Le Grade 91, désigné ASTM A182 F91 dans la spécification de forgeage, est un acier à 9 % de chrome contenant du molybdène et de faibles additions de vanadium, de niobium et d’azote, étroitement contrôlées. Il s’agit donc d’un acier 9Cr-1Mo-V modifié, UNS K90901, qui présente les contraintes admissibles les plus élevées de la famille des aciers chrome-molybdène. Longrui Forging forge le F91 en corps de vanne, couvercles, brides, pièces annulaires et ébauches de raccords de 5 kg à 520 kg par pièce, dans le comté de Yunhe, Zhejiang, Chine.
Le Grade 91 est la raison pour laquelle les centrales supercritiques modernes peuvent fonctionner avec une vapeur plus chaude : le vanadium, le niobium et l’azote forment de fins carbonitrures qui épinglent la microstructure en place à température, de sorte que l’acier conserve sa résistance là où le 2.25Cr-1Mo (F22) commence à céder. Le prix de cette performance est la discipline, car les propriétés résident dans la structure après traitement thermique et non dans la seule composition chimique.
Ce qu’est le F91
Le F91 est un acier martensitique chrome-molybdène, et non un acier inoxydable. Ses 9 % de chrome lui confèrent une résistance à l’oxydation à haute température, et les micro-alliages lui donnent sa résistance au fluage. Il est normalisé et revenu avant utilisation, et ce traitement fait partie de la spécification plutôt que d’être une simple étape de finition.
| Élément | Teneur (%) | Élément | Teneur (%) |
|---|---|---|---|
| Carbone | 0,08 – 0,12 | Chrome | 8,0 – 9,5 |
| Manganèse | 0,30 – 0,60 | Molybdène | 0,85 – 1,05 |
| Silicium | 0,20 – 0,50 | Vanadium | 0,18 – 0,25 |
| Phosphore | 0.020 max | Niobium (Cb) | 0,06 – 0,10 |
| Soufre | 0.010 max | Azote | 0.030 – 0.070 |
| Nickel | 0,40 max | Aluminium | 0,02 max |
Des nuances et des désignations qui renvoient toutes au même matériau : UNS K90901, EN 1.4903 (X10CrMoVNb9-1), Grade 91, et F91 lorsqu’il s’agit d’une pièce forgée. La masse volumique est indiquée entre 7,6 et 7,8 g/cm³ dans les fiches techniques des fournisseurs, ce qui suffit pour estimer un poids mais ne constitue pas une valeur à porter sur un plan.
F91, P91, WP91 et C12A : quelle désignation s’applique
Cette question revient dans presque chaque demande concernant le Grade 91, et la réponse détermine quelle table de propriétés l’inspecteur utilisera :
| Désignation | Norme | Forme de produit |
|---|---|---|
| F91 | ASTM A182 | Pièces forgées : corps de vanne, brides, raccords forgés, pièces annulaires |
| P91 | ASTM A335 | Tubes et tuyaux sans soudure |
| WP91 | ASTM A234 | Raccords à souder bout à bout en acier corroyé |
| C12A | ASTM A217 | Pièces coulées |
Une seule composition chimique est commune aux quatre désignations, si bien qu’une ligne allant du collecteur à la vanne d’arrêt de la turbine est constituée du même matériau de bout en bout. Ce qui change, c’est la norme de produit, et avec elle les tables de réception : l’A182 F91 exige une limite d’élasticité minimale de 415 MPa et une résistance à la traction minimale de 620 MPa pour la pièce forgée, tandis que la nuance pour tubes A335 P91 présente la même limite d’élasticité avec un minimum de 585 MPa en traction. Si une demande de devis cite la valeur de 585 pour une bride, c’est la table des tubes qui est appliquée à une pièce forgée, et il vaut mieux régler ce point avant la commande plutôt qu’à la réception des marchandises.
Propriétés mécaniques et plage de dureté
| Propriété | Minimum ASTM A182 F91 |
|---|---|
| Limite d’élasticité (0,2 %) | 415 MPa (60 ksi) |
| Résistance à la traction | 620 MPa (90 ksi) |
| Allongement sur 50 mm | 20 % |
| Striction | 40 % |
| Dureté Brinell | 190 – 248 HBW |
La dureté est surveillée des deux côtés sur cette nuance, et les deux côtés ont une signification. Trop dure, elle signale de la martensite non revenue restée dans la pièce, ce qui constitue un risque de fissuration en service ; trop molle, elle signale un sur-revenu qui a déjà consommé une partie de la résistance au fluage pour laquelle cette nuance a été achetée. C’est pourquoi le F91 est normalement commandé avec un relevé de dureté sur chaque pièce ou chaque lot, et pourquoi l’enregistrement du traitement thermique accompagne le certificat.
Quand le F91 n’est pas la solution
- En dessous d’environ 550 °C. Le nuance 91 est acheté pour sa résistance au fluage. Dans une ligne qui ne chauffe jamais, le F22 ou le F11 fait le travail pour moins d’argent et avec un domaine de soudage beaucoup plus large.
- Service humide ou chargé en chlorures. Le chrome seul ne fait pas un acier inoxydable. Lorsque la contrainte est la corrosion et non la température, la réponse est une nuance inoxydable ou duplex, pas un acier 9Cr.
- Là où personne ne contrôlera le traitement thermique. Un F91 soudé avec la mauvaise procédure, ou revenu à la mauvaise température, perd les propriétés qui l’ont justifié. Les projets qui spécifient du F91 attendent un traitement thermique documenté, des relevés de dureté et une discipline PWHT de chaque fournisseur de la chaîne.
- Sections minces qui n’en ont pas besoin. L’avantage de résistance se traduit en épaisseur de paroi et en poids. Sur une petite pièce faiblement chargée, il n’y a rien à y gagner.
Ce que nous forgeons en F91
- Corps et couvercles de vanne pour service vapeur à haute température et centrales électriques
- Brides et pièces annulaires selon ASME B16.5 et dimensions du projet
- Ébauches de raccords et composants usinés selon plan
- 5 kg à 520 kg par pièce, sur des presses de 2 000 T à la presse multidirectionnelle de 6 000 T
- Fournis bruts de forge, usinés en ébauche ou usinés finis selon plan, avec rapports dimensionnels sur les pièces usinées
- Contrôles UT, MT, PT et VT, avec l’étendue des essais convenue à la commande
Maîtrise du forgeage et du traitement thermique
Le nuance 91 présente une fenêtre de forgeage étroite. Il résiste à la déformation à température, ce qui exige de la capacité de presse et une équipe qui travaille la pièce en une seule chauffe plutôt que de la réchauffer à répétition. Après forgeage, la pièce est normalisée et revenue pour construire la structure pour laquelle la nuance est spécifiée, la température du four et le refroidissement étant surveillés et enregistrés pour chaque lot.
Ce que nous maîtrisons sur une commande de F91 :
- Plage de température de forgeage tenue et enregistrée, sans travail en dessous du minimum
- Normalisation et revenu selon le cycle du tableau 1 de l’ASTM A182 pour le F91 : normalisation 1900–1975 °F [1040–1080 °C], refroidissement à l’air, revenu 1350–1470 °F [730–800 °C], sur un cycle enregistré ; lorsque la commande indique sa propre température de revenu, nous travaillons selon celle-ci
- Dureté contrôlée après le traitement thermique, et non à sa place
- Chimie vérifiée sur notre propre spectromètre pour chaque coulée, y compris les additions de vanadium, de niobium et d’azote qui distinguent la nuance 91 d’un simple 9Cr-1Mo
- Examen UT et examen de surface avant expédition, avec l’étendue convenue au préalable
Normes, documents et essais
Les pièces forgées en F91 sont fabriquées selon ASTM A182, la spécification applicable aux brides, raccords, vannes et pièces en acier allié et inoxydable, forgés ou laminés, pour service à haute température. La tuyauterie est commandée selon A335, les raccords selon A234 et les pièces coulées selon A217 ; le même matériau arrive sous chacune de ces normes, et le certificat indique la norme selon laquelle il a été fabriqué.
Un certificat d’inspection EN 10204 3,1 est ce que nous délivrons en standard avec une commande F91 ; lorsque le projet exige des essais en présence d’un tiers, un 3,2 contresigné par un inspecteur externe est fourni sur demande et chiffré en poste distinct. Les rapports de composition chimique et d’essais mécaniques, les courbes de traitement thermique et les relevés de dureté accompagnent l’expédition, et le numéro de coulée est traçable de la billette à l’expédition. L’équipement d’essai et l’ensemble complet des certificats figurent sur Capacités et Certifications.
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Questions fréquentes
Qu’est-ce que le matériau F91 ?
Le F91, UNS K90901, est la désignation de forgeage ASTM A182 du Grade 91 : un acier à 9 % de chrome et 1 % de molybdène, modifié au vanadium, au niobium et à l’azote. C’est un acier chrome-moly martensitique pour service à haute température, utilisé principalement pour les composants de tuyauterie vapeur supercritique et ultra-supercritique. La désignation européenne est 1.4903, X10CrMoVNb9-1.
Quelle est la différence entre F91 et P91 ?
La forme du produit et la norme qui la régit. Le F91 est la désignation de forgeage selon ASTM A182, utilisée pour les corps de vanne, les brides et les raccords forgés. Le P91 est la désignation pour tubes et tuyaux sans soudure selon ASTM A335. La composition chimique relève de la même famille, de sorte que des composants des deux désignations sont utilisés sur une même ligne, mais les tableaux de propriétés mécaniques diffèrent : A182 F91 exige 620 MPa de résistance à la traction minimale, A335 P91 exige 585 MPa.
F91 ou F22, lequel dois-je prescrire ?
Cela dépend de la température de service et de l’épaisseur de paroi. Le F22 (2.25Cr-1Mo) est un acier chrome-moly conventionnel pour le bas de la plage haute température, avec un domaine de soudage et de traitement thermique plus souple. Le F91 supporte une contrainte admissible bien plus élevée à la même température, ce qui permet des parois plus minces et des composants plus légers, au prix d’un contrôle beaucoup plus strict du traitement thermique et de la dureté. En dessous d’environ 550 °C, il n’y a généralement aucune raison de payer pour du F91.
Quelles sont les propriétés mécaniques de l’ASTM A182 F91 ?
Limite d’élasticité minimale 415 MPa (60 ksi), résistance à la traction minimale 620 MPa (90 ksi), allongement 20 % sur 50 mm, striction 40 %, et une plage de dureté Brinell de 190 à 248 HBW. La dureté est spécifiée sous forme de plage à dessein : ses deux extrémités portent une information sur le traitement thermique.
Pouvez-vous forger des corps de vanne et des brides en F91 ?
Oui. Le F91 est l’une des nuances haute température que nous forgeons régulièrement, aux côtés du F22 et du F92. Nous forgeons des corps, des couvercles, des brides, des pièces annulaires et des ébauches de raccords de 5 kg à 520 kg, nous les traitons thermiquement selon un cycle enregistré, nous contrôlons la dureté après traitement thermique et nous les contrôlons avant expédition. Envoyez le plan avec la nuance, la norme et l’étendue des essais et nous établirons le devis.
Quel traitement thermique le F91 nécessite-t-il ?
Normalisation et revenu selon le cycle de l’ASTM A182 Tableau 1 : normaliser à 1900–1975 °F [1040–1080 °C], refroidir à l’air, puis revenir à 1350–1470 °F [730–800 °C]. Le but est de produire la structure martensitique revenue dont dépend la résistance de la nuance Grade 91 et de ne laisser aucune martensite non revenue. La norme autorise également la trempe et le revenu pour les raccords F91 d’une section supérieure à 3 pouces (75 mm), au choix du fabricant, et un bon de commande peut spécifier son propre cycle au titre des exigences supplémentaires de la spécification. Un contrôle de dureté après traitement thermique confirme le résultat, et le relevé est expédié avec le certificat.
Le certificat indique-t-il le vanadium, le niobium et l’azote ?
Oui. Ces trois éléments distinguent Grade 91 du 9Cr-1Mo ordinaire ; ils font donc partie de l’analyse chimique figurant sur le certificat, par coulée, réalisée avec notre propre spectromètre plutôt qu’avec une analyse papier d’un fournisseur.