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

مقدمة

تعتبر P11 و P22 نوعين من الفولاذات السبيكية المستخدمة على نطاق واسع من الكروم والموليبدينوم، والمحددة للأجزاء المعرضة للضغط والخدمة في درجات الحرارة العالية مثل أنابيب الغلايات والرؤوس والأنابيب. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً بوزن المزايا والعيوب بين القوة ومقاومة الزحف، وقابلية اللحام، والصلابة، والتكلفة عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار الدرجة المناسبة للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة (الزحف مقابل التكلفة)، وتحديد ممارسات التسخين المسبق ومعالجة الحرارة بعد اللحام (قابلية اللحام ومخاطر تشقق الهيدروجين)، وتحسين تكلفة دورة الحياة لفترات الاستبدال.

تتمثل الميزة التصميمية الرئيسية التي تميز بين هذين النوعين في استراتيجية السبائك الخاصة بهما: تحتوي P22 على محتوى أعلى من الكروم والموليبدينوم مقارنةً بـ P11. تدفع هذه الاختلافات التركيبية إلى زيادة القوة في درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف في P22، بينما تزيد من قابلية الصلابة واعتبارات اللحام/التسخين المسبق مقارنةً بـ P11. نظرًا لاستخدام كلاهما في تطبيقات الأنابيب وأوعية الضغط المماثلة، فإن المقارنة شائعة أثناء اختيار المواد لمحطات الطاقة والمصافي ومعدات البتروكيماويات.

1. المعايير والتسميات

• المعايير والتسميات الشائعة:
• ASME/ASTM: ASME SA335 / ASTM A335 (أنابيب فولاذية سبيكية غير ملحومة): P11، P22.
• EN: تُعطى التسميات المعادلة أحيانًا كعائلات 1.0–1.25Cr–0.5Mo و2.25Cr–1Mo؛ تختلف أرقام EN المحددة حسب المنتج ومعالجة الحرارة.
• JIS / GB: قد تسرد المعايير الإقليمية الدرجات المقابلة (استشر جداول المعايير المحددة للمرجع الدقيق).
• فئة المادة:
• كلا من P11 و P22 هما فولاذان سبيكيان (فولاذات حديدية سبيكية من الكروم والموليبدينوم) مخصصان للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة. هما ليسا فولاذات مقاومة للصدأ، أو فولاذات أدوات، أو فولاذات HSLA بالمعنى المعتاد.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تلخص الجدول التالي المستويات النسبية للعناصر الشائعة بدلاً من النسب المطلقة؛ هذا يتجنب تقديم قيم عددية محددة تعتمد على المواصفات الدقيقة والبائع.

عنصر	P11 (مستوى نسبي)	P22 (مستوى نسبي)
C	منخفض–معتدل	منخفض–معتدل
Mn	منخفض–معتدل	منخفض–معتدل
Si	منخفض–معتدل	منخفض–معتدل
P	أثر / مسيطر	أثر / مسيطر
S	أثر / مسيطر	أثر / مسيطر
Cr	معتدل (أقل)	أعلى (أعلى بشكل ملحوظ)
Ni	أثر / منخفض	أثر / منخفض
Mo	معتدل (أقل)	أعلى (أعلى بشكل ملحوظ)
V	أثر / إمكانية سبائك دقيقة	أثر / إمكانية سبائك دقيقة
Nb (Nb/Ta)	عادةً لا يضاف	عادةً لا يضاف
Ti	أثر / مسيطر	أثر / مسيطر
B	عادةً لا يتم تحديده	عادةً لا يتم تحديده
N	مستويات منخفضة مسيطر عليها	مستويات منخفضة مسيطر عليها

تفسير: - تم صياغة P11 بإضافات معتدلة من الكروم والموليبدينوم لتوفير القوة ومقاومة الزحف في درجات الحرارة المرتفعة مع الاحتفاظ بقابلية لحام جيدة نسبيًا. إن سبائكها محافظة. - تزيد P22 من مستويات الكروم والموليبدينوم لرفع القوة في درجات الحرارة العالية، ومقاومة الأكسدة، ومقاومة الزحف؛ كما أن هذه الزيادات تزيد من قابلية الصلابة ويمكن أن تجعل اللحام ومعالجة الحرارة أكثر تطلبًا. - العناصر الأخرى مثل Mn و Si موجودة بمستويات مشابهة ومسيطر عليها في كلا الدرجتين وتؤثر بشكل أساسي على إزالة الأكسدة، والقوة، والصلابة. - تعتبر مستويات الشوائب المنخفضة جدًا والمسيطر عليها (P، S، N) مهمة للصلابة والأداء في درجات الحرارة العالية في كلا الدرجتين.

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يزيد الكروم والموليبدينوم من قابلية الصلابة، وقوة درجات الحرارة المرتفعة، وأداء الزحف؛ كما يساهم الكروم في مقاومة الأكسدة. - يزيد الكربون من القوة ولكنه يقلل من قابلية اللحام والصلابة إذا كان مفرطًا. - يمكن أن تعمل العناصر الدقيقة (V، Nb، Ti) على تحسين حجم الحبيبات وتحسين قوة الزحف من خلال تقوية الترسيب عند وجودها عمدًا.

3. البنية المجهرية واستجابة معالجة الحرارة

البنى المجهرية النموذجية وسلوك معالجة الحرارة: - البنية المجهرية الأساسية بعد التطبيع والتخمير: تتطور كلا الدرجتين إلى بنية مارتنزيتية أو باينيتية مخمرة حسب معدل التبريد ومستوى السبيكة. يعمل التطبيع بشكل صحيح على تحسين حجم حبيبات الأوستينيت السابقة؛ يقلل التخمير من الصلابة بينما يستعيد الصلابة. - P11: مع محتواها الأقل من السبيكة، عادةً ما تشكل P11 مارتنزيت مخمر أو باينيت مخمر مع استجابة تخمير سهلة نسبيًا. تقبل دورات التطبيع والتخمير القياسية المستخدمة لفولاذات Cr–Mo منخفضة السبيكة وتكون متسامحة في نوافذ معالجة الحرارة. - P22: يزيد الكروم والموليبدينوم الأعلى من قابلية الصلابة ويبطئ التحولات الباينيتية/المارتنزيتية؛ تحت التبريد السريع، يمكن أن تكون البنية المجهرية بعد التبريد أكثر صلابة وأكثر مارتنزيتية. يعتبر التخمير ضروريًا لاستعادة الصلابة وضبط خصائص الزحف؛ قد تتطلب P22 معالجة حرارة أكثر تحكمًا لتجنب الإفراط في التخمير أو تدرجات الصلابة المحتفظ بها. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: لا يتم عادةً معالجة أي من الدرجتين باستخدام TMCP العدوانية لمستويات الصفائح عالية القوة المستخدمة في الفولاذ الهيكلي؛ بالنسبة للمكونات، فإن العمل الساخن المتحكم فيه يليه التطبيع والتخمير هو المسار القياسي لإنتاج بنية مجهرية مخمرة موثوقة. - اعتبارات الزحف: تدعم سبائك P22 قوة زحف أعلى في درجات الحرارة المرتفعة؛ تعتبر استقرار الكربيدات (الكربيدات الغنية بالكروم والموليبدينوم) وتوزيعها بعد التخمير مفتاح الأداء على المدى الطويل.

4. الخصائص الميكانيكية

يوفر الجدول التالي أوصافًا مقارنة نوعية؛ القيم الفعلية تعتمد على المواصفات ومعالجة الحرارة.

خاصية	P11 (نموذجي)	P22 (نموذجي)
قوة الشد	معتدلة	أعلى
قوة العائد	معتدلة	أعلى
التمدد (المرونة)	جيدة	جيدة إلى منخفضة قليلاً
صلابة التأثير	جيدة (خصوصًا بعد التخمر المناسب)	جيدة عند تخميرها بشكل صحيح؛ قد تكون أكثر حساسية لمعالجة الحرارة
الصلابة (كما تم معالجتها بالحرارة)	معتدلة	أعلى (يمكن أن تكون أعلى قبل التخمير)

التفسير: - تحقق P22 عمومًا قوة شد وقوة عائد أعلى ومقاومة زحف متفوقة في درجات الحرارة المرتفعة بسبب محتوى الكروم والموليبدينوم الأعلى ووجود مراحل كربيد أكثر استقرارًا. - غالبًا ما تقدم P11 سهولة أفضل قليلاً في تحقيق الصلابة، مع قابلية صلابة أقل قليلاً وبالتالي تعقيدات أقل في اللحام/معالجة الحرارة في العديد من بيئات الورش. - يمكن إنتاج كلا الدرجتين لتلبية أهداف محددة من التأثير والقوة من خلال التطبيع والتخمير المناسبين؛ تعتمد الخصائص النهائية على معالجة الحرارة.

5. قابلية اللحام

تتأثر قابلية اللحام بمعامل الكربون وقابلية الصلابة. اثنان من الأوصاف التجريبية المستخدمة بشكل شائع هما معامل الكربون IIW و Pcm الأكثر شمولاً:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - تنتج P22، بمحتواها الأعلى من الكروم والموليبدينوم، مساهمة أعلى في مصطلحات قابلية الصلابة في $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$؛ وبالتالي، فإن المناطق الملحومة أكثر عرضة لتشكيل مارتنزيت صلب وتتطلب تحكمًا أكثر دقة (تسخين مسبق، درجة حرارة بينية، ومعالجة حرارة بعد اللحام — PWHT). - عادةً ما تحتوي P11 على مساهمة أقل محسوبة من الكربون من Cr و Mo، مما يجعلها أسهل في اللحام باستخدام الإجراءات القياسية؛ غالبًا ما يكون من الممكن استخدام شدة تسخين مسبق/PWHT أقل. - تتطلب كلا المادتين عادةً PWHT في تطبيقات أوعية الضغط والأنابيب لتقليل الضغوط المتبقية وتخمير أي هياكل مجهرية صلبة تتشكل في منطقة التأثير الحراري (HAZ). - التشقق الناتج عن الهيدروجين: نظرًا لأن P22 أكثر قابلية للصلابة، فهي أكثر عرضة للتشقق في HAZ إذا لم يتم التحكم في الهيدروجين والقيود؛ تتطلب إجراءات صارمة للتسخين المسبق، واختيار المواد الاستهلاكية، والتحكم في الهيدروجين. - المواد الاستهلاكية: يتم اختيار المعادن المالئة المتطابقة أو المتفوقة بمحتوى سبيكة مناسب لتلبية متطلبات القوة ودرجات الحرارة العالية؛ يجب أن يأخذ اختيار المالئ في الاعتبار توافق PWHT وأداء الزحف.

6. التآكل وحماية السطح

• لا تعتبر P11 ولا P22 سبيكة مقاومة للصدأ؛ تعتمد على الطلاءات، والدهانات، والتغليف (حيثما ينطبق ذلك على التعرض لدرجات حرارة منخفضة)، أو التكسية للبيئات التآكلية.
• يوفر محتوى الكروم الأعلى في P22 مقاومة محسنة قليلاً للأكسدة في درجات الحرارة المرتفعة مقارنةً بـ P11، ولكن هذا لا يعادل مقاومة التآكل المقاوم للصدأ.
• للتآكل المائي أو تيارات العمليات شديدة التآكل، يتطلب الأمر تكسية مع درجات مقاومة للصدأ أو مخصصات للتآكل.
• يستخدم PREN (رقم مقاومة التآكل) للسبائك المقاومة للصدأ ولا ينطبق على هذه الفولاذات السبيكية منخفضة الكروم والموليبدينوم، ولكن للتوضيح، فإن صيغة PREN هي:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• نظرًا لأن PREN مخصص للفولاذ المقاوم للصدأ، فلا ينبغي استخدامه لتقييم P11/P22؛ يجب أن يتم هندسة أدائها في التآكل من خلال اختيار أنظمة الحماية، أو التكسية المادية، أو مخصصات التآكل بناءً على البيئة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل:
• تعمل كلا الدرجتين بشكل مرضٍ في الظروف المعالجة بالتطبيع والتخمير، ولكن يمكن أن تكون P22 أكثر خشونة وتعمل على زيادة الصلابة إذا لم يتم تحسين معلمات القطع بسبب محتوى الصلابة الأعلى والكربيدات.
• قابلية التشكيل / الانحناء:
• تعتبر P11 عمومًا أسهل في التشكيل البارد والانحناء دون تسخين مسبق عدواني مقارنةً بـ P22 بسبب محتوى السبيكة الأقل؛ ومع ذلك، يتم تشكيل كلاهما عادةً في الحالة المعالجة بالتطبيع أو من خلال إجراءات الانحناء الساخن المتحكم فيه.
• تشطيب السطح والتشذيب:
• يمكن أن تزيد جزيئات السبيكة الأعلى والكربيدات في P22 من تآكل الأدوات في عمليات التشطيب؛ حدد أدوات وتغذيات مناسبة.
• التوصيات:
• قم بإجراء التشكيل والتشغيل في الحالة المعالجة بالتطبيع/التخمير، وليس في الحالة الصلبة كما تم لفها أو لحامها.
• استخدم تبريدًا مناسبًا، وسوائل قطع، ومواد أدوات (كربيدات مطلية أو سيراميك لقطع السبيكة العالية).

8. التطبيقات النموذجية

P11 — الاستخدامات النموذجية	P22 — الاستخدامات النموذجية
أنابيب الضغط المنخفض أو درجات الحرارة المعتدلة، والرؤوس، والتجهيزات حيث تكون التكلفة وقابلية اللحام من الأولويات	أنابيب بخار عالية الحرارة، وأجزاء ضغط، ومكونات تتطلب قوة زحف متفوقة ومقاومة للأكسدة
أنابيب ومكونات مبادل حراري حيث تكون مقاومة الزحف المعتدلة كافية	خطوط البخار الرئيسية، ورؤوس السخانات/المسخنات، ومكونات في تطبيقات محطات الطاقة ذات درجات الحرارة المعتدلة إلى العالية
قطع غيار اقتصادية حيث لا تكون درجة حرارة الخدمة متطرفة	مكونات أوعية الضغط الحرجة والأنابيب في محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري أو الدورة المركبة حيث تتطلب حياة زحف أطول
أنابيب فولاذ سبيكي للاستخدام العام في خدمة البتروكيماويات مع متطلبات درجات حرارة أقل حدة	مكونات تتطلب إجهادًا مسموحًا أعلى عند درجة الحرارة أو سمكًا مخفضًا لنفس إجهاد التصميم

مبررات الاختيار: - اختر P22 عندما تكون القوة العالية على المدى الطويل في درجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة الأكسدة، وحياة الزحف من المحركات التصميمية. - اختر P11 عندما تكون التكلفة المنخفضة وسهولة التصنيع/اللحام من الأولويات وتكون متطلبات الحرارة/الزحف معتدلة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية:
• عادةً ما تكون P22 أغلى من P11 بسبب زيادة محتوى Cr و Mo والمعالجة الأكثر دقة لأداء درجات الحرارة العالية.
• عادةً ما تكون P11 أكثر اقتصادية ومتاحة على نطاق واسع في العديد من مخزونات الأنابيب والتجهيزات.
• أشكال المنتجات والتوافر:
• تتوفر كلا الدرجتين عادةً كأنابيب غير ملحومة، وأنابيب ملحومة، وتجهيزات، وشفاه، وصفائح أوعية الضغط؛ ومع ذلك، قد تكون أوقات التسليم لـ P22 أطول بالنسبة لسمك الصفائح المتخصصة أو المكونات المطروقة.
• يمكن أن يختلف التوافر إقليميًا؛ يجب على مهندسي المشتريات تأكيد أوقات التسليم لشكل المنتج المطلوب وأي حالة معالجة حرارة محددة.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

المعيار	P11	P22
قابلية اللحام	أسهل (شدة تسخين مسبق/PWHT أقل شيوعًا)	أكثر تطلبًا (تسخين مسبق/PWHT أعلى؛ خطر تشقق HAZ)
القوة–الصلابة (درجات الحرارة المرتفعة)	قوة معتدلة، صلابة جيدة	قوة أعلى ومقاومة زحف، صلابة تعتمد على معالجة الحرارة
التكلفة	تكلفة مادة أقل	تكلفة مادة أعلى

الاستنتاجات والإرشادات العملية: - اختر P11 إذا: - كانت درجة حرارة التصميم ومتطلبات حياة الزحف معتدلة، وكانت التكلفة وسهولة التصنيع/اللحام قيودًا مهمة. - كنت ترغب في إجراء لحام أكثر تسامحًا مع شدة تسخين مسبق/PWHT أقل في العمل في الورشة أو الميدان. - يسمح المشروع باستخدام مادة بمحتوى أقل من Cr/Mo وإجهاد مسموح أقل عند درجة الحرارة.

• اختر P22 إذا:
• كانت التطبيق يتطلب قوة أعلى في درجات الحرارة المرتفعة، أو حياة زحف أطول، أو مقاومة أفضل للأكسدة عند درجات حرارة الخدمة.
• يمكنك تطبيق ضوابط لحام أكثر صرامة، وتسخين مسبق، وPWHT، وتقبل التكلفة الأعلى للمادة من أجل حياة خدمة أطول أو سمك مقطع مخفض.
• تحدد رموز التصميم أو متطلبات الإجهاد المسموح به تصنيفًا أعلى لدرجة الحرارة يتماشى مع أداء P22.

ملاحظة نهائية: كلا من P11 و P22 هما مواد ناضجة ومفهومة جيدًا مع عقود من التطبيق في توليد الطاقة وصناعات العمليات. يجب أن يستند القرار إلى درجة حرارة التصميم ومتطلبات حياة الزحف، وقدرات اللحام والتصنيع، ونمذجة تكلفة دورة الحياة، ومتطلبات الرموز/العقود المحددة. عند الشك، قم بإجراء تقييم هندسي مركز يتضمن منحنيات الإجهاد المسموح به مقابل درجات الحرارة، وتأهيل إجراءات اللحام، والتحقق من قدرة المورد على معالجة الحرارة لضمان أن الدرجة المختارة تلبي توقعات الخدمة على المدى الطويل.