$18.0 – 20.0$	$16.0 – 18.0$	$17.0 – 19.0$
Никель ($\text{Ni}$)	$8.0 – 10.5$	$10.0 – 14.0$	$9.0 – 12.0$
Молибден ($\text{Mo}$)	–	$2.00 – 3.00$	–
Титан ($\text{Ti}$)	–	–	$5 \times \text{C min}, 0.70 \text{ max}$

---

Мандат термической обработки: Восстановление целостности

Для всей этой кованой фурнитуры, обязательная термообработка после процесса формовки – это не просто формальность; это критический шаг, определяющий пригодность материала к эксплуатации., устранение причиненного ущерба путем формирования и восстановления оптимального, равновесная микроструктура.

Таблица II: Требования к термообработке (WPB, WP91, и фитинги из нержавеющей стали)

Требуемые термические обработки принципиально отличаются из-за различных металлургических структур углерода., слизняк, и нержавеющие стали.

Оценка	Тип термообработки	Диапазон температур	Техническое назначение
WPB / ДПК	Нормализация или снятие стресса	$1100-1600^\circ\text{F}$ ($595-870^\circ\text{C}$)	Устранение формирующих напряжений; уточнить/восстановить ферритно-перлитную структуру.
WP91	Нормализованный и закаленный	Нормализация: $1900^\circ\text{F}$ ($\sim 1040^\circ\text{C}$); Закалка: $1350-1470^\circ\text{F}$ ($730-800^\circ\text{C}$)	Достижение полностью отпущенной мартенситной структуры.; осадок $\text{MX}$ фазы для прочности на ползучесть.
15КрМов	Нормализованный или закаленный и отпущенный	Обычно $900-1000^\circ\text{C}$ и $680-750^\circ\text{C}$	Восстановить бейнитную/ферритную структуру; обеспечить стабильные карбиды для сопротивления ползучести.
СС304Х	Решение отожжено	$1900^\circ\text{F}$ ($\sim 1040^\circ\text{C}$) минимум, с последующим быстрым охлаждением.	Растворить $\text{Cr}$-карбиды и восстанавливают полную коррозионную стойкость; снять стресс.
СС31603	Решение отожжено	$1900^\circ\text{F}$ ($\sim 1040^\circ\text{C}$) минимум, с последующим быстрым охлаждением.	Восстановить максимальную коррозионную стойкость и низкоуглеродистую стабильность.; снять стресс.
СС321Х	Решение отожжено & Стабилизированный	$1920^\circ\text{F}$ ($\sim 1050^\circ\text{C}$) минимум, с последующим быстрым охлаждением.	Растворить все фазы (в том числе $\text{TiC}$); иногда добавляется низкотемпературная стабилизация.

Различия подчеркивают фундаментальные требования каждого класса материалов.:

• Углеродистые стали: В первую очередь снятие стресса и измельчение зерна..

• Ползучие стали (WP91): Для образования комплекса необходимы весьма специфические температуры., упорядоченные выделения, обеспечивающие прочность ползучести. The $\text{P91}$ Температуры нормализации и отпуска имеют решающее значение и тщательно выбираются для оптимизации $\text{MX}$ фазовая стабильность.

• Аустенитные нержавеющие стали: Высокая температура Решение отжиг с последующим быстрым гашением является обязательным для растворения любого осажденного $\text{Cr}$-карбиды (в $\text{304H}$) или $\text{Sigma}$ фаза, тем самым восстанавливая полноту материала, равномерная коррозионная стойкость. Для $\text{H}$ оценки, эта окончательная термообработка также должна обеспечить достижение высокоуглеродистой прочности..

Механическая целостность: Гарантия производительности

Окончательные механические свойства, измеренные после необходимой термообработки, гарантируют, что тройник выдержит расчетные нагрузки без преждевременной деформации.. Взаимосвязь между пределом текучести и пределом прочности является мерой эффективности и пластичности материала., в то время как удлинение подтверждает достаточную вязкость и резерв пластичности, чтобы избежать катастрофического хрупкого разрушения..

Таблица III: Требования к растяжению (WPB, WP91, и фитинги из нержавеющей стали)

Следующие минимальные требования к прочности на растяжение продиктованы ASTM A234. (для WPB/WP91) и АСТМ А403 (для нержавеющей стали).

Оценка	Предел текучести (0.2% Компенсировать) Мин, КСИ (МПа)	Предел прочности на растяжение мин., КСИ (МПа)	Удлинение в 2 в или 50 мм, Мин, %
WPB / ДПК	$35$ ($240$)	$60$ ($415$)	$22$
WP91	$60$ ($415$)	$85$ ($585$)	$20$
15КрМов	$45$ ($310$)	$70$ ($485$)	$20$
СС304Х	$30$ ($205$)	$75$ ($515$)	$30$
СС31603	$25$ ($170$)	$70$ ($485$)	$30$
СС321Х	$30$ ($205$)	$75$ ($515$)	$30$

Данные подчеркивают резкие различия в философии дизайна.:

• ПДБ/ДПК: Обеспечивает сбалансированный, умеренная сила.

• WP91: Обеспечивает значительно повышенную прочность (почти вдвое выше доходности WPB) при высоких температурах, что является свидетельством успеха ее микроструктурной инженерии. Отношение текучести к растяжению высокое., что отражает сильное усиление, отпущенная мартенситная структура.

• Аустенитные стали: Демонстрируют более низкий гарантированный минимальный предел текучести по сравнению с углеродистыми/легированными сталями., особенно $\text{316L}$, отражая их основную конструкцию для обеспечения коррозионной стойкости и прочности., не только для статической прочности. Однако, их превосходная способность к деформационному упрочнению часто означает, что их фактический предел текучести после формовки существенно превышает минимальный заданный. $\text{304H}$ и $\text{321H}$ показывают немного лучшую минимальную силу, чем $\text{316L}$ из-за более высокого содержания углерода. Все марки нержавеющей стали обладают высокой пластичностью., превышающий $30\%$ удлинение, обеспечение их исключительной прочности.

---

Последним этапом изготовления тройника является его интеграция в трубопроводную систему посредством сварки., который представляет собой уникальный набор задач, адаптированных к металлургическому профилю каждого материала..

1. Углеродистые стали (ПДБ/ДПК): Это самые прощающие. Стандартные процедуры сварки, предварительный нагрев только для толстых сечений или низких температур окружающей среды, и нет обязательного $\text{PWHT}$ для тонких срезов. Основной задачей является обеспечение правильного сращения корневых проходов., особенно в сложной геометрии тройника.

2. Ползучие стали (WP91 и 15CrMoV): Они требуют узкоспециализированных сварочных процедур из-за их склонности к закалке на воздухе..

   • WP91: Необходимо сваривать с использованием строгого предварительного нагрева. (обычно $200^\circ\text{C}$ минимум) и тщательно контролируемая температура между проходами для предотвращения образования неотпущенного мартенсита., который хрупкий и склонен к растрескиванию. Обязательное $\text{PWHT}$ (в $730^\circ\text{C}$ Кому $800^\circ\text{C}$) требуется сразу после сварки для отпуска мартенсита и создания $\text{MX}$ выпадает в осадок. Невыполнение должного $\text{PWHT}$ может привести к мягкому $\text{HAZ}$ (Склонность к растрескиванию IV типа) или хрупкий $\text{HAZ}$, серьезно ухудшая долгосрочные характеристики ползучести.

   • 15КрМов: Требует аналогичных элементов управления, хотя предварительный нагрев и $\text{PWHT}$ температуры обычно ниже и немного менее чувствительны, чем WP91, из-за более низкого содержания легирующих добавок..

3. Аустенитные нержавеющие стали: Они требуют особого обращения для сохранения коррозионной стойкости и контроля остаточных напряжений..

   • СС304Х: Сварка проблематична, поскольку тепловой цикл сварки повышает чувствительность $\text{HAZ}$. Если окончательная сборка не может быть подвергнута отжигу в растворе (что непрактично для большого завода), его следует избегать при работе в агрессивных средах.

   • СС31603 (316L): Предпочтительный выбор сварки для коррозионно-активных условий.. Низкое содержание углерода исключает необходимость $\text{PWHT}$ для восстановления коррозионной стойкости, упрощение полевого изготовления. Основной задачей является контроль подвода тепла во избежание образования горячих трещин. (из-за соединений с низкой температурой плавления, таких как сера или фосфор.) и ограничение деформации благодаря более высокому коэффициенту теплового расширения по сравнению с углеродистой сталью..

   • СС321Х: Наличие $\text{Ti}$ требуется специальный сварочный присадочный металл для обеспечения стабилизации в зоне сварного шва.. The $\text{Ti}$ также делает металл сварного шва медленным, и с ним становится сложнее обращаться, чем со стандартным вариантом. $\text{304L}$ или $\text{316L}$.

Разнообразная линейка тройников из нержавеющей стали, от прочных углеродистых сталей до высокопроизводительных сплавов и аустенитных марок нержавеющей стали., воплощает сложную и ответственную природу компонентов трубопроводов под давлением. Выбор правильного материала тройника является фундаментальным инженерным решением, продиктованным самыми жесткими условиями эксплуатации.:

• ПДБ/ДПК: Экономичное решение для умеренного давления и температуры., неагрессивная среда.

• WP91/15CrMoV: Обязательное решение для высокотемпературных, среда с преобладанием ползучести в производстве электроэнергии, где абсолютный микроструктурный контроль (путем нормализации и отпуска) является единственным наиболее важным фактором долгосрочной безопасности.

• СС31603: Выбор по умолчанию для коррозионных работ, связанных с хлоридами., обеспечивает отличную стойкость к точечной коррозии и легкую свариваемость в полевых условиях благодаря низкому содержанию углерода..

• СС304Х/СС321Х: Специализированные марки для эксплуатации при высоких температурах, где требуется стойкость к окислению и прочность., с $\text{321H}$ предлагая критическую стабилизацию титана, чтобы избежать катастрофической сенсибилизации в агрессивных высокотемпературных режимах.

Каждый тройник, независимо от его материала, был разработан с учетом точных химических пределов, подвергается массивной пластической деформации, и, наконец, восстановлен до оптимального состояния путем тщательно контролируемой термической обработки.. Целостность системы транспортировки жидкостей полностью зависит от способности производителя удостоверить, что каждый тройник соответствует химическим требованиям., механический, и микроструктурные требования, изложенные в соответствующей спецификации ASTM., обеспечение его безупречной работы в конкретных условиях эксплуатации., от статической прочности тройника из углеродистой стали до долгосрочной устойчивости к ползучести $\text{WP91}$ примерка на $600^\circ\text{C}$. Тройники — молчаливые свидетели потока важнейших ресурсов цивилизации., и их безупречная работа является постоянным свидетельством науки о материалах..