A335 P11 مقابل P22 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
ASTM A335 P11 و P22 هما نوعان من الفولاذات السبيكية المستخدمة على نطاق واسع من الكروم والموليبدينوم لأجزاء الضغط ذات درجات الحرارة العالية مثل الأنابيب والرؤوس وأنابيب الغلايات. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع عادةً بوزن التبادلات بين التكلفة، وقوة التحمل عند درجات الحرارة العالية، وقابلية اللحام، ومقاومة الزحف على المدى الطويل عند الاختيار بينهما. تشمل سياقات القرار النموذجية مطابقة قوة المادة والصلابة لدرجة حرارة الخدمة، وتحديد إجراءات اللحام للتصنيع، والتوازن بين تكلفة دورة الحياة وسعر الشراء الأولي.
التمييز الفني الرئيسي بين هذين الصنفين هو مستوى سبائك الكروم والموليبدينوم: يحتوي P22 على كمية أكبر بكثير من الكروم والموليبدينوم مقارنةً بـ P11، مما يؤثر بشكل مباشر على القدرة على التصلب، وقوة التحمل عند درجات الحرارة العالية، ومقاومة الأكسدة. نظرًا لأن كلا الفولاذين هما سبائك حديدية من الكروم والموليبدينوم مصممة للخدمة عند درجات حرارة مرتفعة، يتم مقارنتهما بشكل متكرر أثناء اختيار المواد للغلايات، وأنابيب البخار المسخن، والأوعية الضاغطة.
1. المعايير والتسميات
- ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (أنابيب فولاذية سبيكية غير ملحومة للخدمة عند درجات حرارة عالية)
- الدرجة P11 (غالبًا ما تُلاحظ كـ 1.25Cr–0.5Mo اسمياً)
- الدرجة P22 (غالبًا ما تُلاحظ كـ 2.25Cr–1Mo اسمياً)
- EN: درجات قابلة للمقارنة متاحة في أنظمة المعايير EN (مثل P11 ≈ 13CrMo4-5 أو عائلات مماثلة؛ P22 ≈ 2.25Cr–1Mo فولاذات معالجة)
- JIS/GB: المعايير الوطنية توفر فولاذات معالجة من الكروم والموليبدينوم تعادل تقريبًا المستخدمة في الأنابيب والأوعية ذات درجات الحرارة العالية.
- التصنيف: كلا من P11 و P22 هما فولاذات سبيكية (فولاذات حديدية من الكروم والموليبدينوم)، وليست فولاذات مقاومة للصدأ أو فولاذات أدوات؛ يتم استخدامها لأجزاء الضغط التي تحتفظ بالحرارة العالية وليست HSLA بالمعنى الحديث.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
توضح الجدول أدناه نطاقات التركيب الاسمي النموذجية (wt%) المستخدمة في الممارسة الصناعية لـ A335 P11 و P22. يتم عرض القيم كنطاقات تمثيلية بدلاً من الحد الأدنى/الأقصى المضمون من مواصفات الشراء المحددة.
| عنصر | A335 P11 (نموذجي، wt%) | A335 P22 (نموذجي، wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.08 – 0.15 | 0.08 – 0.15 |
| Mn | 0.25 – 0.60 | 0.25 – 0.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.10 – 0.50 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| Cr | ~0.90 – 1.30 | ~2.00 – 2.50 |
| Ni | ≤ 0.40 (أثر) | ≤ 0.40 (أثر) |
| Mo | ~0.40 – 0.65 | ~0.85 – 1.05 |
| V | عادةً أثر | عادةً أثر |
| Nb (Cb) | عادةً أثر | عادةً أثر |
| Ti | عادةً أثر | عادةً أثر |
| B | عادةً أثر | عادةً أثر |
| N | أثر | أثر |
كيف تؤثر السبائك على الأداء: - الكروم: يحسن مقاومة الأكسدة/التآكل عند درجات الحرارة المرتفعة ويساهم في القدرة على التصلب وقوة التحمل عند درجات الحرارة العالية. الكمية الأكبر من الكروم في P22 تعزز مقاومته للتقشر وتحسن الاحتفاظ بالقوة عند درجات حرارة الخدمة. - الموليبدينوم: يقوي الفريت عند درجات الحرارة المرتفعة، ويحسن قوة الزحف، ويزيد من القدرة على التصلب. محتوى الموليبدينوم الأعلى في P22 يوفر قوة زحف وقوة تحمل أفضل مقارنةً بـ P11. - الكربون والمنغنيز: المساهمون الرئيسيون في القوة والقدرة على التصلب؛ كلا الصنفين يحافظان على كربون معتدل لتحقيق توازن بين قابلية اللحام والقوة. - العناصر الثانوية والميكروسبائك (V، Nb، Ti) قد تكون موجودة بكميات أثرية ويمكن أن تنقي هيكل الحبيبات وتقوي المصفوفة تحت معالجة معينة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - كما تم تصنيعه ومعدل: كلا الصنفين يظهران عمومًا بنية مارتنسيت مقساة/فريت مقساة بعد دورات التعديل والتقسية المحددة عادةً لأجزاء الضغط. - بعد التبريد والتقسية (حيثما ينطبق على الأقسام الثقيلة أو المطروقات): هيكل مارتنسيت مقساة مع ترسيب كربيد (كربيدات غنية بالكروم/الموليبدينوم) يوفر قوة عالية ومقاومة للزحف. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يؤدي الدرفلة المتحكم فيها إلى تنقية حجم الحبيبات وتحسين الصلابة لكلا الصنفين، على الرغم من أن محتوى السبيكة يتحكم في سهولة التنقية.
آثار المعالجة الحرارية: - التعديل يليه التقسية ينقي حجم الحبيبات، ويحول البنى المجهرية كما تم درفلتها إلى مصفوفة مارتنسيت مقساة موحدة، ويرسب كربيدات الكروم والموليبدينوم التي تساهم في قوة التحمل عند درجات الحرارة العالية. - الكروم والموليبدينوم الأعلى في P22 يعززان نسبة أكبر من كربيدات السبيكة ويبطئان التليين عند درجات الحرارة المرتفعة؛ عادةً ما يتطلب أنظمة تقسية مصممة لتحقيق توازن بين الصلابة والصلابة للأقسام الأكثر سمكًا. - P11 أقل سبائك وبالتالي من الأسهل نسبيًا الحصول على صلابة مناسبة بعد دورات التعديل/التقسية القياسية، ولكنه يوفر قوة أقل على المدى الطويل عند درجات الحرارة العالية جدًا مقارنةً بـ P22.
4. الخصائص الميكانيكية
فيما يلي نطاقات الخصائص التمثيلية للحالة المعدلة والمقساة المستخدمة عادةً في التصميم. تعتمد الخصائص المضمونة الفعلية على شكل المنتج والمعالجة الحرارية المحددة.
| الخاصية (درجة حرارة الغرفة ما لم يُذكر خلاف ذلك) | A335 P11 (نموذجي) | A335 P22 (نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~415 – 550 | ~415 – 620 |
| قوة الخضوع (0.2% انزلاق، ميغاباسكال) | ~240 – 360 | ~260 – 400 |
| التمدد (%) | ~20 – 25 | ~18 – 22 |
| أثر شارب V-notch (J، معدل) | عادةً جيد عند درجة حرارة الغرفة؛ يحتفظ بالصلابة مع المعالجة الحرارية المناسبة | قابل للمقارنة أو أقل قليلاً من اللدونة لنفس القوة بسبب زيادة السبيكة |
| الصلابة (HB أو HRC) | معتدلة (مثل، نطاق HB 150–220 حسب المعالجة الحرارية) | أعلى قليلاً للتقسية المعادلة بسبب السبيكة |
التفسير: - يوفر P22 عمومًا قوة أعلى عند درجات الحرارة العالية ومقاومة للزحف بسبب محتواه الأكبر من الكروم والموليبدينوم؛ وغالبًا ما يترجم ذلك إلى القدرة على التشغيل بأمان عند درجات حرارة أعلى أو مع تقليل سمك الجدار لعمر تصميم معين. - يميل P11 إلى أن يكون أكثر ليونة وأسهل قليلاً في المعالجة الحرارية للحصول على الصلابة في بعض السماكات، ولكنه يوفر قوة أقل على المدى الطويل عند درجات الحرارة المرتفعة.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام على المعادل الكربوني، والقدرة على التصلب، والميكروسبائك. اثنان من المقاييس التجريبية المستخدمة على نطاق واسع هما المعادل الكربوني IIW و Pcm:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير النوعي: - يحتوي P22 على كميات أكبر من الكروم والموليبدينوم، مما يزيد من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ بالنسبة لـ P11، مما يعني زيادة القابلية للتصلب في منطقة التأثير الحراري وضرورة أكبر للتسخين المسبق ودرجات حرارة التحكم بين اللحام. - يتم لحام كلا الصنفين بشكل شائع في الصناعة؛ تشمل الممارسات الموصى بها أقطاب منخفضة الهيدروجين، وتسخين مسبق محدد (وأحيانًا معالجة حرارية بعد اللحام - PWHT)، وتأهيل إجراءات اللحام. يتطلب P22 بشكل متكرر أنظمة تسخين مسبق/PWHT أكثر تحفظًا للأقسام الأكثر سمكًا بسبب زيادة القدرة على التصلب. - يعد التحكم في الهيدروجين، ودرجة حرارة التداخل، وPWHT أمرًا حيويًا لتجنب التشقق الناتج عن الهيدروجين ولتليين صلابة منطقة التأثير الحراري.
6. التآكل وحماية السطح
- لا P11 ولا P22 مقاومان للصدأ؛ كلاهما سيتآكل إذا تعرض لبيئات مائية أو عدوانية. يتم تحديد الاختيار بناءً على السلوك الميكانيكي ومقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية بدلاً من مقاومة التآكل العامة.
- للحماية الخارجية أو الجوية: يمكن تطبيق الزنك، أو أنظمة الطلاء/التغطية، أو الطلاء الحراري حسب الخدمة.
- للحماية الداخلية في تيارات العمليات التآكلية: تعتبر التغطية (مثل، تغطية اللحام مع سبائك مقاومة للتآكل)، أو البطانة، أو تصميم السماح بالتآكل استراتيجيات نموذجية.
- يستخدم PREN (رقم مقاومة التآكل) للسبائك المقاومة للصدأ وليس له تطبيق للصلب الحديدي من الكروم والموليبدينوم. بالنسبة للسبائك المقاومة للصدأ، يمكن استخدام:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
لكن هذا المؤشر غير ذي صلة لـ A335 P11 و P22 لأن محتويات الكروم فيهما أقل من العتبات المقاومة للصدأ ويفتقران إلى محتوى النيتروجين والنيكل العالي النموذجي للدرجات المقاومة للصدأ.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: كلا الصنفين يمكن تشغيلهما بشكل معتدل في الحالة المعدلة/المقساة. قد يكون P22 أكثر صعوبة قليلاً على أدوات القطع بسبب زيادة السبيكة والكربيدات المقساة الناتجة. تزيد العناصر المكونة للكربيد (Cr، Mo) من تآكل الأدوات.
- قابلية التشكيل: كلاهما أقل قابلية للتشكيل من الفولاذ الكربوني العادي عند البرد؛ يتم التشكيل عادةً في حالات معدلة أو مقلوبة مع الانتباه إلى أنصاف أقطار الانحناء. بالنسبة لأشكال الأنابيب والأنابيب، يكون التشكيل روتينيًا ولكن يجب مراعاة الارتداد وخطر التشقق في المناطق المعالجة بشكل كبير.
- إنهاء السطح: الطحن، والتدوير، وإنهاء اللحام هي المعايير؛ يُنصح بالانتباه إلى الضغوط المتبقية وتجنب ارتفاع درجة الحرارة أثناء التشغيل على P22 لمنع زيادة الصلابة المحلية.
8. التطبيقات النموذجية
| A335 P11 – الاستخدامات النموذجية | A335 P22 – الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| أنابيب بخار ذات درجات حرارة منخفضة إلى معتدلة، ورؤوس، وتركيبات حيث تكون حساسية التكلفة عاملاً ودرجات الحرارة معتدلة | أنابيب بخار ذات درجات حرارة عالية، وأنابيب المسخن/المعيد، والأوعية الضاغطة حيث تكون قوة الزحف ومقاومة الأكسدة الأعلى مطلوبة |
| الغلايات والمبادلات الحرارية في مناطق درجات الحرارة العالية الأقل حدة | خطوط البخار الرئيسية لمحطة الطاقة، وأنابيب إعادة التسخين الساخن، ومكونات للخدمة حتى درجات حرارة تصميم أعلى |
| أنابيب المصانع البترولية والكيميائية لدرجات الحرارة المعتدلة | سخانات العمليات البتروكيميائية عالية التحمل ومكونات الضغط ذات درجات الحرارة المرتفعة |
مبررات الاختيار: - اختر P11 للتطبيقات التي يتم فيها إعطاء الأولوية لدرجة حرارة الخدمة القصوى الاسمية المنخفضة، وتكلفة المواد المنخفضة، وسهولة التصنيع. - اختر P22 عندما يتطلب التطبيق قوة زحف أعلى، واحتفاظ أفضل بالخصائص الميكانيكية عند درجات الحرارة المرتفعة، أو مقاومة محسنة للتقشر/الأكسدة.
9. التكلفة والتوافر
- التوافر: كلا الصنفين متوفران عادةً كأنابيب غير ملحومة وملحومة، وتركيبات، وبعض المطروقات؛ P11 و P22 هما درجات قياسية في العديد من سلاسل التوريد لتوليد الطاقة ومصانع العمليات.
- التكلفة: عادةً ما يكون P22 أكثر تكلفة من P11 بسبب محتوى الكروم والموليبدينوم الأعلى. قد تكون التكلفة الإضافية مبررة من خلال عمر أطول، أو إمكانيات تصميم جدران أرق، أو تقليل الصيانة.
- شكل المنتج: كلاهما متاح بسهولة في أنابيب، وأنابيب، وألواح أوعية الضغط؛ تكون أوقات التسليم عمومًا قصيرة للأحجام القياسية ولكن قد تزيد للأجزاء الكبيرة أو المعالجات الحرارية الخاصة.
10. الملخص والتوصية
| الجانب | A335 P11 | A335 P22 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أفضل (محتوى سبيكة أقل → CE أقل) | أكثر تطلبًا قليلاً (كروم/موليبدينوم أعلى → CE أعلى؛ يحتاج إلى تسخين مسبق/PWHT أكثر) |
| القوة–الصلابة عند درجة حرارة الغرفة | قوة معتدلة، لدونة جيدة | قوة أعلى عند درجات الحرارة، لدونة قابلة للمقارنة أو أقل قليلاً عند القوة المعادلة |
| مقاومة درجات الحرارة العالية / الزحف | كافية لدرجات الحرارة المرتفعة المعتدلة | متفوقة لدرجات الحرارة الأعلى وأعمار زحف أطول |
| التكلفة | أقل | أعلى |
التوصيات: - اختر P11 إذا كنت بحاجة إلى سبيكة من الكروم والموليبدينوم فعالة من حيث التكلفة للخدمة عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة حيث لا تتطلب معالجة حرارية واسعة النطاق أو مقاومة زحف عالية العدوانية، وحيث تكون اللدونة الباردة الأفضل قليلاً وإجراءات اللحام الأسهل مفيدة. - اختر P22 إذا كان التصميم يتطلب قوة أعلى على المدى الطويل ومقاومة للزحف عند درجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة محسنة للتقشر، أو إمكانية جدران أرق لعمر تصميم معين - ويمكنك استيعاب متطلبات اللحام الأكثر صرامة ومتطلبات المعالجة الحرارية بعد اللحام وتكلفة المواد الأعلى قليلاً.
ملاحظة ختامية: بالنسبة للمكونات الحرجة التي تحتفظ بالضغط، تأكد دائمًا من تأهيل مواصفات المواد، والمعالجة الحرارية المطلوبة، وإجراءات اللحام مع عالم المعادن في المشروع أو السلطة المعنية (ASME) لضمان التوافق مع درجة حرارة التصميم، والضغوط المسموح بها، وقيود التصنيع.