P91 مقابل P92 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
تعتبر P91 و P92 فولاذات مارتنسيتية مقاومة للزحف، تحتوي على الكروم والموليبدينوم والفاناديوم (Cr–Mo–V) وتستخدم على نطاق واسع في معدات توليد الطاقة وبتروكيماويات ذات درجات حرارة عالية مثل أنابيب الغلايات والرؤوس وأنابيب البخار. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات والمصنعون عادةً معضلة الاختيار بين P91 و P92 عند الموازنة بين قوة درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف على المدى الطويل مقابل قابلية اللحام وسهولة التصنيع وتكلفة دورة الحياة الإجمالية. تشمل سياقات القرار النموذجية ترقية قدرة درجة حرارة البخار، وتحسين فترات الصيانة للمكونات عالية الضغط، أو اختيار المواد لغلايات جديدة عالية الكفاءة.
التمييز المعدني الرئيسي الذي drives الفروق في الأداء هو استراتيجية السبائك - وخاصة كيفية توازن التنجستن (W) والموليبدينوم (Mo) جنبًا إلى جنب مع عناصر الميكروسبائك الأخرى (V، Nb، B). تؤثر هذه الاستراتيجية البديلة على كيمياء الكربيد، واستقرار الترسبات، وقابلية التصلب، مما يؤثر بدوره على قوة الزحف، والصلابة، وقابلية اللحام. لهذا السبب غالبًا ما يتم مقارنة P91 و P92 للمكونات ذات درجات الحرارة المرتفعة.
1. المعايير والتسميات
- المعايير والمواصفات الشائعة:
- ASME/ASTM: ASME SA-335 / P91 و P92 (أنابيب سبائكية غير ملحومة لدرجات الحرارة المرتفعة)، ASTM A213، ASTM A387 (متغيرات اللوحات)، وأكواد ASME المتعلقة بالغلايات والأوعية الضغط.
- EN: تظهر الدرجات المعادلة غالبًا تحت تسميات EN و EN-modified (على سبيل المثال، X10CrMoVNb9-1 لكيمياء مشابهة لـ P91 و X10CrWMoVNb9-2 لكيمياء مشابهة لـ P92).
- JIS/GB: توفر المعايير المحلية تركيبات مشابهة تحت أرقام مختلفة؛ تأكد من شهادة المورد.
- التصنيف:
- كلا من P91 و P92 هما فولاذات سبائكية مصممة للخدمة في درجات الحرارة العالية؛ وغالبًا ما يتم تجميعها مع فولاذات HSLA / مارتنسيتية معززة بقوة الزحف (ليست فولاذات مقاومة للصدأ أو فولاذات أدوات).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
يوضح الجدول التالي النطاقات التركيبية النموذجية لـ P91 و P92 بالنسبة المئوية للوزن. هذه تمثل مواصفات المواد التجارية المعالجة بالتطبيع والتصلب؛ القيم الفعلية تعتمد على الدرجات الفرعية والمعايير المحددة.
| عنصر | P91 (نطاق نموذجي، wt%) | P92 (نطاق نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.60 | 0.20–0.60 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.0–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.50 | ≤0.50 |
| Mo | 0.85–1.05 | 0.20–0.50 |
| W | trace–0.3 | 1.7–2.0 |
| V | 0.15–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | ≤0.01 | ≤0.01 |
| B | 0.0005–0.003 | 0.0005–0.005 |
| N | 0.03–0.07 | 0.03–0.07 |
كيف تؤثر السبائك على الخصائص - يوفر الكروم مقاومة للأكسدة والتآكل عند درجات الحرارة المرتفعة ويشكل كربيدات M23C6 التي تؤثر على سلوك الزحف والتصلب. - يزيد الموليبدينوم (Mo) من تقوية المحلول الصلب ويساهم في تشكيل كربيدات مستقرة؛ يعتبر Mo تقليديًا مركزيًا لقوة الزحف في P91. - يستخدم التنجستن (W) في P92 كبديل جزئي لـ Mo: يشكل W كربيدات أكثر استقرارًا، تتضخم ببطء وتساهم في زيادة قوة الزحف على المدى الطويل عند درجات حرارة عالية جدًا. - تشكل الفاناديوم (V) والنيوبوم (Nb) MX كربونات دقيقة تثبت حدود الحبيبات، وتعيق الاسترداد وإعادة التبلور، وتحسن قوة كسر الزحف. - تحسن الإضافات المنخفضة جدًا من البورون قوة الزحف عن طريق الانفصال إلى حدود حبيبات الأوستينيت السابقة وتأخير التجويف أثناء التعرض الطويل الأمد.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنية المجهرية النموذجية - ينتج كل من P91 و P92 بنية مارتنسيتية معالجة حراريًا بعد دورة معالجة حرارية قياسية (تطبيع فوق Ac3 يتبعه التبريد والتصلب). - تتكون البنية المعالجة من مارتنسيت على شكل شرائح مع كربيدات وكربونات موزعة: M23C6 (غني بالكروم) على طول حدود حبيبات الأوستينيت السابقة وحدود الشرائح، و MX (V، Nb) ترسبات داخل الشرائح.
آثار السبائك والمعالجة الحرارية - P91: مع زيادة Mo وانخفاض طفيف في W، فإن توزيع الكربيد ملائم لقوة الزحف المطلوبة في نافذة التصميم الأصلية (عادةً حتى حوالي 600–620 °C). يساهم Mo في تقوية المصفوفة واستقرار الترسبات، ولكن يمكن أن تتضخم الكربيدات الغنية بـ Mo على مدى تعرض طويل. - P92: يؤدي الاستبدال الجزئي لـ Mo بـ W إلى كربيدات ومعادن بينية ذات حركيات تضخم أبطأ عند درجات الحرارة المرتفعة. غالبًا ما تطور P92 توزيعًا أدق وأكثر استقرارًا للكربيدات بعد التصلب المناسب، مما يوفر مقاومة أفضل للزحف على المدى الطويل عند درجات حرارة بخار أعلى وتوقعات عمر أطول. - المعالجات الحرارية الميكانيكية: تستجيب كلا الدرجتين للتطبيع + التصلب ولعمليات المعالجة الحرارية الميكانيكية المحددة التي تصقل حجم حبيبات الأوستينيت السابقة وتعزز توزيع الترسبات المرغوب فيه. تتحكم درجة حرارة التصلب في التوازن بين الصلابة مقابل القوة.
4. الخصائص الميكانيكية
يوفر الجدول التالي الخصائص التمثيلية للمواد المعالجة بالتطبيع والتصلب في الحالة المقدمة. تعتمد القيم الفعلية على الكيمياء الدقيقة، والمعالجة الحرارية، والسماكة/الشكل، ومعايير الاختبار.
| الخاصية | P91 (تمثيلي) | P92 (تمثيلي) |
|---|---|---|
| قوة الخضوع (0.2%، ميغاباسكال) | ~415 (حد أدنى نموذجي) — حتى ~500–600 حسب التصلب | أعلى: ~500–650 (نطاق واسع حسب التصلب) |
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~550–700 | ~650–800 |
| التمدد (%) | ~18–25 | ~12–20 (غالبًا أقل قليلاً من P91) |
| أثر شاربي V-notch (درجة حرارة الغرفة، جول) | متوسط إلى جيد (يعتمد على المعالجة الحرارية؛ عادةً ≥40–60 جول) | أقل قليلاً أو مشابه حسب التصلب؛ حساسية أكبر للمعالجة الحرارية |
| الصلابة (HB) | ~180–260 (حالة N&T النموذجية) | ~200–300 (يمكن أن تكون أعلى بسبب السبائك والتصلب) |
التفسير - القوة: تقدم P92 عمومًا قوة كسر زحف أعلى وقوة شد/خضوع أعلى في العديد من المعالجات الحرارية التجارية بسبب إضافة W واستقرار الترسبات المصقولة. - الصلابة والليونة: تميل P91 إلى أن تكون أكثر ليونة قليلاً وأكثر تسامحًا في التصنيع؛ يمكن أن تكون P92 أقل ليونة وتتطلب تحكمًا أكثر صرامة في المعالجة الحرارية و PWHT لضمان الصلابة. - الصلابة: غالبًا ما تظهر P92 صلابة أعلى في ظروف مماثلة؛ يساعد ذلك في قوة درجات الحرارة العالية ولكنه يمكن أن يزيد من قابلية التشقق أثناء اللحام إذا لم يتم إدارتها.
5. قابلية اللحام
تتركز اعتبارات قابلية اللحام لكلا الدرجتين على المعادل الكربوني/قابلية التصلب، والميكروسبائك، ومتطلبات PWHT.
الصيغ النموذجية لقابلية اللحام لتقييم احتياجات التسخين المسبق و PWHT: - المعادل الكربوني IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm الدولي: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي - كل من P91 و P92 لهما قابلية تصلب ملحوظة (Cr، Mo/W، V، Nb، B)، مما يؤدي إلى ميل عالٍ لتشكيل مارتنسيت صلب في HAZ إذا تم لحامها دون تسخين مسبق و PWHT مناسب. - تزيد نسبة W الأعلى في P92 وتوازن السبائك المختلف قليلاً من قابلية التصلب، لذا غالبًا ما تتطلب تحكمات تسخين مسبق/ PWHT أكثر تحفظًا ومواد تعبئة متطابقة مصممة لكيمياء P92. - PWHT (عادةً 700–760 °C لهذه الفولاذات، محددة حسب الكود والسماكة) إلزامي لتصلب المارتنسيت في HAZ وتخفيف الضغوط المتبقية. التحكم في الهيدروجين، ودرجات حرارة التداخل المتحكم فيها، ومواد لحام منخفضة الهيدروجين ضرورية. - اختيار مواد التعبئة: استخدم المواد المحددة لـ P91 أو P92 حسب الاقتضاء (مواد تعبئة متطابقة أو معتمدة). بالنسبة للحام P92، تكون أسلاك التعبئة والإجراءات المتخصصة أكثر شيوعًا لتقليل عدم تطابق البنية المجهرية ومنع التشقق من النوع الرابع في مناطق الزحف على المدى الطويل.
6. التآكل وحماية السطح
- لا تعتبر P91 ولا P92 فولاذًا مقاومًا للصدأ؛ كلاهما يعتمد على السبائك لمقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية بدلاً من مقاومة التآكل المائي العامة.
- في البيئات المائية أو التآكلية، عادةً ما تكون حماية السطح مطلوبة: الطلاء، والمعالجة المعدنية، والتغليف، أو الطلاءات المناسبة. للحماية الجوية، تكون الطلاءات الصناعية أو الغلفنة بالغمر الساخن (حيثما ينطبق ذلك حسب الخدمة) خيارات، ولكن قد لا تكون الغلفنة مناسبة لخدمة بخار درجات الحرارة العالية.
- يتم تعريف PREN (رقم مقاومة التآكل) على أنه: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ينطبق هذا المؤشر على الفولاذ المقاوم للصدأ ومقاومة التآكل المحلية وليس له معنى بالنسبة لـ P91/P92 لأن تركيباتها والاستخدامات المقصودة لها هي للأداء الميكانيكي عند درجات الحرارة العالية بدلاً من مقاومة التآكل بالكلوريد.
- الأكسدة عند درجات الحرارة العالية: يعطي محتوى الكروم (≈9%) بعض مقاومة الأكسدة لخدمة جانب البخار، ولكن يجب مراعاة مقاييس الأكسدة طويلة الأمد وسلوك الكربنة؛ غالبًا ما تكون P92 مفضلة عند درجات حرارة بخار أعلى لأن الكربيدات المحتوية على W تبطئ نمو القشور وتحافظ على السلامة الميكانيكية لفترة أطول.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: كلا الفولاذين أقل قابلية للتشغيل من الفولاذات الكربونية العادية بسبب محتوى السبائك والصلابة. يمكن أن تقلل قابلية التصلب الأعلى لـ P92 وإمكانية الصلابة الأعلى من عمر الأدوات وتزيد من قوى القطع المطلوبة.
- قابلية التشكيل/الانحناء: التشكيل البارد محدود؛ التشكيل/الضغط الساخن والتصلب المتحكم فيه شائع. تستجيب كلا الدرجتين بشكل سيء للتشكيل البارد الشديد دون معالجة حرارية لاحقة.
- تشطيب السطح والطحن: تتطلب P92 الأكثر صلابة أدوات/طحن أكثر عدوانية. التحكم في الضغوط المتبقية وتجنب التصلب الزائد مهم أثناء التشطيب.
- المعالجة الحرارية بعد التصنيع: تتطلب دورات التطبيع والتصلب الصحيحة أو المعالجة الحرارية بعد اللحام لتحقيق الخصائص المقصودة وتجنب الهشاشة.
8. التطبيقات النموذجية
| الاستخدامات النموذجية لـ P91 | الاستخدامات النموذجية لـ P92 |
|---|---|
| رؤوس البخار، الأنابيب والأنابيب في الغلايات تحت الحرجة والغلايات فوق الحرجة المبكرة (≤ ~600 °C خدمة) | أنابيب بخار عالية الحرارة ورؤوس في الغلايات المتقدمة/فوق الحرجة (بيئات ذات طلب زحف أعلى) |
| أنابيب مبادل حراري، مكونات وعاء الضغط للبخار عند درجات حرارة معتدلة | مكونات عالية الضغط ودرجات حرارة عالية في محطات الطاقة المصممة لدرجات حرارة بخار أعلى وعمر أطول (HRSGs، مسخنات) |
| أنابيب بتروكيماوية حيث تتطلب قوة عالية الحرارة جيدة ولكن هناك حساسية للتكلفة | خدمة حيث يتم إعطاء الأولوية لعمر زحف ممتد واستقرار طويل الأمد على الرغم من ارتفاع تكلفة المواد والمعالجة |
| أجسام الصمامات والتجهيزات لخدمة درجات الحرارة المرتفعة | مكونات حرجة تتطلب أداء كسر زحف أقصى لتمديد عمر التصميم |
مبررات الاختيار - اختر P91 عندما تتطلب التطبيق قوة زحف مثبتة عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة مع توفر جيد وسهولة تصنيع قليلاً. - اختر P92 عندما تتجاوز درجة حرارة التصميم والعمر الزمني المطلوب قدرة P91، أو عندما يسعى المشغلون إلى فترات صيانة أطول وضغط مسموح به أعلى عند درجة حرارة الخدمة.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: P92 عمومًا أكثر تكلفة من P91 بسبب محتوى السبائك الأعلى (لا سيما W)، والتحكم المتخصص في الصهر، والطلب/العرض المحدود. يمكن أن تزيد إجراءات التصنيع واللحام لـ P92 أيضًا من التكلفة المثبتة.
- التوافر: تتمتع P91 بتاريخ أطول من الاستخدام الواسع وهي أكثر شيوعًا في العديد من أشكال المنتجات (أنابيب، لوحات، تشكيل). يعتمد توافر P92 على السوق الإقليمي وإنتاج المطاحن؛ يمكن أن تكون أوقات التسليم أطول، خاصةً للأقسام الكبيرة أو الأشكال الخاصة.
10. الملخص والتوصية
| السمة | P91 | P92 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام (عملية) | جيدة مع إجراءات P91 القياسية؛ أقل تطلبًا من P92 | أكثر تطلبًا — تتطلب قابلية تصلب أعلى تحكمًا أكثر صرامة في التسخين المسبق/ PWHT ومواد تعبئة متطابقة |
| القوة–الصلابة عند درجة حرارة الغرفة | متوازن — صلابة جيدة وقوة كافية | قوة أعلى ومقاومة زحف، ولكن غالبًا ما تكون أقل قليلاً من الليونة/الصلابة إذا لم يتم تحسينها |
| أداء الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة | ممتاز حتى نافذة التصميم (~حتى ~600–620 °C نموذجية) | مقاومة زحف طويلة الأمد متفوقة عند درجات حرارة أعلى وأعمار أطول |
| التكلفة والتوافر | أكثر اقتصادية ومتاحة على نطاق واسع | تكلفة المواد والمعالجة أعلى؛ قد يكون التوافر أكثر محدودية |
الاستنتاجات — اختر بناءً على ظروف الخدمة: - اختر P91 إذا: كنت بحاجة إلى فولاذ مقاوم للزحف مثبت وفعال من حيث التكلفة للخدمة عند درجات الحرارة المرتفعة ضمن نطاق تصميم P91 التقليدي، وترغب في تصنيع ولحام أسهل قليلاً، وتعطي الأولوية للتوافر وتكلفة الشراء/التصنيع المنخفضة. - اختر P92 إذا: كانت التطبيق يتطلب قوة زحف طويلة الأمد متفوقة عند درجات حرارة بخار مرتفعة (أو فترات خدمة ممتدة)، إذا كانت مدة التصميم أو الضغوط المسموح بها الأعلى تبرر تكلفة المواد والمعالجة الأعلى، وإذا كانت قدرتك على التصنيع يمكن أن تدير تحكمات لحام أكثر صرامة وتأهيل.
ملاحظة عملية نهائية: بالنسبة لأي من الدرجتين، يعتمد النجاح في الخدمة أقل على اسم الدرجة الاسمي وحده وأكثر على التحقق من الكيمياء الصحيحة، وإجراءات اللحام المعتمدة، والتحكم الصارم في المعالجة الحرارية/ PWHT، وضمان الجودة (NDT، الاختبار الميكانيكي، والتتبع). عند الانتقال من P91 إلى P92، توقع تعديلات في مواصفات إجراءات اللحام، واختيار مواد التعبئة، وربما أوقات التسليم والتكلفة في الشراء.