P22 مقابل P91 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
P22 و P91 هما نوعان من الفولاذ المستخدم على نطاق واسع في أوعية الضغط وأنابيب الطاقة، والبتروكيماويات، ومعدات الصناعة الثقيلة. يقوم المهندسون ومحترفو الشراء غالبًا بموازنة التكلفة، وقابلية التصنيع، والأداء على المدى الطويل عند الاختيار بينهما - على سبيل المثال، موازنة تكلفة المواد الأولية وقابلية اللحام مقابل القوة المطلوبة عند درجات الحرارة العالية وعمر الزحف.
التمييز الهندسي الرئيسي هو أن P91 مصمم ومعالج لتقديم قوة عالية عند درجات الحرارة العالية ومقاومة للزحف أكبر بكثير من P22، وذلك إلى حد كبير من خلال محتوى الكروم الأعلى والسبائك الدقيقة المعالجة بالإضافة إلى المعالجة الحرارية. تجعل هذه الاختلافات منهما بدائل شائعة للمكونات المعرضة لدرجات حرارة وضغوط مرتفعة، ولهذا السبب يتم المقارنة بشكل متكرر في مواصفات المكونات وتحليل تكلفة دورة الحياة.
1. المعايير والتسميات
- المعايير الشائعة:
- ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (أنبوب فولاذي سبائكي غير ملحوم) — P22، P91
- EN: EN 10216 / EN 10222 مكافئات (تتوافق درجات الفولاذ EN المختلفة مع هذه الدرجات P)
- JIS / GB: المعايير الوطنية غالبًا ما توفر مكافئات تقريبية (استشر التحويلات المحددة)
- تصنيف المواد:
- P22: فولاذ سبائكي منخفض (1.25% Cr — يُطلق عليه عادة 1.25Cr-0.5Mo). مصنف كفولاذ سبائكي للخدمة عند درجات الحرارة العالية.
- P91: فولاذ سبائكي عالي الكروم، مارتنسيت، معزز بقوة الزحف (بشكل اسمي 9Cr-1Mo مع إضافات V/Nb). غالبًا ما يُعتبر فولاذ مارتنسيت سبائكي/HSLA (فولاذ عالي القوة منخفض السبيكة) مُحسّن لمقاومة الزحف.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
جدول: نطاقات التركيب النموذجية (wt%). القيم المعروضة هي نطاقات تمثيلية من المواصفات الشائعة؛ الحدود الدقيقة تعتمد على المعيار المحدد والحرارة.
| عنصر | P22 (نطاق نموذجي) | P91 (نطاق نموذجي) |
|---|---|---|
| C | 0.04–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.25–0.60 |
| Si | 0.10–0.50 | 0.20–0.60 |
| P | ≤0.025 | ≤0.02 |
| S | ≤0.015 | ≤0.01 |
| Cr | 0.9–1.5 | 8.0–9.5 |
| Ni | trace | trace–low |
| Mo | 0.38–0.65 | 0.85–1.05 |
| V | — | 0.08–0.25 |
| Nb (Cb) | — | 0.03–0.12 |
| Ti | trace | trace |
| B | — | trace (ppm level) |
| N | trace | 0.02–0.06 |
كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - يزيد الكروم (Cr) من مقاومة الأكسدة وقابلية التصلب؛ الكمية الأكبر بكثير من Cr في P91 تساهم بشكل كبير في تحسين القوة عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الأكسدة. - يحسن الموليبدينوم (Mo) القوة عند درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الزحف في كلا الدرجتين؛ عادةً ما يحتوي P91 على ~1% Mo مقابل ~0.5% في P22. - يشكل الفاناديوم (V) والنيوبيوم (Nb) في P91 كربيدات/نيتريدات دقيقة تثبت البنية المارتنسيتية وتعيق تشوه الزحف عن طريق تثبيت العيوب وحدود الحبيبات. - يوفر الكربون القوة عبر المارتنسيت/المارتنسيت المعالج، لكن الكربون الأعلى يزيد أيضًا من قابلية التصلب وخطر التشقق؛ يستخدم P91 محتوى C مضبوط لتحقيق توازن بين القوة وقابلية اللحام. - يمكن أن تؤدي الإضافات الصغيرة من B وN المضبوطة في P91 إلى تحسين الخصائص من خلال التأثير على الترسيب وقابلية التصلب.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
- P22: البنية المجهرية النموذجية بعد التطبيع والمعالجة الحرارية هي باينيت معالجة حرارية/فريت مع كربيدات غنية بالموليبدينوم موزعة. لا تشكل بنية مارتنسيتية كاملة بنفس الطريقة التي يفعلها P91 بعد المعالجات الحرارية النموذجية. البنية المجهرية مستقرة للخدمة عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة لكنها أقل مقاومة للزحف على المدى الطويل مقارنةً بـ P91.
- P91: مصمم لتشكيل بنية مارتنسيتية دقيقة بعد التطبيع والتبريد السريع، يتبعه خطوة معالجة حرارية تترسب فيها كربيدات ونيتريدات دقيقة (مثل M23C6، ترسبات من نوع MX). تعتبر المعالجة الحرارية والحرارية المضبوطة ضرورية للحصول على البنية المجهرية المارتنسيتية المعالجة حراريًا المحسّنة التي توفر قوة زحف عالية.
- آثار المعالجة:
- التطبيع: ينقي حجم حبيبات الأوستينيت السابقة؛ يتطلب P91 عادةً تطبيعًا عند درجة حرارة أعلى من P22 لإذابة كربيدات السبيكة وتعزيز تشكيل المارتنسيت بشكل صحيح.
- التبريد والمعالجة الحرارية / التطبيع والمعالجة الحرارية: تتطلب كلا الدرجتين معالجة حرارية بعد التصلب. تعتبر معالجة P91 الحرارية حرجة بشكل خاص لاستقرار البنية المارتنسيتية وتحقيق المتانة مع تقليل الضغوط المتبقية.
- تعتبر المعالجات الحرارية والسرعات المضبوطة للتبريد أكثر أهمية لـ P91 لتجنب الترسبات الخشنة وللتحكم في أداء الزحف على المدى الطويل.
4. الخصائص الميكانيكية
جدول: مقارنة نوعية (قيم نموذجية بعد التطبيع والمعالجة الحرارية؛ تعتمد الخصائص الفعلية على المعالجة الحرارية الدقيقة، والسماكة، والمواصفة).
| خاصية | P22 (نموذجي) | P91 (نموذجي) |
|---|---|---|
| قوة الشد (النهائية) | متوسطة | عالية |
| قوة العائد | متوسطة | عالية |
| التمدد (المرونة) | جيدة (أعلى من P91) | متوسطة (أقل من P22) |
| صلابة التأثير (RT) | جيدة عند المعالجة الحرارية بشكل صحيح | جيدة عند المعالجة الحرارية بشكل صحيح؛ قد تكون حساسة للمعالجة الحرارية |
| الصلابة | متوسطة | أعلى (أكثر عرضة للتآكل) |
تفسير: - يوفر P91 قوة شد وعائد أعلى بكثير ومقاومة زحف فائقة على المدى الطويل عند درجات الحرارة المرتفعة بفضل بنيته المارتنسيتية والسبائك الدقيقة (V، Nb) مقارنةً بالبنية الفريتية/الباينيتية المعالجة حراريًا الأقل سبيكة لـ P22. - يقدم P22 عمومًا مرونة أكبر وقد يقدم تحكمًا أسهل في المتانة في بعض السماكات؛ يمكن أن يحقق P91 متانة جيدة ولكنه يتطلب تحكمًا صارمًا في المعالجة الحرارية والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT).
5. قابلية اللحام
العوامل الرئيسية: تعادل الكربون، وقابلية التصلب، ومحتوى السبائك الدقيقة تحدد احتياجات التسخين المسبق / PWHT ومخاطر تشقق HAZ.
مؤشرات قابلية اللحام الشائعة (تستخدم لتقييم المخاطر نوعيًا): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير (نوعي): - P22: أقل من Cr وأقل قابلية للتصلب مقارنةً بـ P91 - قيم تعادل الكربون متوسطة. عادةً ما يتطلب لحام P22 تسخينًا مسبقًا و PWHT لتقليل صلابة HAZ وعرضة للتشقق الناتج عن الهيدروجين، لكن دورات PWHT القياسية مثبتة جيدًا ومرنة نسبيًا. - P91: يزيد Cr وMo وعناصر السبائك الدقيقة من قابلية التصلب ويزيد من خطر تشكيل المارتنسيت الصلب في HAZ؛ لذلك، فإن لحام P91 أكثر تطلبًا. يعتبر التسخين المسبق المناسب، ودرجات حرارة التداخل المضبوطة، ودورات PWHT المحددة بعناية ضرورية لتجنب هشاشة HAZ ولتلطيف HAZ المارتنسيتية. استخدام المعادن المالئة المتطابقة أو الزائدة والتأهيل الصارم للإجراءات أمر شائع. - نصيحة عملية: تتطلب إجراءات لحام P91 WPS/PQR مؤهلة وموظفين ذوي خبرة؛ يجب أن يتبع لحام الإصلاح والمعالجة الحرارية بعد اللحام دورات معتمدة من الشركة المصنعة أو الكود. P22 أكثر تسامحًا ولكن لا يزال يتطلب PWHT صحيحًا لمكونات الخدمة تحت الضغط.
6. التآكل وحماية السطح
- لا P22 ولا P91 مقاومان للصدأ. يجب إدارة مقاومة التآكل في البيئات الرطبة/الحمضية من خلال اختيار المواد، أو الطلاءات، أو المثبطات.
- استراتيجيات الحماية الشائعة: الطلاء، الألمنيوم عند درجات الحرارة العالية، الرش الحراري، أو تحديد هامش التآكل. بالنسبة للبيئات الخارجية أو الرطبة، يتم استخدام الطلاءات القياسية والحماية الكاثودية حسب الحاجة.
- PREN (مؤشر تآكل النقاط) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات الفريتية غير المقاومة للصدأ لأن PREN يستخدم للسبائك المقاومة للصدأ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- لتحسين مقاومة الأكسدة/التآكل عند درجات الحرارة العالية، يوفر الكروم الأعلى في P91 مقاومة أكسدة محسّنة مقارنةً بـ P22، لكن لا يوفر أي منهما حماية من التآكل بمستوى مقاوم للصدأ.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- التشغيل:
- P22: أسهل في التشغيل مقارنةً بـ P91 بسبب القوة والصلابة الأقل؛ يمكن أن تكون سرعات القطع أعلى وتكون الأدوات لها عمر أطول.
- P91: أصعب وأقوى، يميل إلى العمل على الصلابة؛ يتطلب أدوات أكثر قوة، وسرعات قطع أقل، وإعدادات صارمة.
- التشكيل/الانحناء:
- P22: خصائص تشكيل باردة أفضل؛ تخفيضات أكبر ممكنة دون تشقق.
- P91: قابلية تشكيل باردة محدودة - قد يكون التشكيل الساخن أو الحذر الأكبر وأشعة الانحناء الأكبر ضرورية.
- إنهاء السطح: قد يتطلب P91 خطوات طحن/تلميع أكثر عدوانية ويمكن أن ينتج عنه رقائق أصعب في التشغيل؛ يتم استخدام الطحن عادةً لإزالة طبقات إزالة الكربون من HAZ بعد اللحام قبل PWHT في الحالات الحرجة.
8. التطبيقات النموذجية
| P22 (الاستخدامات النموذجية) | P91 (الاستخدامات النموذجية) |
|---|---|
| أنابيب البخار، الرؤوس وأوعية الضغط في الغلايات والمصافي ذات درجات الحرارة المعتدلة (حتى ~540–565 درجة مئوية، حسب التصميم) | الرؤوس عالية الحرارة، أنابيب السخانات/المسخنات، خطوط البخار والمكونات الضغط في محطات الطاقة الفوسفاتية المتقدمة حيث تتطلب قوة زحف عالية |
| المبادلات الحرارية، الأسطوانات، وأنابيب الحرارة العالية غير الحرجة حيث تفضل التكلفة والتوافر 1.25Cr-0.5Mo | مكونات عالية الضغط وطويلة العمر معرضة لدرجات حرارة وضغوط مرتفعة مستمرة حيث يتطلب الأمر تقليل سمك الجدار أو زيادة عمر الزحف |
| مكونات الضغط الصناعية العامة حيث تكون مدة التصميم التقليدية مقبولة | تطبيقات البناء الجديد أو التحديث التي تستهدف درجات حرارة/ضغوط بخار أعلى وفترات خدمة أطول |
مبررات الاختيار: - اختر P22 للخدمة عند درجات الحرارة المعتدلة حيث تكون قابلية اللحام، والمرونة، وتكلفة المواد الأقل هي الأولويات. - اختر P91 حيث تبرر مقاومة الزحف على المدى الطويل، وقوة درجات الحرارة المرتفعة، وإمكانية الأقسام الرقيقة أو عمر الخدمة الممتد تكلفة المواد والتصنيع الأعلى.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: عادةً ما يكون P91 أكثر تكلفة من P22 على أساس لكل كيلوغرام/قدم بسبب محتوى السبيكة الأعلى ومتطلبات المعالجة/المعالجة الحرارية الأكثر صرامة.
- التوافر: يتوفر P22 على نطاق واسع في العديد من أشكال المنتجات (أنابيب، ألواح، تركيبات). يتوفر P91 على نطاق واسع ولكن قد يكون له أوقات تسليم أطول لأشكال المنتجات المحددة، أو مكونات معالجة المصنع ذات التحمل الضيق، أو عندما تكون هناك حاجة لتصنيع أعلى درجة (مثل مواد اللحام الاستهلاكية).
- ملاحظة الشراء: يجب أن تأخذ التكلفة الإجمالية المثبتة في الاعتبار ليس فقط سعر المواد ولكن أيضًا تأهيل إجراءات اللحام، ودورات PWHT، والتفتيش، وفترات استبدال دورة الحياة المحتملة.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي):
| المعيار | P22 | P91 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | أسهل؛ PWHT قياسي | أكثر تطلبًا؛ تسخين مسبق/PWHT صارم وإجراءات مؤهلة |
| القوة–المتانة (درجة حرارة الغرفة) | قوة متوسطة، مرونة/متانة جيدة | قوة عالية، متانة جيدة إذا تمت معالجتها بشكل صحيح؛ مرونة أقل |
| مقاومة الزحف عند درجات الحرارة العالية | متوسطة؛ مناسبة للخدمة عند درجات الحرارة المنخفضة/الدورات العالية | فائقة؛ مصممة لخدمة الزحف الممتدة |
| التكلفة | تكلفة مواد أقل؛ تصنيع أبسط | تكلفة مواد وتصنيع أعلى |
| التوافر | متوفر على نطاق واسع | متوفر على نطاق واسع ولكن قد تزيد المعالجة المتخصصة من وقت التسليم |
التوصية: - اختر P22 إذا كنت بحاجة إلى سبيكة فعالة من حيث التكلفة للخدمة عند درجات الحرارة المرتفعة المعتدلة حيث يكون PWHT القياسي مقبولًا، والمرونة وسهولة التصنيع هي الأولويات، ولا يتطلب الأمر عمر زحف طويل يتجاوز الحدود التصميمية التقليدية. - اختر P91 إذا كانت التصميمات تتطلب قوة أعلى بكثير ومقاومة زحف طويلة الأمد عند درجات الحرارة المرتفعة (على سبيل المثال، معلمات بخار محطة الطاقة المتقدمة)، أو حيث تبرر تقليل سمك الجدار/الوزن وزيادة فترات الصيانة تكلفة المواد والتصنيع الأعلى وصرامة أكبر في التحكم في اللحام.
ملاحظة نهائية: يجب أن يأخذ اختيار الدرجة الدقيقة في الاعتبار ضغوط تصميم المكونات، ومدة التصميم المطلوبة، والقوانين المعمول بها (ASME/EN/JIS/GB)، وقدرات اللحام والتفتيش، وتحليل تكلفة دورة الحياة. بالنسبة لمكونات الضغط الحرجة، استشر متطلبات الكود وموردي المواد للحصول على بيانات كيميائية وميكانيكية معتمدة ولتأهيل إجراءات اللحام.