P91 مقابل X10CrMoVNb9-1 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
اختيار بين P91 و X10CrMoVNb9-1 هو معضلة شائعة للمهندسين وفرق الشراء الذين يعملون على أنظمة الضغط ذات درجات الحرارة العالية، وأنابيب محطات الطاقة، ومكونات دورة البخار. عادة ما تكون القرارات مدفوعة بالمعايير وقيود الشراء (ASME مقابل EN)، بالإضافة إلى التوازنات بين القوة عند درجات الحرارة العالية، وقابلية اللحام، وتكلفة دورة الحياة.
على الرغم من أن كلا الفولاذين يحتويان على 9% من الكروم، إلا أنهما فولاذان فيريتيك منخفضي السبائك مصممان للخدمة في درجات الحرارة المرتفعة، فإن التمييز العملي الرئيسي يكمن في أنظمة المواصفات المعيارية الخاصة بهما والتوقعات الناتجة عن المعالجة الحرارية، والتفتيش، والتوثيق - والتي يمكن أن تؤثر على الشراء، والتأهيل، وعمليات التصنيع.
1. المعايير والتسميات
- P91
- المعايير الشائعة: ASME/ASTM (على سبيل المثال، ASME SA-213 T91، ASME SA-335 P91)، مراجع API في بعض السياقات.
- التصنيف: فولاذ فيريتيك مقاوم للحرارة منخفض السبيكة (غالبًا ما يتم إدراجه في أكواد الأوعية الضاغطة والأنابيب).
- X10CrMoVNb9-1
- المعايير الشائعة: EN/ISO (على سبيل المثال، EN 10216-2 / 1.4903؛ غالبًا ما يتم الإشارة إليها في المعايير الأوروبية والتوثيق المتوافق مع PED).
- التصنيف: فولاذ فيريتيك مقاوم للحرارة منخفض السبيكة (تسمية EN لعائلة 9%Cr – 1%Mo).
الفئة: كلاهما فولاذان سبائكيان مخصصان للتطبيقات المقاومة للزحف عند درجات الحرارة العالية (ليس فولاذ مقاوم للصدأ بمعنى مقاومة التآكل).
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
توضح الجدول أدناه نطاقات التركيب النموذجية المستخدمة للمواصفات والشراء. القيم المعروضة هي نطاقات تمثيلية من أوراق البيانات الشائعة والحدود المعيارية؛ تعتمد الحدود الدقيقة على المعيار المحدد وشهادة المصنع.
| عنصر | P91 (نطاق نموذجي، wt%) | X10CrMoVNb9-1 (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 | ≤ 0.025 – 0.03 | ≤ 0.025 – 0.03 |
| S | ≤ 0.01 – 0.02 | ≤ 0.01 – 0.02 |
| Cr | 8.0 – 9.5 | 8.5 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.85 – 1.05 | 0.90 – 1.05 |
| V | 0.18 – 0.25 | 0.18 – 0.25 |
| Nb (Ta) | 0.06 – 0.12 (Nb) | 0.06 – 0.12 (Nb) |
| Ti | ≤ 0.02 (trace) | ≤ 0.02 (trace) |
| B | ≤ 0.001 (trace, if present) | ≤ 0.001 (trace, if present) |
| N | 0.03 – 0.06 (typ.) | 0.03 – 0.06 (typ.) |
كيف تؤثر السبيكة على الأداء: - يزيد الكروم والموليبدينوم من القوة عند درجات الحرارة العالية، ومقاومة الزحف، وقابلية التصلب. - تشكل الفاناديوم والنيوبيوم كربيدات/نيتريدات مستقرة تعمل على تنقية حجم حبيبات الأوستينيت السابقة وتثبيت البنية المجهرية المارتنسيتية، مما يحسن مقاومة الزحف. - يتحكم الكربون في القوة من خلال تشكيل المارتنسيت/المارتنسيت المعالج ولكن يجب أن يكون محدودًا لتحقيق توازن قابلية اللحام. - تتحكم العناصر الثانوية (Ti، B، N) في الترسبات ونمو الحبيبات؛ يرتبط النيتروجين بالكربون ويشكل نيتريدات تؤثر على المتانة.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنى المجهرية النموذجية: - تم تصميم كلا الدرجتين لتشكيل بنية مارتنسيتية معالجة بعد الأوستينيت المناسب (التطبيع/التبريد) يتبعها التخمير. توفر مصفوفة المارتنسيت المعالجة مع ترسبات كربيد/نيتريد دقيقة (M23C6، MX، أنواع M6C حسب الكيمياء) قوة عالية عند درجات الحرارة ومقاومة للزحف. - في الحالة الملحومة، يمكن أن تتشكل مارتنسيت غير المعالجة مع قمم صلابة وضغوط متبقية عالية، خاصة بالقرب من منطقة التأثير الحراري (HAZ).
أثر المعالجة: - التطبيع: يذوب الكربيدات الخشنة ويعطي حجم حبيبات الأوستينيت السابقة المنقحة؛ درجات حرارة التطبيع النموذجية لفولاذ 9%Cr تتراوح حوالي 1000–1100 درجة مئوية، ولكن المعايير المحددة تحدد قيمًا دقيقة. - التبريد والتخمير (Q&T): ينتج التبريد المارتنسيت؛ يقلل التخمير المنضبط (على سبيل المثال، نطاق 730–780 درجة مئوية حسب الكود والخصائص المطلوبة) من الصلابة، ويثبت الترسبات، وينتج التركيبة المرغوبة من القوة والمتانة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن يؤدي الدرفلة المنضبطة والتبريد المعجل إلى تحسين الهياكل ذات الحبيبات الدقيقة والمتانة الفائقة؛ يستفيد كلا الفولاذين من مثل هذه المعالجة عند تحديدها. - الشيخوخة/الزحف على المدى الطويل: يؤدي تكبير الترسبات على مدى عمر الخدمة إلى تقليل القوة؛ تم تصميم فولاذ P91 لتوفير عمر زحف مقبول حتى حدود درجة الحرارة/الوقت المحددة (غالبًا حتى حوالي 600–620 درجة مئوية مع تصميم دقيق).
4. الخصائص الميكانيكية
القيم أدناه هي نطاقات نموذجية كما هو محدد بعد التطبيع القياسي والتخمير؛ تعتمد الخصائص الفعلية على المعالجة الحرارية الدقيقة، وسمك القسم، وتأهيل المورد.
| خاصية | P91 (نموذجي، درجة حرارة الغرفة) | X10CrMoVNb9-1 (نموذجي، درجة حرارة الغرفة) |
|---|---|---|
| قوة الشد (ميغاباسكال) | ~550 – 700 | ~550 – 700 |
| قوة الخضوع (0.2% إثبات، ميغاباسكال) | ~400 – 600 | ~400 – 600 |
| التمدد (% إجمالي) | ~12 – 20 | ~12 – 20 |
| متانة الصدمة (Charpy V، J، RT) | عادة ≥ 40 J (تعتمد على المواصفات/المعالجة الحرارية) | عادة ≥ 40 J (تعتمد على المواصفات/المعالجة الحرارية) |
| الصلابة (HB) | ~170 – 260 HB | ~170 – 260 HB |
التفسير: - تقدم كلا الدرجتين قوة شد وقوة خضوع مشابهة جدًا عند درجة حرارة الغرفة عندما تتم معالجتها إلى نفس حالة التخمير؛ تنشأ اختلافات صغيرة من التسامحات التركيبية المسموح بها والمعالجات الحرارية المحددة. - تتحكم المتانة من خلال تنقية الحبيبات، ودرجة حرارة التخمير، والتحكم في الميكروسبائك؛ يمكن لكلا الفولاذين تلبية متطلبات الصدمة المقارنة عند إنتاجهما وفقًا للمعيار ASME أو EN المقابل. - باختصار، لا تعتبر أي من الدرجتين أقوى بشكل قاطع في جميع الظروف؛ يتم تحقيق توازن القوة والمتانة من خلال تحديد حالة التخمير ومتطلبات الاختبار في المعيار المعمول به.
5. قابلية اللحام
تعتبر قابلية اللحام فارقًا عمليًا حاسمًا لأن هذه الفولاذات منخفضة الكربون عالية السبيكة قابلة للتصلب بشكل كبير.
الصيغ ذات الصلة للتقييم النوعي: - المعادل الكربوني (IIW) للحصول على نظرة عامة عامة على قابلية اللحام: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Ito-Bessyo) كمؤشر أكثر تحفظًا لعرضة 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 النوعي: - يحتوي كل من P91 و X10CrMoVNb9-1 على كربون معتدل وإضافات كبيرة من Cr/Mo/V/Nb، مما يرفع $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ مقارنة بالفولاذات الكربونية العادية؛ وهذا يشير إلى قابلية تصلب أعلى وميول أكبر لمارتنسيت HAZ وخطر التشقق البارد إذا لم يتم التحكم في اللحام. - تشمل توصيات اللحام لكلا الفولاذين عادةً التسخين المسبق، ودرجة حرارة التمرير المنضبطة، والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) لتخمير مارتنسيت HAZ وتخفيف الضغوط المتبقية. عادةً ما يتم تحديد درجات حرارة PWHT حول 730–780 درجة مئوية حسب السمك والكود. - الفروق العملية: الفروق هي في الغالب إجرائية - على سبيل المثال، قد تختلف مؤهلات إجراءات لحام ASME P91 ومعايير قبول PWHT في الصياغة عن مواصفات X10CrMoVNb9-1 المعتمدة على EN. في الممارسة العملية، يجب تأهيل إجراءات اللحام وفقًا للمعيار المعمول به وشكل المنتج.
6. التآكل وحماية السطح
- سلوك التآكل: كلا المادتين هما فولاذان فيريتيك منخفضا السبيكة يحتويان على حوالي 9% من الكروم ولكنهما ليسا فولاذات مقاومة للصدأ بمعنى التآكل المائي الساكن. لا توفر مقاومة تآكل من الدرجة المقاومة للصدأ وستتآكل في البيئات الرطبة ما لم يتم حمايتها.
- استراتيجيات الحماية النموذجية: الطلاءات الواقية (أنظمة الطلاء)، البطانة الداخلية، البيئة المنضبطة، أو الحماية الكاثودية حسب الخدمة. يمكن أن يكون المجلفن ممكنًا لبعض أشكال المنتجات ولكنه أقل شيوعًا لأنابيب درجات الحرارة العالية حيث تكون الاستقرار في القشور والطلاء مصدر قلق.
- PREN (عدد مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات الفيريتيك المقاومة للحرارة بمعنى الفولاذ المقاوم للصدأ، ولكن الصيغة للتقييم المقاوم للصدأ هي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ بالنسبة لهذه الفولاذات، فإن PREN ليس له معنى لاختيار التآكل لأن مقاومتها للتآكل تحكمها السبيكة، وحالة السطح، وبيئة التشغيل بدلاً من استقرار الفيلم الساكن.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: تؤثر صلابة التخمير والبنية المجهرية على قابلية التشغيل. كلا الدرجتين أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذات منخفضة الكربون؛ يجب تعديل الأدوات، وسرعات القطع، والتغذية. تُستخدم أحيانًا معالجات حرارية مسبقة للتخفيف من أجل التشغيل الثقيل.
- الانحناء/التشكيل: يقتصر التشكيل البارد بسبب انخفاض اللدونة مقارنة بالفولاذات اللينة؛ يجب أن تكون أنصاف أقطار الانحناء أكبر وغالبًا ما يتم ذلك بعد التلدين الوسيط أو باستخدام تقنيات التشكيل الساخن. يمكن استخدام التشكيل الساخن والتبريد المنضبط للأشكال المعقدة.
- إنهاء السطح: يجب أن تأخذ الطحن وإعداد السطح في الاعتبار الترسبات الصلبة؛ غالبًا ما تكون هناك حاجة للتلميع والتفتيش للمكونات الحساسة للإجهاد.
8. التطبيقات النموذجية
| P91 | X10CrMoVNb9-1 |
|---|---|
| رؤوس البخار، أنابيب السخانات والسخانات الثانوية في محطات الطاقة الأحفورية والدورات المركبة (أنظمة محددة بواسطة ASME) | أنابيب الغلايات، الأنابيب، والرؤوس في محطات الطاقة الأوروبية وأنظمة استرداد الحرارة (أنظمة محددة بواسطة EN) |
| أنابيب الضغط ووعاء الضغط ذات درجات الحرارة العالية المعرضة للزحف حتى ~600 درجة مئوية | أنابيب الضغط ووعاء الضغط ذات درجات الحرارة العالية لنفس نطاقات درجات الحرارة تحت ولاية EN/PED |
| مكونات تتطلب تتبع المواد وتأهيل ASME (مشاريع أمريكية/دولية تحدد ASME) | مكونات تتطلب توافق EN أو توثيق سلسلة التوريد الأوروبية |
| أغلفة التوربينات، الدوارات، والمكونات الحرجة التي تم إصلاحها باللحام حيث يتم استخدام إجراءات لحام ASME | مكونات التوربينات والغلايات حيث يتم تحديد إجراءات اللحام والتفتيش وفقًا لـ EN |
مبررات الاختيار: - استخدم أي من الدرجتين حيث تتوافق درجات حرارة التصميم ومتطلبات الزحف مع عائلة 9Cr–1Mo. اختر بناءً على الكود الحاكم ونظام التأهيل/التفتيش المطلوب. التركيب المعدني ونطاق التطبيق متشابه جدًا؛ العامل الحاسم عادةً هو الامتثال للمعايير، وقدرة المورد، وقواعد الشراء للمشروع.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: تكلفة المواد الخام لـ P91 و X10CrMoVNb9-1 متشابهة لأن الكيمياء متقاربة؛ ومع ذلك، تختلف تكاليف الشراء حسب الجغرافيا. قد يتكبد P91 أسعارًا مرتفعة في المناطق التي يوجد فيها عدد أقل من المصانع المعتمدة من ASME، وقد يكون X10CrMoVNb9-1 أكثر اقتصادية في أوروبا حيث المصانع المعتمدة من EN شائعة.
- التوافر: كلا الدرجتين متاحة على نطاق واسع لأشكال المنتجات الشائعة (أنابيب، أنابيب، سبائك، ألواح) ولكن قد تكون الأشكال والأحجام وحالات المعالجة الحرارية المحددة لها أوقات تسليم. تتطلب العناصر ذات المهل الطويلة والمكونات ذات الجدران السميكة جدولة المصنع ومستندات ضمان الجودة؛ حدد حالة التسليم المطلوبة (معتدلة ومعالجة) وشهادات الاختبار لتجنب التأخيرات.
10. الملخص والتوصية
جدول الملخص (نوعي)
| المقياس | P91 | X10CrMoVNb9-1 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام (نسبية) | تتطلب تسخينًا مسبقًا/PWHT منضبطًا؛ مشابه لنظير EN | تتطلب تسخينًا مسبقًا/PWHT منضبطًا؛ مشابه لنظير ASME |
| توازن القوة والمتانة | قوة عالية عند درجات الحرارة ومتانة مارتنسيت معالجة عند المعالجة الحرارية المناسبة | قوة عالية عند درجات الحرارة ومتانة مارتنسيت معالجة عند المعالجة الحرارية المناسبة |
| التكلفة والشراء | تنافسية؛ قد تكون مفضلة حيث يتطلب ASME الكود | تنافسية؛ قد تكون مفضلة حيث يتطلب توثيق EN/PED |
التوصيات الختامية: - اختر P91 إذا كان مشروعك يخضع لمعايير ASME/ASTM، أو إذا كنت بحاجة إلى شهادات مواد مؤهلة من ASME وإجراءات لحام شائعة في المشاريع الأمريكية والعديد من المشاريع الدولية. غالبًا ما تسهل الإشارات إلى P91 في الشراء وتأهيل اللحام الامتثال للمواصفات المعتمدة على ASME. - اختر X10CrMoVNb9-1 إذا كان المشروع محددًا وفقًا للمعايير الأوروبية (EN)، أو توافق PED، أو إذا كنت تستورد من المصانع الأوروبية حيث تكون أشكال المنتجات، والتوثيق، وأنظمة التفتيش المعتمدة على EN معيارية. سيسهل ذلك الشراء ويقلل من أعباء التأهيل في المشاريع المعتمدة على EN.
ملاحظة عملية نهائية: من الناحية المعدنية، ينتمي كلا الفولاذين إلى نفس عائلة 9Cr–1Mo–V–Nb ويقدمان أداءً قابلًا للمقارنة عند المعالجة الحرارية والتفتيش وفقًا للكود المناسب. العامل الحاسم في معظم قرارات الشراء هو نظام المواصفات (ASME مقابل EN)، ومتطلبات تتبع المواد وتأهيل اللحام، وتوافر سلسلة التوريد لشكل المنتج المحدد وحالة المعالجة الحرارية.