P22 مقابل P91 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
P22 و P91 هما نوعان من الفولاذات السبيكية المعالجة حرارياً المستخدمة على نطاق واسع في مكونات الضغط في صناعات توليد الطاقة والبتروكيماويات والعمليات الثقيلة. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً مفاضلة عند الاختيار بينهما: تكلفة المواد والتصنيع المنخفضة مع قوة مقبولة عند درجات الحرارة العالية مقابل القدرة على تحمل درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف على المدى الطويل التي تتطلب ضوابط تصنيع أكثر دقة.
العامل الرئيسي المميز هو أداؤهما المصمم في الخدمة عند درجات الحرارة المرتفعة: تم تحسين درجة واحدة لقوة معتدلة عند درجات الحرارة العالية مع معالجة أبسط، بينما تم تصميم الأخرى لمقاومة زحف أعلى بكثير عند درجات حرارة البخار والعمليات من خلال زيادة السبيكة واستقرار الميكروسبائك. نظرًا لأن كلاهما يظهر في مواصفات المنتجات المشابهة من ASME/ASTM (الأنابيب، التركيبات، المكونات المطروقة)، فإن المقارنة شائعة عند ترقية الأنظمة أو تحديد البدائل أو تصميم معدات الضغط الجديدة.
1. المعايير والتسميات
- ASTM / ASME:
- P22 — ASTM A335 / ASME SA335 P22 (غالبًا ما يتم تحديده كـ 2.25Cr–1Mo)
- P91 — ASTM A335 / ASME SA335 P91 (9Cr–1Mo–V–Nb، المعروف أيضًا باسم الدرجة 91)
- EN / الأوروبية: يتم عادةً إعطاء المعادلات كفولاذات في عائلات 13Cr و 9–12%Cr المارتنسيتية؛ المعادلات الرقمية المباشرة ليست واحدة لواحدة.
- JIS / GB: قد تسرد المعايير الوطنية معادلات وظيفية قريبة، ولكن يجب التحقق من تحديد الحدود الكيميائية والمعالجة الحرارية.
- التصنيف: كلاهما فولاذات سبيكية (ليست فولاذات مقاومة للصدأ أو فولاذات أدوات). إنها فولاذات سبيكية عالية القوة ومقاومة للحرارة مصممة للخدمة عند درجات حرارة مرتفعة. P22 هو درجة سبيكة منخفضة Cr–Mo؛ P91 هو سبيكة مارتنسيتية عالية الكروم مع تعزيز مقاومة الزحف مع إضافات الميكروسبائك.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
يوضح الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية (wt%) المستخدمة من قبل الصناعة وهيئات المعايير لـ P22 و P91. القيم تمثل؛ يرجى استشارة مواصفات المواد المعمول بها أو شهادة اختبار المصنع للمشتريات.
| عنصر | P22 (نطاق نموذجي، wt%) | P91 (نطاق نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| 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 – 0.50 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.020 |
| S | ≤ 0.015 | ≤ 0.010 |
| Cr | 2.0 – 2.6 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.85 – 1.05 | 0.85 – 1.05 |
| V | trace – low | 0.10 – 0.25 |
| Nb (Nb+Ta) | trace – low | 0.06 – 0.12 |
| Ti | — | ≤ 0.02 (إذا تم تحديدها) |
| B | — | ≤ 0.001 (ميكروسبائك) |
| N | ≤ 0.015 | 0.03 – 0.07 |
كيف تؤثر السبيكة على الخصائص: - يزيد الكروم والموليبدينوم من القوة الحرارية وقابلية التصلب؛ زيادة Cr من ~2.3% (P22) إلى ~9% (P91) هي الخطوة الكيميائية الرئيسية التي ترفع من قوة درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الأكسدة. - يشكل الفاناديوم والنيوبيوم في P91 كربيدات/نيتريدات مستقرة تثبت حدود الحبيبات وتخفف من الهشاشة، مما يحسن من قوة الزحف والاستقرار عند درجات الحرارة العالية. - يتم التحكم في مستويات الكربون والنيتروجين لتحقيق توازن بين القوة وقابلية اللحام؛ يزيد الكربون العالي من القوة ولكنه يزيد من قابلية التصلب وخطر التشقق البارد. - يتم إضافة عناصر الميكروسبائك (V، Nb، B) في P91 بشكل خاص لتحسين مقاومة الزحف من خلال تعزيز الترسيب وتنقية الحبيبات أثناء التخمير.
3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية
الميكروهياكل النموذجية: - P22: في الحالة المعالجة حرارياً والمعتدلة، يظهر P22 عادةً هيكل باينيت/فيريت مع كربيدات متناثرة (كربيدات Cr–Mo). إنه أقل عرضة لتشكيل هيكل مارتنسيت شديد التصلب تحت المعالجة التقليدية، لذا فهو أكثر تسامحًا في اللحام والمعالجة الحرارية. - P91: P91 هو فولاذ مارتنسيت بعد التبريد؛ الحالة المسلمة عادةً ما تكون معالجة حرارياً ومعتدلة لتطوير هيكل مارتنسيت معالج حرارياً مع ترسبات M23C6 و MX-type (كربيدات/نيتريدات V/Nb) الدقيقة والمتناثرة التي توفر مقاومة للزحف واستقرار عند درجات الحرارة المرتفعة.
أثر المعالجة الحرارية: - المعالجة الحرارية (التبريد الهوائي من درجة حرارة الأوستنيتيز المحددة) والتخمير ضرورية لكلا الدرجتين ولكنها أكثر أهمية لـ P91 للحصول على الهيكل المارتنسيت المعالج حرارياً المقصود ولترسيب كربيدات/نيتريدات التعزيز. - يجب التحكم بعناية في التبريد والتخمير (للمكونات المطروقة) لـ P91 لتجنب الصلابة المفرطة التي تؤثر على قابلية اللحام ولضمان تلبية معايير المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). - المعالجات الحرارية الميكانيكية والتقدم في الاستقرار: يستفيد P91 من المعالجة والتحكم في التخمير لاستقرار الترسبات المقاومة للزحف؛ يمكن أن يؤدي التخمير المفرط أو PWHT غير الصحيح إلى تقليل القوة أو التسبب في هشاشة التخمير.
4. الخصائص الميكانيكية
نطاقات الخصائص الميكانيكية التمثيلية (درجة حرارة الغرفة، معالجة حرارية ومعتدلة؛ القيم المحددة تعتمد على شكل المنتج والمعالجة الحرارية الدقيقة):
| الخاصية | P22 (نموذجي) | P91 (نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد (MPa) | ~415 – 585 | ~620 – 850 |
| قوة الخضوع (0.2% انزلاق، MPa) | ~250 – 350 | ~450 – 650 |
| التمدد (%) | ~20 – 25 | ~15 – 25 |
| صلابة التأثير (Charpy V-notch، J) | متوسطة؛ جيدة في الظروف العادية | جيدة بشكل عام؛ مصممة لتحمل الصدمات عند درجات الحرارة العالية |
| الصلابة (HRC / HB) | ~170–220 HB (تختلف) | ~200–300 HB (تختلف حسب الحالة) |
التفسير: - P91 أقوى ماديًا في كل من قوة الخضوع وقوة الشد عند معالجته حراريًا بشكل صحيح؛ ويرجع ذلك أساسًا إلى زيادة Cr والترسبات الميكروسبائكية. - اللدونة (التمدد) مشابهة أو أقل قليلاً في P91 مقارنةً بـ P22 في بعض الظروف بسبب القوة الأعلى والمارتنسيت المعالج حرارياً. - يمكن أن تكون المتانة ممتازة في كلا الدرجتين إذا تم إجراء المعالجة الحرارية المناسبة ومعالجة الحرارة بعد اللحام؛ يجب معالجة P91 بشكل صحيح لتجنب مناطق المارتنسيت الهشة.
5. قابلية اللحام
تستمد اعتبارات قابلية اللحام من معادلة الكربون، وقابلية التصلب، والميكروسبائك. تُستخدم مؤشرات تجريبية شائعة للتقييم النوعي.
معادلة الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
مؤشر بديل Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - يحتوي P22 على معادلة كربون أقل من P91 بسبب انخفاض محتوى Cr والميكروسبائك، مما يجعله أسهل نسبيًا في اللحام مع متطلبات أقل صرامة للتسخين المسبق ومعالجة الحرارة بعد اللحام (PWHT). - يحتوي P91 على قابلية تصلب أعلى بسبب زيادة Cr والميكروسبائك (V، Nb، B). وهذا يزيد من القابلية لتشكيل مناطق مارتنسيت صلبة و/أو غير معالجة في مناطق التأثير الحراري (HAZ)، مما يزيد من خطر التشقق البارد إذا لم يتم تسخينه مسبقًا وPWHT بشكل صحيح. - يتطلب لحام P91 عادةً حواف متحكم فيها، ومطابقة لمعدن التعبئة (مثل تعبئة P91 أو المتغيرات المستقرة)، ودرجات حرارة دقيقة بين الطبقات، وPWHT لتخمير المارتنسيت واستعادة اللدونة وقوة الزحف. الإجراءات أكثر تعقيدًا وغالبًا ما تخضع لمؤهلات صارمة للإجراءات. - بالنسبة لكلا الدرجتين، فإن التحكم في الهيدروجين، وإجراءات الهيدروجين المنخفض، وPWHT المناسب ضرورية للخدمة الموثوقة على المدى الطويل.
6. التآكل وحماية السطح
- كلا من P22 و P91 هما فولاذات سبيكية غير مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل العامة في الظروف العادية متوسطة ولكن لا يمكن مقارنتها بالفولاذات المقاومة للصدأ. يتم استخدام حماية السطح بشكل شائع:
- طلاءات واقية: الطلاء، الإيبوكسي، الطلاءات عالية الحرارة.
- طلاءات معدنية: الرش الحراري (Al/Al-silicate)، التغطية للخدمة المكثفة بالتآكل.
- التغليف بالغمس الساخن ممكن لبعض تطبيقات P22 في الظروف العادية ولكنه ليس نموذجيًا للخدمة عند درجات الحرارة العالية؛ التغليف غير مناسب للحرارة العالية المستمرة.
- PREN (رقم مقاومة التآكل) يستخدم للفولاذات المقاومة للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN غير قابل للتطبيق على P22 و P91 لأنهما ليسا فولاذات مقاومة للصدأ مصممة لتشكيل أفلام سلبية غنية بالكروم. يركز إدارة التآكل على الطلاءات والتغطية واختيار المواد للبيئة المحددة (الأكسدة، الكبريت، التآكل).
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل:
- P22 أسهل في التشغيل من P91 في ظروف مماثلة بسبب انخفاض الصلابة وانخفاض محتوى السبيكة.
- P91، كونه أقوى وأكثر سبيكة، يكون أكثر صعوبة على أدوات القطع وقد يتطلب سرعات قطع أبطأ وأدوات أكثر قوة.
- قابلية التشكيل والعمل البارد:
- كلا الدرجتين ليست مصممة للتزوير أو التشكيل البارد بشكل مكثف بعد المعالجة الحرارية النهائية؛ يتم عادةً إجراء التشكيل في ظروف أكثر ليونة (كما هو مطروق أو معتدل) قبل المعالجة الحرارية النهائية.
- التشطيب:
- يتطلب الطحن وإعداد السطح لـ P91 اهتمامًا لتجنب إدخال عيوب سطحية يمكن أن تكون مواقع بدء الزحف أو التعب.
- تخطيط التصنيع:
- يتطلب P91 إجراءات لحام مؤهلة وموظفين لحام ذوي خبرة. التحكم في التشوه وإدارة الإجهاد المتبقي أمر مهم لأن دورات PWHT ضرورية.
8. التطبيقات النموذجية
| P22 (الاستخدامات الشائعة) | P91 (الاستخدامات الشائعة) |
|---|---|
| أنابيب ومجمعات محطات الطاقة الأحفورية التي تعمل عند درجات حرارة بخار معتدلة (حتى ~540–565°C) | أنابيب بخار محطات الطاقة الأحفورية الفائقة والمتقدمة، والمجمعات، والمكونات التي تتطلب درجات حرارة بخار أعلى (غالبًا >550°C) |
| أوعية الضغط والغلايات حيث تكون التكلفة وسهولة التصنيع من الأولويات | تربينات بخار عالية الحرارة، وسخانات، وسخانات فائقة، وأنابيب ضغط عالية تتطلب مقاومة زحف على المدى الطويل |
| أنابيب سخانات البتروكيماويات، أنابيب العمليات عند درجات حرارة معتدلة | مكونات في محطات الطاقة ومحطات الكيمياء التي تتطلب قوة زحف عالية واستقرار هيكلي |
| مواد بديلة اقتصادية للفولاذات السبيكية القديمة | تصاميم جديدة تستهدف عمرًا ممتدًا عند درجات حرارة مرتفعة؛ لحامات حرجة تتطلب PWHT |
مبررات الاختيار: - اختر P22 عندما تكون درجات حرارة الخدمة ومتطلبات الزحف المتوقعة معتدلة وعندما تكون بساطة المشتريات/التصنيع والتكلفة مهمة. - اختر P91 عندما يتطلب التعرض الطويل عند درجات حرارة وضغوط أعلى مقاومة زحف متفوقة، واستقرار ترسبات أدق، وضغوط مسموح بها أعلى.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: عادةً ما تكون P91 أكثر تكلفة لكل كيلوغرام من P22 بسبب محتوى السبيكة الأعلى (لا سيما الكروم وإضافات الميكروسبائك) وضوابط العملية الأكثر دقة. تزيد تكاليف التصنيع ومؤهلات إجراءات اللحام من التكلفة الإجمالية المثبتة لـ P91.
- التوافر:
- P22 متاحة على نطاق واسع في الأنابيب والتركيبات والمكونات المطروقة من العديد من المصانع والموزعين.
- P91 متاحة على نطاق واسع ولكن قد تكون بعض أشكال المنتجات (المكونات المطروقة الكبيرة، تركيبات قطر/سمك متخصصة) لها أوقات تسليم أطول ومن المحتمل أن يتم الحصول عليها من موردين متخصصين. يمكن أن يختلف التوافر حسب المنطقة وطلب السوق.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص — مقارنة نوعية:
| السمة | P22 | P91 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أسهل؛ CE أقل، PWHT أقل صرامة | أكثر صعوبة؛ CE/قابلية تصلب أعلى؛ يتطلب PWHT متحكم فيه وإجراءات مؤهلة |
| القوة–المتانة (درجات الحرارة المرتفعة) | قوة معتدلة عند درجات الحرارة العالية؛ كافية حتى ~540–565°C | قوة عالية عند درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الزحف؛ مناسبة لدرجات حرارة أعلى/عمر أطول |
| التكلفة (المادة + التصنيع) | أقل | أعلى |
التوصية: - اختر P22 إذا كنت بحاجة إلى فولاذ سبيكي منخفض التكلفة وسهل اللحام لمعدات الضغط والأنابيب التي تعمل عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة، عندما لا تكون مقاومة الزحف على المدى الطويل هي المعيار التصميمي الحاكم. - اختر P91 إذا كانت التطبيق يتطلب مقاومة زحف كبيرة وضغوط مسموح بها أعلى عند درجات الحرارة المرتفعة (أنظمة بخار طويلة العمر وعالية الضغط)، وإذا كان المشروع يمكنه دعم ضوابط التصنيع اللازمة، وإجراءات اللحام المؤهلة، والزيادة في التكلفة.
ملاحظة نهائية: تتطلب كلا الدرجتين تحديد درجة المادة الدقيقة، وحالة المعالجة الحرارية، وإجراء اللحام في وثائق المشتريات والتصميم. من أجل الخدمة الحرجة للسلامة والخدمة الطويلة الأمد عند درجات الحرارة العالية، يجب إشراك مهندسي المواد واللحام مبكرًا لتأكيد الضغوط المسموح بها في التصميم، ومعايير PWHT المطلوبة، واختبارات التأهيل لضمان الأداء الموثوق أثناء الخدمة.