T91 مقابل P91 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
T91 و P91 هما اسمان غالبًا ما يواجههما المهندسون عند تحديد المواد لتطبيقات محطات الطاقة ذات درجات الحرارة العالية والبخار الصناعي. كلاهما يشير إلى نفس عائلة الفولاذ المقاوم للحرارة من فئة 9Cr–1Mo المستخدمة في الأجزاء الضغطية التي تعمل عند درجات حرارة مرتفعة؛ ومع ذلك، فإن التسمية واعتبارات الشراء تختلف. عادةً ما يوازن المهندسون الذين يقررون بين الاثنين عوامل مثل شكل المنتج المقصود (أنبوب مقابل أنبوب فولاذي)، والرمز أو المعيار المعمول به، ومؤهلات إجراءات اللحام، وتوافر سلسلة التوريد الإقليمية.
التمييز العملي الرئيسي هو تمييز مدفوع بالمعايير وشكل المنتج: "T91" يُستخدم عادةً في مواصفات الأنابيب (مثل ASME SA‑213)، بينما يظهر "P91" في مواصفات الأنابيب (مثل ASME SA‑335) وفي بعض أنظمة التسمية الإقليمية. من الناحية المعدنية، هما في الأساس نفس الدرجة 9Cr–1Mo–V–Nb، ولهذا السبب يتم مقارنتهما أو التعامل معهما بشكل متبادل في التصميم والشراء.
1. المعايير والتسميات
- ASTM/ASME:
- ASME SA‑213 T91 — أنابيب غلايات من الفولاذ السبيكي غير الملحوم، وسخانات، ومبادلات حرارية.
- ASME SA‑335 P91 — أنابيب فولاذ سبيكي غير ملحومة للخدمة عند درجات حرارة عالية.
- EN / الأوروبية:
- EN 10216‑2 / EN 10222 الدرجة التي غالبًا ما تُلاحظ كـ X10CrWMoVNb9‑2 (رقم المادة 1.4903) — التسمية الأوروبية للفولاذات 9Cr المماثلة.
- JIS (اليابان) / GB (الصين):
- لا يوجد مكافئ مباشر واحد لـ JIS؛ قد تسرد المعايير اليابانية فولاذات 9Cr مماثلة ولكن تختلف في الحدود الكيميائية وممارسات المعالجة الحرارية.
- توفر معايير GB الصينية درجات 9Cr–1MoV المماثلة؛ قد تختلف التسميات المحلية وحدود المعالجة الحرارية.
- التصنيف: هذه السبائك هي فولاذات منخفضة السبيكة مقاومة للحرارة (ليست مقاومة للصدأ) وتصنف في الممارسة العملية كفولاذات مقاومة للزحف من النوع الفيريتك/المارتنسيت (أسلوب HSLA من حيث استراتيجية التقوية ولكن مصممة لقوة عند درجات حرارة مرتفعة).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة
تحقق عائلة 9Cr–1Mo توازنًا بين قوة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الزحف، وقابلية اللحام بشكل أساسي من خلال الكروم لمقاومة الأكسدة ومقاومة التخمير، والموليبدينوم لقوة الزحف وتقوية المحلول الصلب، والميكروسبائك مع V/Nb لتثبيت الكربيدات والتحكم في نمو الحبيبات. تتبع النطاقات التركيبية النموذجية الممارسة الصناعية:
| عنصر | النطاق النموذجي (wt%) |
|---|---|
| C | 0.08 – 0.12 |
| Mn | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.20 – 0.60 |
| P | ≤ 0.02 |
| S | ≤ 0.01 |
| Cr | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.85 – 1.05 |
| V | 0.18 – 0.25 |
| Nb (Ta) | 0.05 – 0.12 |
| Ti | ≤ 0.02 |
| B | أثر، ≤ 0.002 |
| N | 0.03 – 0.07 |
كيف تؤثر استراتيجية السبيكة على الأداء: - يزيد Cr (8–9.5%) من مقاومة الأكسدة ويساهم في استقرار التخمير وقابلية التصلب. - يعزز Mo (≈1%) قوة الزحف ويعيق الاسترداد؛ وهو مهم لخصائص درجات الحرارة العالية على المدى الطويل. - تشكل V و Nb كربيدات وكاربونيتريدات تثبت البنية المجهرية وتعيق نمو الحبيبات أثناء التعرض لدرجات حرارة عالية، مما يحسن من عمر الزحف والانكسار. - C المنضبط ضروري للقوة من خلال التحول المارتنسيت وتكوين الكربيدات؛ يتم الحفاظ عليه منخفضًا بما يكفي للحفاظ على قابلية اللحام المقبولة. - يحسن B الصغير من خصائص الزحف في بعض الخلطات، بينما يتحكم N و Ti/Nb في كيمياء الترسيب.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنية المجهرية النموذجية والمعالجة: - كما هو مُعدل: يتم إنتاج بنية مارتنسيتية مُعالجة بعد الأوستنيت (التعديل) تليها تبريد منضبط وتخمير. تتكون البنية المجهرية من لُحيمات مارتنسيتية مُعالجة، مع كربيدات M23C6 متناثرة وكاربونيتريدات MX (V/Nb) دقيقة. - التعديل + التخمير: المسار القياسي لتطوير التركيبة المميزة من القوة والصلابة. يقوم التعديل بإذابة المراحل الضارة وإعادة ضبط بنية الحبيبات؛ يُحسن التخمير القوة/الصلابة ويستقر الكربيدات. - نهج التبريد والتخمير: مشابه للتعديل/التخمير لهذه الفولاذات منخفضة السبيكة؛ يتم التحكم في شدة التبريد لتجنب الأوستنيت المحتفظ به بشكل مفرط. - المعالجة الحرارية الميكانيكية (TMT): يمكن أن تعمل جداول الدرفلة والتبريد المنضبط على تحسين حجم حبيبات الأوستنيت السابقة وتحسين الصلابة دون التضحية بقوة درجات الحرارة العالية. - اختلافات الاستجابة: لا يوجد فرق معدني جوهري بين T91 و P91 — تنشأ الاختلافات في الخصائص من درجة حرارة/وقت المعالجة الحرارية الدقيقة والتاريخ الحراري الميكانيكي المحدد بواسطة معيار المنتج. تعتبر المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) ضرورية لاستعادة التخمير وتخفيف الضغوط المتبقية.
4. الخصائص الميكانيكية
تختلف الخصائص الميكانيكية حسب شكل المنتج، والمعالجة الحرارية، والشركة المصنعة. النطاقات النموذجية للأقسام المُعدلة والمُعالجة حراريًا لفولاذات 9Cr–1Mo هي:
| الخاصية | النطاق النموذجي |
|---|---|
| قوة الشد (UTS) | 600 – 800 ميغاباسكال |
| قوة العائد (0.2% انزياح) | 450 – 650 ميغاباسكال |
| التمدد (A%) | 12 – 20% |
| صلابة التأثير (Charpy V، درجة حرارة الغرفة) | 30 – 80 جول (يعتمد على التخمير والمنتج) |
| الصلابة (HB) | 200 – 260 HB |
أيها أقوى/أكثر صلابة/أكثر ليونة: - في الممارسة العملية، T91 و P91 متكافئان معدنيًا؛ الاختلافات في الخصائص المقاسة تعود إلى درجة حرارة المعالجة الحرارية، ووقت التخمير، وسماكة القسم. ستوفر المواد المُعدلة والمُعالجة حراريًا بشكل صحيح القوة المتوقعة عند درجات الحرارة العالية والصلابة الكافية عند درجة حرارة الغرفة. تؤدي الأقسام الأكثر سمكًا وعدم كفاية التخمير إلى زيادة الصلابة وتقليل الصلابة.
5. قابلية اللحام
ت stem اعتبارات قابلية اللحام من المعادل الكربوني والصلابة العالية الناتجة عن Cr و Mo و V والميكروسبائك. المؤشرات الشائعة المستخدمة للتنبؤ باحتياجات التسخين المسبق و PWHT:
-
معهد اللحام الدولي المعادل الكربوني: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
المعادلة المعادلة Pcm للتنبؤ بقابلية التشقق البارد: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير والممارسة: - تشير CE المحسوبة و $P_{cm}$ لفولاذات 9Cr–1Mo عادةً إلى صلابة معتدلة إلى عالية مقارنة بالفولاذات الكربونية. وهذا يعني ضرورة وجود إجراءات لحام منضبطة: التسخين المسبق، وحدود درجة حرارة التداخل، و PWHT الكامل لاستعادة التخمير وتقليل المارتنسيت المحلي والضغوط المتبقية. - يتطلب كل من T91 و P91 مواد لحام مؤهلة و PWHT وفقًا للرمز (مثل ASME) لتحقيق صلابة مقبولة وأداء زحف في اللحامات والمناطق المتأثرة بالحرارة. - بسبب الكيمياء المماثلة، فإن قابلية اللحام هي في الأساس نفسها لـ T91 و P91، ولكن يجب أن تتبع مواصفة إجراء اللحام رمز المنتج (أنبوب مقابل أنبوب فولاذي) والسماكة.
6. التآكل وحماية السطح
- هذه ليست فولاذات مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل محدودة بمقاومة الأكسدة المحسنة عند درجات حرارة مرتفعة بسبب محتوى Cr. إنها ليست مخصصة للبيئات التآكلية بدون حماية.
- الحمايات الشائعة: الطلاء، والطلاءات عالية الحرارة، والتبطين الحراري، وفي بعض الحالات، الجلفنة قبل الخدمة (مع مراعاة قيود درجة الحرارة). بالنسبة لتطبيقات البخار/الطاقة، فإن التحكم في كيمياء الماء/البخار الداخلي هو الاستراتيجية المعتادة للتحكم في التآكل.
- معادلة PREN (لأداء الفولاذ المقاوم للصدأ) غير قابلة للتطبيق على T91/P91، ولكن من أجل الاكتمال: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — هذه المؤشر ينطبق على الفولاذات المقاومة للصدأ وليس له معنى بالنسبة لفولاذات 9Cr–1Mo الفيريتكية.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: صعوبة معتدلة. القوة الأعلى ووجود الكربيدات يقللان من قابلية التشغيل مقارنة بالفولاذات اللينة. استخدم أدوات حادة، وإعدادات صلبة، وسرعات قطع مناسبة. يُوصى باستخدام أدوات كربيد للعمل الإنتاجي.
- قابلية التشكيل: محدودة؛ لا يُوصى بالتشكيل البارد الكبير. يُفضل العمل الساخن والدرفلة المنضبطة أثناء التصنيع. يتطلب ثني وتشكيل المواد المُعدلة والمُعالجة حراريًا بشكل دقيق التحكم في العملية؛ يمكن أن يتسبب التشوه المحلي في حدوث تشققات.
- التشطيب: الطحن ومعالجات السطح هي المعيار؛ يمكن أن تؤثر كمية الحرارة المدخلة أثناء اللحام والتشغيل على التخمير المحلي وتتطلب PWHT لاحقًا أو تخمير محلي.
8. التطبيقات النموذجية
| T91 (تسميات الأنابيب) | P91 (أنابيب/هيكل/مواصفة) |
|---|---|
| أنابيب سخانات وسخانات إعادة التسخين في الغلايات ومولدات البخار | أنابيب بخار عالية الضغط في محطات الطاقة ومصانع البتروكيماويات |
| أنابيب مبادل حراري حيث تكون مقاومة الزحف عند درجات حرارة عالية مطلوبة | مكونات رأس الأنابيب وأنابيب الضغط للخدمة عند درجات حرارة عالية |
| أنابيب ملحومة أو غير ملحومة ذات قطر صغير في الغلايات | أنابيب غير ملحومة ذات قطر كبير لخطوط البخار الرئيسية |
| مكونات مصنعة تتطلب أشكال أنابيب | أوعية ضغط وتركيبات حيث يتطلب الرمز مواصفة الأنابيب |
مبررات الاختيار: - اختر تسمية الأنبوب والموردين المقابلين عندما تتطلب هندسة المكون والرمز أنابيب ASME SA‑213 T91 (مثل لفائف السخانات). - اختر تسمية الأنبوب عند تحديد أنابيب غير ملحومة/عالية الحرارة وفقًا لـ ASME SA‑335 P91 لخطوط أنابيب البخار/الطاقة الرئيسية. - في كلا الحالتين، فإن المعايير الفنية الحاسمة هي درجة حرارة التشغيل، ومتطلبات الإجهاد التصميمي/الزحف، وقابلية اللحام/قدرة PWHT، والامتثال للرمز.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: فولاذات 9Cr–1Mo أغلى من الفولاذات الكربونية الشائعة وفولاذات 1¼Cr–Mo بسبب عناصر السبيكة والتحكم الأكثر دقة في العملية المطلوبة. من بين هذه، T91/P91 هو درجة منخفضة السبيكة متميزة.
- التوافر حسب شكل المنتج: تُنتج أنابيب T91 على نطاق واسع لأسواق الغلايات ومبادلات الحرارة؛ توافر أنابيب P91 قوي في المناطق الصناعية الكبرى ولكن يمكن أن تختلف أوقات التسليم. قد توفر المصانع الأوروبية مواد مكافئة لـ EN تحت تسميات مختلفة؛ يجب أن تحدد عملية الشراء كل من متطلبات الكيمياء/المعالجة الحرارية والمعيار الدقيق (ASME مقابل EN) لتجنب عدم التطابق.
- العناصر ذات المهل الطويلة: قد يكون لأنابيب P91 غير الملحومة ذات القطر الكبير أو الجدران السميكة أوقات تسليم ممتدة ويجب التخطيط لها مبكرًا في عملية الشراء.
10. الملخص والتوصية
| الجانب | T91 | P91 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | معتدلة؛ تتطلب تسخينًا مسبقًا و PWHT | معتدلة؛ تتطلب تسخينًا مسبقًا و PWHT |
| القوة–الصلابة (خدمة HT) | عالية (تعتمد على المعالجة الحرارية) | عالية (تعتمد على المعالجة الحرارية) |
| التكلفة | متميزة مقابل الفولاذات الكربونية؛ تعتمد على توافر الأنابيب | متميزة مقابل الفولاذات الكربونية؛ تعتمد على توافر الأنابيب |
الاستنتاجات: - اختر T91 إذا كنت تحدد أو تشتري أنابيب (أنابيب غلايات/سخانات/مبادلات حرارية) ويتطلب الرمز ASME SA‑213 T91 أو أشكال منتجات أنابيب مكافئة. استخدم T91 حيث تكون شكل المنتج، والتفاوتات البعدية، وممارسات تصنيع الأنابيب مطلوبة. - اختر P91 إذا كنت تحدد أنابيب غير ملحومة، أو تركيبات، أو أجزاء ضغط بموجب رموز مثل ASME SA‑335 P91، أو إذا كانت عمليات الشراء والتفتيش موجهة نحو منتجات الأنابيب. استخدم P91 لخطوط البخار الرئيسية وأنابيب الضغط حيث يتم كتابة رمز الأنابيب ومؤهلات إجراءات اللحام لـ P91.
ملاحظة عملية نهائية: من الناحية المعدنية، تشير T91 و P91 إلى نفس عائلة 9Cr–1Mo؛ لذلك يجب أن تستند القرار في التصميم الهندسي أو الشراء إلى شكل المنتج المطلوب، والمعيار/الرمز المعمول به، وإجراءات التصنيع واللحام اللاحقة بدلاً من الاختلافات في أداء المواد المتصورة. حدد دائمًا حدود الكيمياء الدقيقة، ومتطلبات المعالجة الحرارية المطلوبة (معلمات التعديل والتخمير)، و PWHT، ومعايير القبول الميكانيكية في مستندات الشراء لضمان أداء الخدمة القابل للتكرار.