P91 مقابل P92 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يجب على المهندسين والمتخصصين في الشراء الذين يختارون الفولاذات لتطبيقات الطاقة والعمليات ذات درجات الحرارة العالية تحقيق توازن بين القوة ومقاومة الزحف وقابلية اللحام وتكلفة دورة الحياة. P91 و P92 هما نوعان من الفولاذات المقاومة للحرارة التي تحتوي على 9% كروم والتي تم تطويرها لأنظمة أنابيب البخار والتوصيلات عالية الضغط؛ وغالبًا ما يكون القرار بينهما عبارة عن مقايضة بين الأداء طويل الأمد عند درجات الحرارة العالية وتكلفة التصنيع/التفتيش.

التمييز المعدني الرئيسي هو أن P92 يطور عائلة 9Cr–1Mo الكلاسيكية من خلال تحويل جزء من استراتيجية التعزيز نحو تعزيزات حرارية أثقل (التنجستن والسبائك الدقيقة المحسنة)، مما يحسن مقاومة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة. بسبب هذا التغيير في السبيكة، يقدم P92 عمومًا قوة أعلى على المدى الطويل وأداء أفضل في كسر الزحف على حساب ممارسة اللحام والتصنيع الأكثر تطلبًا قليلاً مقارنةً بـ P91.

1. المعايير والتسميات

• المعايير والمواصفات الشائعة التي يظهر فيها P91 و P92:
• ASME/ASTM: عادةً كـ P91 و P92 في SA-335 (أنابيب فولاذية سبائكية غير ملحومة) وأكواد الغلايات/الأنابيب ذات الصلة.
• EN: هذه الفولاذات متاحة تحت تسميات أوروبية في معادلات EN ومعايير المنتجات التفصيلية للأنابيب والتجهيزات.
• GB (الصين): يتم إنتاجها على نطاق واسع تحت درجات GB/T المقابلة للفولاذات المقاومة للحرارة.
• JIS: تشير المعايير اليابانية أحيانًا إلى فولاذات 9Cr المعادلة للخدمة عند درجات الحرارة العالية.
• التصنيف: كل من P91 و P92 هما فولاذات سبائكية منخفضة، مقاومة للحرارة من نوع الفريت-مارتنزيت (لا هما فولاذات مقاومة للصدأ ولا فولاذات أدوات). يتم تصنيفهما بشكل أفضل كفولاذات سبائكية عالية القوة ومقاومة للزحف (نوع HSLA للخدمة عند درجات الحرارة المرتفعة).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

يوضح الجدول التالي نطاقات التركيب النموذجية (تقريبية، مدورة لتعكس المواصفات الشائعة والممارسة الصناعية). يتم تعريف النطاقات المسموح بها بدقة في معيار المواد المعمول به أو ورقة بيانات المورد.

عنصر	P91 (نطاقات نموذجية، wt%)	P92 (نطاقات نموذجية، wt%)
C	0.08–0.12	0.08–0.12
Mn	0.3–0.6	0.2–0.6
Si	0.2–0.5	0.2–0.6
P	≤0.02	≤0.02
S	≤0.01	≤0.01
Cr	8.0–9.5	8.5–9.5
Ni	≤0.40	≤0.40
Mo	~0.85–1.05	~0.4–0.7
W	trace to 0.5	~1.7–2.5
V	0.18–0.25	0.18–0.25
Nb (Cb)	0.06–0.12	0.06–0.12
Ti	≤0.02	≤0.02
B	مستويات ppm منخفضة جدًا	مستويات ppm منخفضة جدًا
N	0.02–0.07	0.03–0.07

ملاحظات: - يقلل P92 من محتوى Mo العام ويقدم التنجستن (W) بشكل مقصود لزيادة التعزيز من خلال الحل الصلب والترسيب عند درجات الحرارة المرتفعة. يتم الاحتفاظ بالسبائك الدقيقة مع V و Nb وتحسينها في كلا الدرجتين لتثبيت ترسبات الكربيد/النترات الدقيقة التي تتحكم في الزحف. - غالبًا ما يتم استخدام البورون بمستويات أجزاء في المليون لتحسين قابلية التصلب؛ يتم التحكم في النيتروجين لتثبيت الكربيدات/النترات وللتأثير على سلوك التخمير. - هذه النطاقات دلالية؛ يجب دائمًا التأكيد مع شهادات المصنع ومتطلبات الكود ذات الصلة.

كيف تؤثر السبيكة على الخصائص: - يوفر الكروم مقاومة للأكسدة واستقرار المصفوفة عند درجات الحرارة المرتفعة. - يعتبر Mo و W أساسيين للتعزيز من خلال الحل الصلب ولتشكيل كربيدات مستقرة/ترسبات معقدة تؤخر الزحف؛ استبدال بعض Mo بـ W يحول توازن القوة عند درجات الحرارة لصالح أداء أفضل على المدى الطويل في الزحف. - تشكل V و Nb ترسبات MX (كربونيد) دقيقة تثبت الانزلاقات وحدود الحبوب، مما يحسن قوة الزحف ويضبط هشاشة التخمير عند التوازن الصحيح. - يتحكم الكربون في الصلابة والقوة ولكنه يزيد من قابلية التصلب والضعف في تشكيل المارتنزيت—لذا يتطلب الأمر تحكمًا دقيقًا ومعالجة حرارية مناسبة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنى المجهرية النموذجية: - يتم إنتاج كلا الدرجتين إلى بنية مارتنزيتية/فريتية معاد تسخينها بعد المعالجة الحرارية العادية والتخمير. الهيكل كما هو عادي هو حزم مارتنزيتية مع حدود حبوب أوستنيت سابقة؛ ينتج التخمير مارتنزيت مخفف مع كربيدات ونترات متنوعة (M23C6، ترسبات من نوع MX). - تميل بنية P92 المجهرية إلى إظهار استقرار أعلى للترسبات عند درجة حرارة الخدمة بسبب كربيدات تحتوي على W وتوزيع مصفى من كربيدات Nb/V (مصممة لمقاومة التبلور).

طرق المعالجة الحرارية: - المعالجة العادية: التسخين إلى درجة حرارة أوستنيتية لحل كربيدات السبيكة، يتبعها تبريد بالهواء لتشكيل المارتنزيت؛ يتم تحديد درجات الحرارة النموذجية بواسطة الكود/المواصفة ويجب الالتزام بها للتحكم في الأبعاد والخصائص المعدنية. - التبريد ليس شائعًا—تتم معالجة هذه الفولاذات بشكل عادي ثم يتم تخميرها بدلاً من تصلبها عن طريق التبريد كما هو مستخدم في فولاذ الأدوات. - التخمير: يتم تنفيذه لتقليل الهشاشة، وتخفيف الضغوط، وترسيب كربيدات التعزيز. تؤثر درجة حرارة التخمير والوقت بشكل كبير على قوة الزحف والصلابة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: تستفيد بعض أشكال المنتجات (الألواح، القوالب) من الدرفلة المتحكم بها والتبريد المعجل لتصفية حجم حبوب الأوستنيت السابقة وتوزيع الترسبات بشكل أكثر انتظامًا.

اختلافات التأثير: - تقلل الترسبات المحتوية على التنجستن في P92 والتوازن المختلف قليلاً بين Nb/V من تبلور الترسبات عند درجات حرارة الخدمة، مما يؤدي إلى قوة زحف أفضل على المدى الطويل مقارنةً بـ P91. يجب اختيار والتحكم في نوافذ التخمير ودورات PWHT لتجنب التخمير الزائد أو الناقص في أي من الدرجتين.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول — نطاقات نوعية ونموذجية (بعد المعالجة العادية والتخمير المناسبة؛ القيم المحددة تعتمد على المعالجة الحرارية الدقيقة ومتطلبات الكود):

خاصية	P91 (نموذجي)	P92 (نموذجي)
قوة الشد (Rm)	~600–750 ميجا باسكال (درجة حرارة الغرفة، نموذجي)	~650–800 ميجا باسكال (درجة حرارة الغرفة، نموذجي)
قوة الخضوع (Rp0.2)	~415–520 ميجا باسكال	~480–560 ميجا باسكال
التمدد (A%)	~18–25%	~15–25% (مرونة مشابهة)
صلابة التأثير (Charpy V-notch)	متوسطة إلى جيدة (تعتمد على التخمير)	جيدة، قابلة للمقارنة ولكن حساسة للمعالجة الحرارية
الصلابة (HRC/HBW)	عادةً ~180–250 HB	عادةً ~190–260 HB

التفسير: - تم تصميم P92 عمومًا لتوفير قوة شد وزحف أعلى، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة وأوقات التعرض الطويلة. - يمكن أن تكون المرونة وصلابة التأثير مشابهة عند درجة حرارة الغرفة عند تطبيق المعالجة الحرارية المناسبة، ولكن كلا الدرجتين تتطلبان تخميرًا دقيقًا للحفاظ على الصلابة المطلوبة، خاصة عبر اللحامات. - الصلابة قابلة للمقارنة؛ يتم تحديد الاختلافات بواسطة درجة حرارة التخمير والهيكل المجهرى النهائي.

5. قابلية اللحام

اعتبارات قابلية اللحام: - كل من P91 و P92 قابلة للحام ولكن تتطلب تسخينًا مسبقًا متحكمًا، وحدود درجة حرارة بين الطبقات، ومعالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) إلزامية لتخمير اللحام المارتنزيت والمنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ). - تجعل محتويات السبيكة الأعلى وقابلية التصلب كلاهما عرضة لتصلب HAZ والتشقق البارد إذا لم يتم التحكم في إجراءات اللحام.

الصيغ المفيدة (تفسير نوعي فقط): - المعادل الكربوني (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ يشير ارتفاع $CE_{IIW}$ إلى قابلية تصلب أكبر وزيادة خطر المارتنزيت والتشقق في HAZ؛ ينتج كل من P91 و P92 قيمًا مرتفعة نسبيًا مقارنة بالفولاذات منخفضة السبيكة. - Pcm (معامل قابلية اللحام):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ يساعد $P_{cm}$ في تقييم قابلية التشقق البارد؛ يمكن أن ترفع العناصر الدقيقة والبورون في P91/P92 المؤشر.

التداعيات العملية: - يزيد محتوى التنجستن (و Mo المعدل) في P92 قليلاً من قابلية التصلب مقارنةً بـ P91، لذا تميل ضوابط اللحام إلى أن تكون أكثر أهمية (تسخين مسبق أعلى، ملفات دقيقة بين الطبقات و PWHT، استخدام المعادن الملحومة المطابقة). - يتطلب استخدام المعادن الملحومة المطابقة أو الزائدة، والتحكم الصارم في الهيدروجين، وإجراءات اللحام المؤهلة. تعتبر المعالجة الحرارية بعد اللحام ضرورية لتحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة وتقليل الضغوط المتبقية وصلابة المارتنزيت. - تتطلب إصلاحات اللحام واللحام متعدد الطبقات اهتمامًا خاصًا بدورات درجة الحرارة/الوقت لـ PWHT المحددة في الكود أو إجراء اللحام الخاص بالشركة المصنعة.

6. التآكل وحماية السطح

• لا يعتبر كل من P91 و P92 فولاذات مقاومة للصدأ؛ بل يعتمدون على محتوى الكروم (~9%) لتحسين مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة بدلاً من مقاومة التآكل في البيئات الرطبة أو المحتوية على الكلور.
• للتعرضات العامة في الأجواء، أو في الماء، أو في البيئات الكيميائية العدوانية، تنطبق ممارسات حماية السطح القياسية: يمكن استخدام الطلاءات، والدهانات، ورش الحرارية، أو المجلفن حيثما كان ذلك مناسبًا (لكن المجلفن على مكونات الخدمة عند درجات الحرارة العالية ليس شائعًا).
• PREN (رقم مقاومة التآكل) ليس ذا صلة بهذه الفولاذات الفريتية المقاومة للحرارة غير المقاومة للصدأ؛ للمرجع، يتم حساب PREN كالتالي:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لكن هذا المؤشر ينطبق على اختيار السبائك المقاومة للصدأ ولا يميز P91/P92 بشكل ذي معنى.

إرشادات عملية: - لاختيار المواد لمقاومة الأكسدة على جانب البخار والتآكل على جانب النار في الغلايات والسخانات، يجب أن يستند اختيار المواد (P91 مقابل P92) إلى درجة الحرارة التشغيلية وسلوك الترسبات/الأكسدة المتوقع، مع تطبيق الطلاءات وضوابط كيمياء المياه حسب الحاجة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: كلا الدرجتين أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذات منخفضة السبيكة بسبب القوة الأعلى وقابلية التصلب؛ يمكن أن يكون P92 أكثر تحديًا قليلاً بسبب محتوى التنجستن واستقرار الكربيد المرتبط. استخدم أدوات حادة، وإعدادات صلبة، ومعلمات قطع معدلة.
• قابلية التشكيل/الانحناء: التشكيل البارد محدود؛ يتم عادةً إجراء التشكيل على أشكال المنتجات المعالجة عاديًا أو الملدنة حيثما كان ذلك ممكنًا. يجب أن تتبع أنصاف أقطار الانحناء والأساليب إرشادات المورد وتسمح بالمعالجة الحرارية اللاحقة.
• تتطلب عمليات الطحن، والحفر، والتشطيب اهتمامًا لتوليد الحرارة لتجنب التخمير أو العمل على تصلب السطح.
• يتطلب تصنيع اللحام إجراءات مؤهلة وموظفين على دراية بمتطلبات PWHT.

8. التطبيقات النموذجية

P91 — الاستخدامات النموذجية	P92 — الاستخدامات النموذجية
أنابيب البخار الرئيسية، الرؤوس، أنابيب السخانات، أقسام إعادة التسخين في محطات تقليدية ودون حرجة (حتى ~600–620 درجة مئوية حسب توقعات عمر التصميم)	أنابيب الغلايات والتوربينات عالية الضغط، أنابيب السخانات/إعادة التسخين المتقدمة، المكونات التي تحتاج إلى قوة زحف أعلى لخدمة أطول أو درجات حرارة أعلى (عادةً في النطاق الأعلى من عائلة 9Cr)
أنابيب الغلايات والتجهيزات في محطات الطاقة الأحفورية	المكونات ذات السماكة الكبيرة أو تلك التي تتطلب تحسين قوة الكسر على المدى الطويل وتقليل معدلات الزحف
أوعية الضغط ذات الجدران السميكة حيث يكون سلوك المواد المفهوم جيدًا مقبولًا	محطات البناء الجديدة أو التحديثات حيث يبرر العمر الممتد عند درجات حرارة معدنية أعلى تكلفة المواد والتصنيع الأعلى

مبررات الاختيار: - اختر بناءً على درجة الحرارة التصميم المطلوبة، وعمر الكسر الزحف المطلوب، والسماكة (يزيد W من القوة في الأقسام السميكة)، واستراتيجية اللحام/التصنيع المقبولة.

9. التكلفة والتوافر

• عادةً ما يكون P92 أكثر تكلفة من P91 بسبب التنجستن الإضافي وضوابط التصنيع؛ قد يكون له أيضًا أوقات تسليم أطول وتوافر أكثر محدودًا في بعض أشكال المنتجات أو الأحجام.
• يتوفر P91 على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم في الأنابيب، والتجهيزات، والألواح، والقوالب وغالبًا ما يمثل الأساس للمكونات المعتمدة من الكود.
• يختلف التوافر مع دورات السوق، وقدرات المصنع، والمنطقة الجغرافية؛ يجب على الشراء تأكيد أوقات التسليم للأنابيب غير الملحومة مقابل الملحومة، والقوالب، والتجهيزات.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

السمة	P91	P92
قابلية اللحام (تعقيد الإجراءات)	جيدة — PWHT القياسية مطلوبة	أكثر تطلبًا — قابلية تصلب أعلى، تحكم أكثر صرامة
القوة–الصلابة (درجة حرارة الغرفة)	قوية، صلابة جيدة	قوة أعلى، صلابة قابلة للمقارنة إذا تمت معالجتها بشكل صحيح
مقاومة الزحف (طويلة الأمد، درجات حرارة عالية)	جيدة حتى حدود الخدمة النموذجية	مقاومة زحف أفضل على المدى الطويل عند درجات حرارة أعلى
التكلفة والتوافر	تكلفة أقل، توافر أوسع	تكلفة أعلى، إمدادات أكثر تقييدًا في بعض الأشكال

التوصيات: - اختر P91 إذا: - كان التطبيق يقع ضمن درجات حرارة الخدمة التقليدية لعائلة 9Cr–1Mo وتوقعات عمر التصميم، - كانت سرعة التصنيع، والتكلفة، والتوافر الأسهل هي الأولويات، - كانت الخبرة المثبتة في الكود وإجراءات اللحام الحالية مفضلة.

• اختر P92 إذا:
• كان التصميم يتطلب تحسين قوة الزحف على المدى الطويل، أو التشغيل عند الطرف الأعلى من قدرات درجات حرارة 9Cr، أو عمر مضمون أطول تحت البخار/الضغط،
• كان المشروع يمكنه استيعاب ضوابط لحام أكثر صرامة، وتكلفة مواد أعلى، وأوقات تسليم محتملة أطول،
• كان الأداء المحسن في الأقسام السميكة أو أنظمة الزحف عالية الحرارة العدوانية عاملاً حاسمًا.

ملاحظة نهائية: يجب دائمًا دعم اختيار المواد ببيانات الزحف والكسر الخاصة بالمشروع، وسجلات تأهيل إجراءات اللحام، وجداول المعالجة الحرارية المناسبة، والتشاور مع موردي المواد والمصنعين. تأكد من التركيب الدقيق والخصائص المضمونة من شهادة اختبار المصنع واتبع وصفات الكود (ASME/EN/GB/JIS) للتصميم، واللحام، والتفتيش.