P11 مقابل P22 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

تعتبر P11 و P22 من الفولاذات السبيكية Cr–Mo المستخدمة على نطاق واسع في مكونات الضغط، وخاصة الأنابيب والرؤوس وأنابيب الغلايات في محطات توليد الطاقة ومصانع البتروكيماويات. يقوم المهندسون وفرق الشراء غالبًا بوزن المزايا والعيوب بين القوة العالية وقدرة تحمل درجات الحرارة المرتفعة مقابل التكلفة وقابلية اللحام والصلابة عند الاختيار بينهما.

الميزة الرئيسية المميزة هي محتوى الكروم والموليبدينوم الأعلى في P22 مقارنةً بـ P11، مما يحول الأداء نحو قوة أكبر ومقاومة للزحف وقابلية تصلب على حساب تقليل قابلية اللحام إلى حد ما وزيادة تكلفة المواد. نظرًا لأنهما يشغلان نقاطًا متجاورة في طيف سبائك Cr–Mo، يتم مقارنة هذه الدرجات عادةً عند تصميم أنظمة الضغط متوسطة الحرارة (حتى عدة مئات من درجات مئوية).

1. المعايير والتسميات

• المعايير الشائعة:
• ASTM/ASME: SA/SAE A335 P11، P22 (أنابيب فولاذية سبيكية غير ملحومة)، A/SA 335 المحددة للخدمة في درجات الحرارة العالية.
• EN: عائلات درجات Cr–Mo المعادلة في معايير EN (على سبيل المثال، سلسلة EN 10216/10222 تحتوي على عائلات منتجات Cr–Mo مماثلة).
• JIS/GB: تشمل المعايير اليابانية والصينية فولاذ Cr–Mo قابل للمقارنة مع كيمياء وخصائص مماثلة.
• التصنيف:
• كلا من P11 و P22 هما فولاذان سبيكيان (درجات كروم–موليبدينوم الفريتية)، وليس فولاذ مقاوم للصدأ أو فولاذ أدوات. لا يتم تصنيفهما كفولاذات HSLA بالمعنى الدقيق، ولكنهما فولاذان منخفضا السبيكة مصممان لتحمل الضغط وقوة درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الزحف.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

جدول: نطاقات التركيب الاسمي النموذجية (wt%، تمثل المواصفات الشائعة والممارسة التجارية)

عنصر	P11 (نموذجي)	P22 (نموذجي)
C	0.05–0.15	0.05–0.15
Mn	0.25–0.60	0.25–0.60
Si	0.10–0.50	0.10–0.50
P	≤0.03	≤0.03
S	≤0.03	≤0.03
Cr	~0.9–1.4 (≈1.0–1.25)	~2.0–2.6 (≈2.25)
Mo	~0.4–0.6 (≈0.5)	~0.8–1.15 (≈1.0)
Ni	≤0.40	≤0.40
V، Nb، Ti، B، N	أثر/لا شيء (يعتمد على الشركة المصنعة)	أثر/لا شيء (يعتمد على الشركة المصنعة)

ملاحظات: - القيم المعروضة هي نطاقات نموذجية من مواصفات أوعية الضغط/الأنابيب بدلاً من حدود التحكم الدقيقة لجميع أشكال المنتجات. يجب استشارة الشهادات والمعايير الخاصة بالمطاحن للمشاريع الحرجة في العقود. - الاستراتيجية الرئيسية للسبيكة هي أن P22 تحتوي على كميات إضافية كبيرة من Cr و Mo مقارنةً بـ P11. هذا يزيد من قابلية التصلب، وقوة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الأكسدة/التآكل في بعض البيئات، بينما توفر P11 كيمياء أبسط مع قابلية لحام أفضل إلى حد ما وتكلفة مواد أقل.

كيف تؤثر السبيكة على الأداء: - يزيد الكروم من مقاومة الأكسدة، وقابلية التصلب، وقوة درجات الحرارة العالية؛ كما يعزز تكوين الكربيد الذي يثبت القوة عند درجات الحرارة المرتفعة. - يقوي الموليبدينوم مصفوفة الفريت، ويحسن مقاومة الزحف، ويزيد من قابلية التصلب، مما يحسن الاحتفاظ بالقوة عند درجات الحرارة المرتفعة. - يحدد الكربون وMn وSi القوة الأساسية وقابلية التصلب؛ يزيد الكربون العالي من القوة ولكن يمكن أن يقلل من قابلية اللحام والصلابة إذا لم يتم التحكم فيه.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - في الحالة المعالجة والمخمرة، تظهر كلا الدرجتين بنى مارتنسيت مخمرة أو بنى باينيتية مخمرة اعتمادًا على معدلات التبريد ومحتوى السبيكة. تفضل P22، مع محتوى أعلى من Cr و Mo، بشكل أقوى تكوين المارتنسيت/الباينيت وقابلية التصلب الأعلى لنفس الدورة الحرارية مقارنةً بـ P11. - البنى المجهرية كما تم لفها لكلاهما هي بيرلايت/فريت مخمرة مع كربيدات سبيكية (كربيدات Cr–Mo) موزعة.

استجابات المعالجة الحرارية: - المعالجة الهوائية (التبريد الهوائي من فوق A3) تصقل حجم الحبيبات وتنتج بنية مجهرية موحدة. تتطلب P22 عادةً درجات حرارة تخمير أعلى لتحقيق صلابة مقارنة بسبب زيادة قابلية التصلب. - التبريد والتخمير: يمكن أن يتم تبريد وتخمير كلا الدرجتين؛ ستصل P22 إلى مستويات قوة أعلى بعد نفس التبريد بسبب محتوى Cr–Mo، ولكن يجب ضبط جداول التخمير لاستعادة الصلابة وتقليل الصلابة المتبقية. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: تحسين الصلابة ومقاومة الزحف من خلال الدرفلة المنضبطة تليها التخمير؛ إذا كانت الإضافات الميكروية (Nb، V، Ti) موجودة، فإنها تصقل حجم الحبيبات وتثبيت الانزياحات بشكل أكبر.

اعتبارات عملية: - تعني قابلية التصلب الأعلى لـ P22 أن الأقسام السميكة والمبددات الحرارية الكبيرة يمكن أن تشكل بنى مجهرية أكثر صلابة (خطر التشقق البارد في منطقة اللحام HAZ دون تسخين مسبق). - التخمير أمر حاسم لتحقيق توازن بين القوة والصلابة لكلا الدرجتين، خاصةً في درجات الحرارة التشغيلية حيث تكون الزحف مصدر قلق.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: مقارنة نوعية (حالات المنتج النموذجية المعالجة والمخمرة)

خاصية	P11	P22
قوة الشد	متوسطة	أعلى
قوة العائد	متوسطة	أعلى
التمدد (المرونة)	عمومًا أعلى	أقل قليلاً
صلابة التأثير (عند درجة حرارة الغرفة)	جيدة عند تخميرها بشكل صحيح	جيدة ولكن يمكن أن تكون أكثر حساسية للمعالجة الحرارية
الصلابة (كما تم تسليمها)	أقل	أعلى

تفسير: - تميل P22 إلى تحقيق قوة شد وقوة عائد أعلى بشكل أساسي بسبب محتوى Cr و Mo المرتفع الذي يزيد من القوة وقابلية التصلب. تعتبر P11 عمومًا أكثر مرونة وأسهل قليلاً لتحقيق مناطق HAZ صلبة بعد اللحام. - يمكن أن تكون صلابة التأثير لكلاهما ممتازة عند المعالجة والتخمير بشكل صحيح؛ ومع ذلك، تعني قابلية التصلب الأعلى لـ P22 أن التحكم الحراري غير الصحيح يمكن أن يقلل من الصلابة في الأقسام السميكة أو الوصلات الملحومة بشكل سيء. - يمكن ضبط توازن القوة مقابل الصلابة من خلال التخمير؛ يجب أن يحدد التصميم الطاقة المطلوبة للتأثير والمعالجة الحرارية لضمان الامتثال.

5. قابلية اللحام

محركات قابلية اللحام: - يعتبر مكافئ الكربون وقابلية التصلب مؤشرات رئيسية على القابلية للتصلب في منطقة اللحام HAZ والتشقق البارد. تتطلب كلا الدرجتين تسخينًا مسبقًا ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) لتطبيقات الضغط، ولكن عادةً ما تتطلب P22 تحكمات أكثر تحفظًا. - يوفر استخدام صيغ مكافئ الكربون تقييمًا نوعيًا لقابلية اللحام.

المؤشرات الشائعة (للتفسير فقط): - مكافئ الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - معلمة المعهد الدولي للحام: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - نظرًا لأن P22 تحتوي على كميات أعلى من Cr و Mo، فإن قيم $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ ستكون أعلى لـ P22 مقارنةً بـ P11 مع كيمياء مماثلة، مما يشير إلى قابلية تصلب أكبر وخطر أعلى من تصلب منطقة اللحام HAZ والتشقق البارد. - العواقب العملية: زيادة التسخين المسبق، التحكم في درجات حرارة التداخل، المواد الاستهلاكية منخفضة الهيدروجين، و PWHT عند درجات حرارة محددة تكون أكثر أهمية لـ P22، خاصةً في الأقسام السميكة.

6. التآكل وحماية السطح

• لا تعتبر P11 ولا P22 مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل في البيئات الرطبة أو الكيميائية العدوانية محدودة. يتحسن سلوك تشكيل الكروم مع زيادة محتوى الكروم، لذا تقدم P22 مقاومة أكسدة أفضل بشكل معتدل عند درجات الحرارة المرتفعة وقد تشكل طبقة أكسيد أكثر حماية في الأجواء المؤكسدة عند درجات الحرارة العالية.
• للتآكل الجوي العام أو المائي، يتطلب حماية السطح: الطلاء، الطلاءات الإيبوكسية، أو الجلفنة (حيثما كان ذلك متوافقًا) هي شائعة. بالنسبة للخدمة المدفونة أو تحت البحر، تعتبر الطلاءات الإيبوكسية والحماية الكاثودية شائعة.
• PREN غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ؛ للسياق، PREN هو: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• استخدام PREN له معنى فقط للفولاذات المقاومة للصدأ التي تحتوي على كميات كبيرة من النيكل والنيتروجين؛ بالنسبة لـ P11/P22، فإن محتوى الكروم والموليبدينوم منخفض مقارنة بالفولاذات المقاومة للصدأ، لذا يجب أن يعتمد تخطيط مقاومة التآكل على الطلاءات والمثبطات واختيار المواد.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: كلاهما قابل للتشغيل في الحالة المعالجة/المخمرة؛ يمكن أن تقلل القوة والصلابة الأعلى لـ P22 من عمر الأداة وتتطلب معلمات تشغيل أثقل مقارنةً بـ P11.
• قابلية التشكيل/الانحناء: يكون التشكيل البارد أسهل مع P11 بسبب قوة العائد المنخفضة والمرونة الأعلى. تعتبر P22 أقل تسامحًا في الانحناءات الضيقة وقد تتطلب أشعة انحناء أكبر أو معلمات تشكيل/انحناء تحت درجات حرارة مرتفعة.
• إنهاء السطح: كلاهما يستجيب بشكل جيد لعمليات إنهاء قياسية؛ الطحن والتلميع سهلان عند تخميرها إلى صلابة معتدلة.
• ممارسة اللحام: بالنسبة لأنظمة الضغط، يتطلب كلاهما معادن تعبئة مؤهلة متوافقة مع التخمير و PWHT لتجنب الهشاشة؛ غالبًا ما تحتاج P22 إلى خيارات تعبئة أكثر صلابة وضوابط عملية أكثر صرامة.

8. التطبيقات النموذجية

P11 (الاستخدامات النموذجية)	P22 (الاستخدامات النموذجية)
أنابيب الغلايات ذات درجات الحرارة المنخفضة إلى المتوسطة، والرؤوس، والأنابيب حيث تكون التكلفة وقابلية اللحام ذات أولوية	أنابيب الخدمة ذات درجات الحرارة العالية، وخطوط البخار، ورؤوس وأنابيب السخانات/المسخنات حيث تكون قوة درجات الحرارة المرتفعة مطلوبة
مكونات هيكلية في محطات الطاقة حيث تكون مقاومة الزحف المتوسطة كافية	مكونات معرضة لدرجات حرارة بخار وضغوط أعلى حيث تكون مقاومة الزحف والأكسدة مهمة
مبادلات حرارية وأوعية ضغط في خدمة البتروكيماويات مع درجات حرارة/ضغوط متوسطة	مكونات حرجة لأوعية الضغط وأنابيب في المصافي ومحطات الطاقة تتطلب قوة أعلى ومقاومة أفضل للأكسدة عند درجات الحرارة العالية

مبررات الاختيار: - اختر P11 عندما تحتاج إلى توازن بين التكلفة وسهولة التصنيع وأداء مقبول عند درجات الحرارة المرتفعة في ظروف الخدمة المتوسطة. - اختر P22 عندما تتضمن الخدمة درجات حرارة أعلى، وضغوط تصميم أعلى، أو عندما تبرر مقاومة الزحف المحسنة وأداء الأكسدة تكلفة المواد والتصنيع الأعلى.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: تعتبر P22 عمومًا أكثر تكلفة من P11 بسبب محتوى الكروم والموليبدينوم الأعلى ومتطلبات المعالجة/المعالجة الحرارية الأكثر صرامة. يعتبر الموليبدينوم إضافة سبيكية مكلفة نسبيًا.
• التوافر: كلا الدرجتين شائعتان في نطاقات أنابيب غير ملحومة وقابلة للحام؛ يتم تخزين P11 و P22 على نطاق واسع لأسواق الطاقة والبتروكيماويات. يعتمد التوافر حسب شكل المنتج (أنابيب، ألواح، مطروقات) على مخزون المطاحن والإمدادات الإقليمية. يمكن أن تكون أوقات التسليم لـ P22 أطول خلال فترات ضيق سوق الموليبدينوم.

10. الملخص والتوصية

جدول: ملخص مقارن (نوعي)

خاصية	P11	P22
قابلية اللحام	أفضل (قابلية تصلب أقل)	أكثر تطلبًا (قابلية تصلب أعلى)
توازن القوة–الصلابة	قوة متوسطة، مرونة جيدة	قوة أعلى، يمكن أن تكون أقل مرونة إذا لم يتم تخميرها بشكل صحيح
التكلفة	أقل	أعلى

التوصيات: - اختر P11 إذا: - كنت بحاجة إلى سبيكة Cr–Mo فعالة من حيث التكلفة لأنظمة الضغط ذات درجات الحرارة المتوسطة. - كانت سهولة اللحام والتصنيع والمرونة من الأولويات. - كانت درجات الحرارة والضغوط في حدود قدرة P11 ولم يكن الزحف هو المعيار التصميمي المسيطر. - اختر P22 إذا: - كانت التطبيق يتطلب قوة أعلى عند درجات الحرارة المرتفعة، أو مقاومة محسنة للزحف، أو مقاومة أفضل للأكسدة عند درجات حرارة بخار/غاز أعلى. - كنت قادرًا على تنفيذ ضوابط لحام أكثر صرامة، وتسخين مسبق/PWHT، وقبول تكلفة مواد أعلى لتحسين الأداء على المدى الطويل.

ملاحظة أخيرة: حدد المعالجة الحرارية المطلوبة، وطاقة التأثير، والتسخين المسبق، و PWHT في مستندات الشراء؛ استشر شهادات اختبار المطاحن للحصول على الكيمياء الفعلية والخصائص الميكانيكية لكل دفعة. بالنسبة للتصاميم الحرجة لأوعية الضغط أو درجات الحرارة المرتفعة، تحقق من الاختيار مع بيانات الزحف، والخصائص طويلة الأجل، والامتثال للرموز ذات الصلة.