P22 مقابل P91 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

اختيار بين P22 و P91 هو قرار تقني شائع للمهندسين ومديري المشتريات ومخططي التصنيع الذين يعملون على معدات الاحتفاظ بالضغط وأنظمة الأنابيب ذات درجات الحرارة العالية. عادة ما يتمحور معضلة الاختيار حول العمر الافتراضي تحت البخار/الحرارة (أداء الزحف)، والتصنيع وقابلية اللحام، والتكلفة الإجمالية المثبتة (المواد بالإضافة إلى اللحام والمعالجة الحرارية). يتم مقارنة P22 (سبيكة من فئة 2.25Cr–1Mo) و P91 (فولاذ مقوى بالزحف من فئة 9Cr–1Mo، مع ميكروسبائك) بشكل متكرر لأن كلاهما يستخدم في صناعات الطاقة والعمليات ولكنهما يستهدفان نطاقات درجات حرارة-ضغط ومتطلبات تصنيع مختلفة.

التمييز الفني الرئيسي هو أن P91 مصمم لزيادة القوة على المدى الطويل ومقاومة الزحف عند درجات حرارة مرتفعة، بينما يوفر P22 توازنًا بين قوة عالية كافية عند درجات الحرارة العالية مع سهولة التصنيع وتكلفة مواد أقل. هذا الاختلاف يدفع اختيار المواد للمكونات المعرضة للتعرض المطول للبخار أو الخدمة ذات درجات الحرارة العالية.

1. المعايير والتسميات

• المعايير والتسميات الشائعة:
• ASTM/ASME: A335 / SA335 P22 و P91 (درجات أنابيب فولاذية غير ملحومة من الحديد)، ASTM A213، A335، ASME SA335.
• EN: تغطي الفولاذات المعادلة تحت معايير EN لمعدات الضغط ولكن قد تحمل أسماء درجات مختلفة (مثل، 22CrMo و 9CrMo).
• JIS/GB: ستدرج المعايير الوطنية المعادلات القريبة (مثل، 2.25Cr–1Mo و 9Cr–1Mo).
• التصنيف:
• P22: فولاذ حديدي منخفض السبيكة (غالبًا ما يتم تجميعه مع الفولاذات المقاومة للحرارة Cr–Mo).
• P91: فولاذ حديدي عالي السبيكة/عالي القوة مع ميكروسبائك (Cr–Mo–V–Nb) — يعتبر فولاذ حديدي معزز بمقاومة الزحف (يشبه HSLA في بعض السياقات، ولكنه مصمم خصيصًا لمقاومة الزحف عند درجات الحرارة العالية).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

جدول: النطاقات التركيبية النموذجية (نسبة الكتلة %) لـ P22 و P91 (نطاقات تمثيلية وفقًا للمواصفات الشائعة).

عنصر	P22 (نطاقات تقريبية)	P91 (نطاقات تقريبية)
C	0.05 – 0.15	0.08 – 0.12
Mn	0.30 – 0.60	0.30 – 0.60
Si	0.10 – 0.50	0.20 – 0.60
P	≤ 0.03	≤ 0.02
S	≤ 0.03	≤ 0.01
Cr	2.00 – 2.60	8.00 – 9.50
Ni	≤ 0.40	≤ 0.40
Mo	0.80 – 1.10	0.85 – 1.05
V	– (أثر)	0.15 – 0.25
Nb (Cb)	– (أثر)	0.06 – 0.12
Ti	≤ 0.01	≤ 0.02
B	– (أثر)	≤ 0.001
N	≤ 0.03	~0.03 – 0.09

ملاحظات: - النطاقات أعلاه تشير إلى الكيميائيات الإنتاجية النموذجية المستخدمة لتلبية المواصفات المعتمدة على ASME/ASTM. الحدود الدقيقة تعتمد على المعيار المحدد والمورد. - يتضمن P91 إضافة ميكروسبائك مقصودة (V، Nb، N و B المتحكم فيها) لتثبيت الهياكل المجهرية المارتنسيتية المعالجة وتحسين مقاومة الزحف. يعتمد P22 بشكل أساسي على إضافات معتدلة من Cr و Mo لقوة درجات الحرارة المرتفعة.

كيف تؤثر السبيكة على الخصائص: - يزيد الكروم من مقاومة الأكسدة/التقشر والقوة عند درجة الحرارة؛ الكروم الأعلى في P91 يمكّن مصفوفة مارتنسيتية معالجة مستقرة عند درجات حرارة أعلى. - يعزز الموليبدينوم القوة عند درجات الحرارة العالية وقابلية التصلب في كلا الدرجتين. - يشكل الفاناديوم والنيوبيوم في P91 كربيدات/نيتريدات متشتتة تثبت حدود الحبيبات وتؤخر نمو الزحف/الفراغ مما يمكّن من تحقيق قوة أعلى على المدى الطويل. - يوازن الكربون والميكروسبائك بين قابلية التصلب والقوة وقابلية اللحام — مستوى الكربون المتحكم فيه في P91 أعلى من بعض الفولاذات منخفضة السبيكة ولكنه يتم التحكم فيه من خلال المعالجة الحرارية وتصميم السبيكة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

P22: - البنية المجهرية النموذجية بعد التطبيع والمعالجة الحرارية: باينيت معالجة / بنية مجهرية حديدية-لؤلؤية تعتمد على المعالجة الحرارية الدقيقة. ينتج عن التطبيع والمعالجة الحرارية التقليدية بنية مجهرية معالجة خشنة نسبيًا مناسبة لخدمة البخار عند درجات حرارة معتدلة. - استجابة المعالجة الحرارية: يستجيب P22 للتطبيع والمعالجة الحرارية؛ يؤدي الإفراط في المعالجة الحرارية إلى تقليل القوة ولكنه يحسن المتانة. لم يتم تصميمه للبنية المجهرية المارتنسيتية المعالجة الدقيقة الموجودة في P91.

P91: - البنية المجهرية النموذجية بعد التطبيع والمعالجة الحرارية: مارتنسيت معالجة على شكل شرائح مع كثافة عالية من العيوب وتشتت متحكم فيه من كربيدات/نيتريدات V/Nb؛ تعطي هذه البنية المجهرية الدقيقة والمستقرة مقاومة عالية للزحف. - تعتبر المعالجة الحرارية والعمليات الحرارية الميكانيكية والتحكم الصارم في درجة حرارة التطبيع وظروف المعالجة الحرارية أمرًا حاسمًا لتطوير البنية المجهرية المطلوبة وتجنب هشاشة المعالجة الحرارية أو الإفراط في المعالجة الحرارية. - P91 حساس للمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) — تعتبر PWHT الصحيحة ضرورية لاستعادة المتانة وتخفيف الضغوط المتبقية دون تكبير الرواسب.

المقارنة: - يحقق P91 قوة أعلى ومقاومة زحف من خلال تشكيل هيكل مارتنسيت معالجة مستقر بواسطة رواسب الميكروسبائك؛ يعتمد P22 على تقوية Cr–Mo في مصفوفة أكثر حديدية/باينيتية. - كلاهما يتطلب معالجة حرارية متحكم فيها، ولكن P91 عادة ما يتطلب تحكمًا أكثر دقة (يتم تطبيعه عند درجة حرارة أعلى ومعالجته حراريًا عند درجات حرارة محددة) وPWHT متسقة لتلبية مواصفات الزحف.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: أوصاف مقارنة للخصائص الميكانيكية في الظروف الشائعة (معالجة حرارية وتطبيع).

الخاصية	P22	P91	تعليق
قوة الشد	متوسطة	عالية	يوفر P91 قوة شد أعلى بكثير في الحالة المعالجة حراريًا بسبب الهيكل المارتنسيت والميكروسبائك.
قوة الخضوع	متوسطة	عالية	يوفر P91 قوة خضوع أعلى، مما يفيد الأقسام الرقيقة لنفس الحمل.
التمدد (المرونة)	جيدة	متوسطة	يميل P22 إلى أن يكون أكثر مرونة؛ يتبادل P91 بعض المرونة من أجل القوة ومقاومة الزحف.
صلابة التأثير	جيدة (عند درجات حرارة منخفضة)	جيدة إلى ممتازة (عند المعالجة الحرارية بشكل صحيح)	يمكن أن يحقق P91 صلابة جيدة ولكنه أكثر حساسية للعملية؛ قد يظهر P91 المعالج حراريًا بشكل غير صحيح صلابة منخفضة.
الصلابة	متوسطة	أعلى	يظهر P91 صلابة أعلى بعد المعالجة الحرارية؛ يجب التحكم في الصلابة لتجنب الهشاشة ولتلبية مواصفات اللحام/المعالجة الحرارية.

التفسير: - P91 هو المادة الأقوى والأكثر مقاومة للزحف للخدمة عند درجات الحرارة المرتفعة، ولكن تحقيق خصائصه الميكانيكية يتطلب معالجة متحكم فيها وPWHT. - يوفر P22 توازنًا بين القوة والمتانة والمرونة مناسبًا للعديد من الخدمات حتى درجات الحرارة المرتفعة المعتدلة وعادة ما يكون أكثر تسامحًا في التصنيع.

5. قابلية اللحام

تشمل اعتبارات قابلية اللحام محتوى الكربون، محتوى السبيكة، قابلية التصلب، ووجود عناصر الميكروسبائك. الصيغ التنبؤية المستخدمة عادة للتقييم النوعي:

• معادل الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (معامل قابلية اللحام): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - P22: معادل كربون معتدل؛ قابلية لحام جيدة إلى عادلة مع ممارسات التسخين المسبق وPWHT القياسية للأقسام الأكثر سمكًا. يتم لحامه عادة في تصنيع محطات الطاقة مع إجراءات مثبتة. - P91: قابلية تصلب أعلى بسبب الكروم الأعلى والميكروسبائك؛ لديه CE و Pcm فعالين أعلى، مما يعني زيادة خطر وجود منطقة حرارية صلبة وهشة إذا تم لحامه دون ضوابط صارمة. يتطلب P91 مواد تعبئة متحكم فيها بعناية، تسخين مسبق، درجات حرارة بينية، وPWHT إلزامية لاستعادة المتانة وتخفيف الضغوط المتبقية. - في الممارسة العملية، تكون إجراءات لحام P91 أكثر تطلبًا وتتطلب إجراءات لحام مؤهلة ولحامين مؤهلين؛ تتطلب الوصلات المعدنية غير المتشابهة (مثل، P91 إلى P22 أو إلى فولاذ كربوني قياسي) إجراءات لحام انتقالية خاصة.

6. التآكل وحماية السطح

• كلا من P22 و P91 هما فولاذات حديدية غير مقاومة للصدأ وتعتمد على الطلاءات أو الحماية الحاجزية لمقاومة التآكل في الأجواء المائية أو العدوانية.
• حمايات نموذجية: الطلاء، المجلفن (حيثما كان متوافقًا)، التكسية (مثل، تغطية اللحام أو بطانة مقاومة للتآكل)، أو المثبطات في الأنظمة المغلقة.
• PREN (رقم مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ؛ بالنسبة للدرجات المقاومة للصدأ، فإن المؤشر هو: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• للمقاومة العالية للأكسدة/التقشر عند درجات الحرارة العالية، يوفر محتوى الكروم الأعلى في P91 أداءً محسّنًا مقارنةً بـ P22، ولكن لا تحل أي من الدرجتين محل الفولاذات المقاومة للصدأ في البيئات الحرجة للتآكل.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: P22 أسهل عمومًا في التشغيل بسبب صلابته المنخفضة وبنيته المجهرية الأبسط. يمكن أن تزيد صلابة P91 الأعلى وسبيكته من تآكل الأدوات وتتطلب سرعات تغذية/قطع أبطأ.
• التشكيل/الانحناء: P22 أكثر مرونة وتسامحًا في عمليات التشكيل. يكون تشكيل P91 البارد محدودًا وعادة ما يتطلب استراتيجيات حرارية/تشكيلية أو تشوه محدود؛ يمكن استخدام التشكيل الساخن ولكن يتطلب تحكمًا دقيقًا.
• التشطيب: تضيف إعدادات السطح والمعالجات الحرارية بعد التصنيع (خاصة PWHT لـ P91) خطوات وتكاليف. يكون التحكم في تشوه اللحام أكثر أهمية بالنسبة لـ P91 بسبب الضغوط المتبقية الأعلى والصلابة في منطقة اللحام.

8. التطبيقات النموذجية

جدول: الاستخدامات النموذجية لكل درجة وأسباب الاختيار.

P22 (2.25Cr–1Mo)	P91 (9Cr–1Mo–V–Nb)
أنابيب الغلايات وأنظمة البخار عند درجات حرارة معتدلة (وحدات تحت الحرجة وأقل من الحرجة العليا)	أنظمة البخار عند درجات حرارة عالية، رؤوس، ومكونات في الغلايات فوق الحرجة وفوق الحرجة العليا
أوعية الضغط والمبادلات الحرارية للخدمة عند درجات حرارة معتدلة	مكونات تتطلب مقاومة زحف على المدى الطويل عند درجات حرارة أعلى (مثل، خطوط بخار عالية الضغط)
أنابيب العمليات العامة حيث تكون القوة عند درجات الحرارة المرتفعة المعتدلة كافية	أنابيب البخار الرئيسية لمحطة الطاقة، رؤوس السخان والسخان الفائق، ومكونات حيث تكون مدة التصميم تحت الزحف حرجة

أسباب الاختيار: - اختر P22 عندما تكون درجات حرارة الخدمة والضغوط معتدلة، وعندما تكون بساطة التصنيع والتحكم في التكاليف من الأولويات، وعندما تكون متطلبات العمر الافتراضي للزحف أقل حدة. - اختر P91 عندما تتطلب ضغوط التصميم ودرجات الحرارة قوة زحف عالية واستقرارًا على المدى الطويل؛ يسمح P91 بتقليل سمك القسم أو تمديد عمر المكونات تحت ظروف درجات الحرارة العالية الشديدة.

9. التكلفة والتوافر

• تكلفة المواد: عادة ما يكون P91 أكثر تكلفة لكل كيلوغرام من P22 بسبب متطلبات السبيكة والمعالجة الأعلى.
• تكلفة التصنيع ودورة الحياة: قد يتطلب P91 مواد لحام أكثر تكلفة، مؤهلات إجراءات أكثر صرامة، وPWHT إلزامية — مما يزيد من التكلفة المثبتة. ومع ذلك، بالنسبة للخدمة عند درجات الحرارة العالية، قد تفضل تكلفة دورة الحياة P91 بسبب تقليل الاستبدال والصيانة الناتجة عن قوة الزحف المتفوقة.
• التوافر: يتوفر P22 على نطاق واسع في العديد من أشكال المنتجات (لوحات، أنابيب، ملحقات) وعادة ما يكون مخزونًا. يتم إنتاج P91 على نطاق واسع لتوليد الطاقة ولكن قد يكون له أوقات تسليم أطول لبعض أشكال المنتجات والسبائك الكبيرة أو المصنوعات الخاصة.

10. الملخص والتوصية

جدول: ملخص مقارن موجز.

المعيار	P22	P91
قابلية اللحام	جيدة إلى عادلة (إجراءات قياسية)	عادلة إلى صعبة (تتطلب ضوابط صارمة وPWHT)
القوة–المتانة (درجات حرارة مرتفعة)	متوسطة	عالية (مقاومة زحف متفوقة)
التكلفة (المواد + التصنيع)	أقل	أعلى
التصنيع / قابلية التشغيل	أسهل	أكثر تطلبًا

الاستنتاجات وإرشادات الاختيار: - اختر P22 إذا كنت بحاجة إلى سبيكة Cr–Mo فعالة من حيث التكلفة وسهلة التصنيع للتطبيقات عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة حيث لا يكون العمر الافتراضي للزحف هو المحرك الرئيسي للتصميم. السياقات النموذجية: أنابيب الغلايات التقليدية، أوعية الضغط عند درجات حرارة معتدلة، وأنابيب العمليات العامة. - اختر P91 إذا كان يجب أن تتحمل المكونات ضغوطًا أعلى عند درجات حرارة مرتفعة لفترات خدمة طويلة (مثل، السخانات/المسخنات/الرؤوس في محطات الطاقة المتقدمة)، عندما يبرر تقليل سمك الجدار أو تمديد عمر الخدمة تكاليف المواد والتصنيع الأعلى. تأكد من وجود إجراءات لحام مؤهلة، ومعدن تعبئة صحيح، وPWHT متحكم فيها.

ملاحظة عملية نهائية: يجب دائمًا أن يرتبط اختيار المواد بتقييمات هندسية لدرجة حرارة التشغيل، والضغط، والعمر المتوقع، وقدرة اللحام والتفتيش، وتكلفة دورة الحياة. عند الشك في الخدمة عند درجات حرارة عالية وعمر طويل، استشر منحنيات بيانات الزحف، وقواعد الكود المعمول بها (معايير ASME BPVC/EN)، وأخصائي المواد للتحقق من الاختيار بين P22 و P91.