2012年T91合金管材质介绍 更进一步了解T91合金管
T91合金管
T91合金管规格：8-1240×1-200mm
T91合金管 T91合金管概况：
标准：
GB3087 —— 中国国家标准
GB5310 —— 中国国家标准
ASME SA210 —— 美国锅炉及压力容器规范
ASME SA213 —— 美国锅炉及压力容器规范
DIN17175 —— 联邦德国工业标准
用途：
用于低中压锅炉（工作压力一般不大于5.88Mpa，工作温度在450℃以下）的受热面管子；用于高压锅炉（工作压力一般在9.8Mpa以上，工作温度在450℃～650℃之间）的受热面管子、省煤器、过热器、再热器、石化工业用管等。
主要生产钢管牌号：
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:
钢管种类 外径(D) 壁厚(S)
冷拔管 钢管外径(mm) 允许偏差(mm) 钢管壁厚(mm) 允许偏差(mm)
＞30～50 ±0.3 ＞3～20 ±10％
力学性能：
标准 牌号 抗拉强度（MPa） 屈服强度（MPa） 伸长率（％） 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 /
化学成分:
标准 牌号 化学成分（％）
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
根据ASTM213/A213M-85C,T91钢的化
与T91钢对应的德国钢号为X10CrMoVNNb91，日本钢号为HCM95，法国则为
TUZ10CDVNb0901。
T91钢的化学成份%
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钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗
腐蚀性能，具体分析如下。
①碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含碳量的增加，钢的短时强度上
升，塑性、韧性下降，对T91这类马氏体钢而言，含碳量的上升会加快碳化物球
化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，
故耐热钢一般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。T91钢与
12Cr1MoV钢相比，含碳量降低20%，这是综合考虑上述因素的影响而决定的。
②T91钢中含微量氮，氮的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用，
常温下氮在钢中的溶解度很小，T91钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过
程中，将先后出现VN的固溶和析出过程：焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体
组织由于VN的溶入，氮含量增加，此后常温组织中的过饱和程度提高，在随后的
焊后热处理中有细小的VN析出，这增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强
度值。另一方面，T91钢中还含有少量A1，氮能与其形成A1N，A1N在1 100℃以上
才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化效果。
③加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5%时，
600℃开始剧烈氧化，而含铬量达5%时就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV钢在580
℃以下具有良好的抗氧化性，腐蚀深度为0.05 mm/a，600℃时性能开始变差，腐
蚀深度为0.13 mm/a。T91含铬量提高到9%左右，使用温度能达到650℃，主要措
施就是使基体中溶有更多的铬。
④钒与铌都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化
物，有很强的弥散强化效果。
⑤加入钼主要是为了提高钢的热强性，起到固溶强化的作用。
2.2 热处理工艺
T91的最终热处理为正火+高温回火，正火温度为1040℃，保温时间不少于10
min，回火温度为730～780℃，保温时间不少于1h，最终热处理后的组织为回火
马氏体。
2.3 机械性能
T91钢的常温抗拉强度≥585 MPa，常温屈服强度≥415 MPa，硬度≤250 HB
，伸长率(50 mm标距的标准圆形试样)≥20%，许用应力值[σ]650℃=30 MPa。
2.4 焊接性能
按照国际焊接学会推荐的碳当量公式算得T91的碳当量为
可见T91的焊接性较差。
3 T91焊接时存在的问题
3.1 热影响区淬硬组织的产生
从图1可以看出，T91的临界冷却速度低，奥氏体稳定性很大，冷却时不易发
生正常的珠光体转变，从而冷却到较低温度时发生了马氏体转变。正由于此，
T91的淬硬和冷裂倾向很大。
图1 T91钢的连续冷却曲线
由于热影响区的各种组织具有不同的密度、膨胀系数和不同的晶格形式，在
加热和冷却过程中必然会伴有不同的体积膨胀和收缩；另一方面，由于焊接加热
具有不均匀和温度高的特点，故而T91焊接接头内部应力很大。
对于T91，奥氏体十分稳定，要冷却到较低温度(约400℃)才能变为马氏体。
粗大的马氏体组织脆而硬，接头又处在复杂应力状态下。同时，焊缝冷却过程中
氢由焊缝向近缝区扩散，氢的存在促使了马氏体脆化，其综合作用的结果，很容
易在淬硬区产生冷裂纹。
3.2 热影响区晶粒长大
焊接热循环对焊接头热影响区的晶粒长大有重大的影响，特别是紧邻加热温
度达到最高的熔合区。当冷却速度较小时，在焊接热影响区会出现粗大的块状铁
素体和碳化物组织，使钢材的塑性明显下降；冷却速度大时，由于产生了粗大的
马氏体组织，也会使焊接接头塑性下降。
3.3 软化层的产生
T91钢在调质状态下焊接，热影响区产生软化层不可避免，而且比珠光体耐
热钢的软化更为严重。当用加热和冷却速度均较缓慢的规范时，软化程度较大。
另外，软化层的宽度和它离熔合线的距离，不仅与焊接的加热条件及特点有关，
还与预热、焊后热处理等有关。哈尔滨锅炉厂曾做过试验得出T91焊接热影响区
硬度曲线，见图2。
图2 T91焊接热影响区硬度曲线
①730℃回火；②750℃回火
由图2可以看出，T91钢焊缝热影响区产生的软化现象比较严重，而且接头的
回火温度越高，软化程度越严重，接头强度利用系数大大下降。
3.4 应力腐蚀裂纹
T91钢在焊后热处理之前，冷却温度一般不低于100℃，如果在室温下冷却，
而环境又比较潮湿时，容易出现应力腐蚀裂纹。德国规定：在焊后热处理之前必
须冷却至150℃以下。在工件较厚、有角焊缝存在及几何尺寸不好的情况下，冷
却温度不低于100℃。如果在室温下冷却，严禁潮湿，否则容易产生应力腐蚀裂
纹。
4 T91钢的焊接工艺
4.1 预热温度的选择
T91钢的Ms点约为400℃，预热温度一般选在200～250℃。预热温度不能太高
，否则接头冷却速度降低，可能在焊接接头中引起晶界处碳化物析出和形成铁素
体组织，从而大大降低该钢材焊接接头在室温时的冲击韧性。预热温度的下限从
哈尔滨锅炉厂所做过的插销试验可得到很好的说明。
插销试棒采用T91钢，直径8 mm,深0.5 mm，底板采用13CrMo钢，厚20 mm，
试验在不预热、预热150℃、预热200℃、预热250℃条件下进行。焊条采用J707
。焊接电流为165～170 A，电弧电压为21～267 V，试验结果如表2所示。
T91插销试验结果
试验
条件 试样
号 应力水平
/MPa 断裂时间
/min
不预热 1 303.8 9 9
2 186 8 237
3 176.4 8.3 1440未断
预热150℃ 4 421.4 8.1 1260
5 354.8 120未断
预热200℃ 6 465.2 8.6 1440未断
7 482.7 8.1 438
8 539 7.9 313
预热250℃ 9 539 8.2 1440未断
10 600 8.0 1440未断
由上述试验结果知，在不预热条件下，T91钢焊接接头的临界应力为176.4
MPa；预热150℃时，临界应力为354.8 MPa，为T91钢常温屈服极限415 MPa的
85.4%；预热200℃以上时，临界应力大于460 MPa，超过了T91钢常温屈服极限。
由此，为避免T91钢焊接时产生冷裂纹，预热温度必须不低于200℃，德国规定预
热温度为180～250℃，美国CE公司规定预热温度为120～205℃。
4.2 层间温度的选择
层间温度不得低于预热温度下限，但如同预热温度的选取一样，层间温度也
不能过高。T91焊接时层间温度一般控制在200～300℃。法国规定：层间温度不
超过300℃。美国规定：层间温度可位于170～230℃之间。
4.3 焊后热处理起始温度的选择
T91要求焊后冷却到低于Ms点以下并保持一定时间再进行回火处理，焊后冷
却速度为80～100℃/h。如果未经保温，接头的奥氏体组织可能没有完全转变，
回火加热会促使碳化物沿奥氏体晶界沉淀，这样的组织很脆。但是T91焊后也不
允许冷却到室温再进行回火，因为其焊接接头冷却到室温时就有产生冷裂纹的危
险。对于T91来说，最佳起始温度为100～150℃，并保温1h，可基本确保组织转
变完毕。
4.4 回火温度、恒温时间、回火冷却速度的选择
T91钢冷裂倾向较大，在一定条件下，容易产生延迟裂纹，故焊接接头必须
在焊后24 h内进行回火处理。T91焊后状态的组织为板条状马氏体，经过回火可
变为回火马氏体，其性能较板条状马氏体优越。回火温度偏低时，回火效果不明
显，焊缝金属容易时效而脆化；回火温度过高(超过AC1线)，接头又可能再次奥
氏体化，并在随后的冷却过程中重新淬硬。同时，如本文在前面所述，回火温度
的确定还要考虑接头软化层的影响。一般而言，T91回火温度为730～780℃。
T91焊后回火恒温时间不少于1 h，才能保证其组织完全转变为回火马氏体。
为了降低T91钢焊接接头的残余应力，必须控制其冷却速度小于5 ℃/min。
T91钢的焊接工艺可用图3表示。
图3 T91钢焊接工艺
①预热200～250 ℃；②焊接，层间温度200～300 ℃；③焊后冷却，速度为
80～100 ℃/h；④100～150 ℃保温1 h；⑤730～780 ℃回火1 h；⑥以不大于5
℃/min速度冷却
5 T91钢在广东省内火电厂应用实例
广东省电力局第一焊接培训中心曾作过Φ42 mm×5mm的T91小径管对接的焊
接工艺评定。采取的预热温度为200℃，焊后冷却到150℃，保温1h后进行回火，
回火温度为750～780℃，保温1h，升降温速度均小于5℃/min。焊后对试样进行
外观检查、断口检查、无损检测、拉伸和弯曲试验，结果均合格，这也说明上述
焊接工艺是行之有效的。
上述焊接工艺已成功应用在沙角A厂、梅县电厂高温再热器外圈。T91钢在这
些电厂应用后，由于超温等造成的事故频率大大降低。
6 结论
①T91钢靠合金化原理，尤其是添加了少量铌、钒等微量元素，高温强度、
抗氧化性较12 Cr1MoV钢有较大的提高，但其焊接性能较差。
②插销试验表明，T91钢有较大冷裂倾向，选取预热200～250 ℃，层间温度200～300 ℃，可有效防止冷裂纹产生。
③T91合金管焊后热处理前，必须冷却至100～150 ℃，保温1 h；回火温度730～ 780 ℃，保温时间不少于1 h。
④以上焊接工艺已应用于200 MW、300MW 锅炉制造生产实践中，取得满意效 果，并获得较大的经济效益。
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