P11 vs P22 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

P11 und P22 sind zwei weit verbreitete Cr–Mo-Legierungsstähle für druckhaltende Komponenten, insbesondere Rohrleitungen, Header und Kesselrohre in der Energieerzeugung und petrochemischen Anlagen. Ingenieure und Beschaffungsteams wägen häufig die Kompromisse zwischen höherer Festigkeit und Hochtemperaturfähigkeit gegenüber Kosten, Schweißbarkeit und Zähigkeit ab, wenn sie zwischen ihnen wählen.

Das Hauptunterscheidungsmerkmal ist der höhere Chrom- und Molybdängehalt in P22 im Vergleich zu P11, was die Leistung in Richtung größerer Festigkeit, Kriechbeständigkeit und Härtbarkeit verschiebt, auf Kosten einer etwas reduzierten Schweißbarkeit und höheren Materialkosten. Da sie benachbarte Punkte im Cr–Mo-Legierungsspektrum einnehmen, werden diese Güten häufig verglichen, wenn mittlere Temperatur (bis zu mehreren hundert °C) Drucksysteme entworfen werden.

1. Normen und Bezeichnungen

• Gemeinsame Normen:
• ASTM/ASME: SA/SAE A335 P11, P22 (nahtloses ferritisches Legierungsstahlrohr), A/SA 335 spezifiziert für Hochtemperaturdienst.
• EN: Entsprechende Cr–Mo-Gütenfamilien in EN-Normen (zum Beispiel haben die EN 10216/10222 Serien ähnliche Cr–Mo-Produktfamilien).
• JIS/GB: Japanische und chinesische Normen umfassen vergleichbare Cr–Mo-Stähle mit ähnlicher Chemie und Eigenschaften.
• Klassifizierung:
• Sowohl P11 als auch P22 sind Legierungsstähle (ferritische Chrom–Molybdän-Güten), keine rostfreien oder Werkzeugstähle. Sie werden nicht im strengen Sinne als HSLA klassifiziert, sondern sind niedriglegierte Druckbehälterstähle, die für Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit ausgelegt sind.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: typische nominale Zusammensetzungsbereiche (Gewichts%, repräsentativ für gängige Spezifikationen und kommerzielle Praxis)

Element	P11 (typisch)	P22 (typisch)
C	0.05–0.15	0.05–0.15
Mn	0.25–0.60	0.25–0.60
Si	0.10–0.50	0.10–0.50
P	≤0.03	≤0.03
S	≤0.03	≤0.03
Cr	~0.9–1.4 (≈1.0–1.25)	~2.0–2.6 (≈2.25)
Mo	~0.4–0.6 (≈0.5)	~0.8–1.15 (≈1.0)
Ni	≤0.40	≤0.40
V, Nb, Ti, B, N	Spuren/keine (abhängig vom Hersteller)	Spuren/keine (abhängig vom Hersteller)

Hinweise: - Die angegebenen Werte sind typische nominale Bereiche aus Druckbehälter-/Rohr-Spezifikationen und keine präzisen Kontrollgrenzen für alle Produktformen. Spezifische Werkszertifikate und Normen sollten für vertragskritische Projekte konsultiert werden. - Die Hauptlegierungsstrategie besteht darin, dass P22 im Vergleich zu P11 erheblich mehr Cr und Mo hat. Dies erhöht die Härtbarkeit, die Hochtemperaturfestigkeit und die Oxidations-/Korrosionsbeständigkeit in einigen Umgebungen, während P11 eine einfachere Chemie mit etwas besserer Schweißbarkeit und niedrigeren Materialkosten bietet.

Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Chrom erhöht die Oxidationsbeständigkeit, Härtbarkeit und Hochtemperaturfestigkeit; es fördert auch die Karbidbildung, die die Festigkeit bei erhöhter Temperatur stabilisiert. - Molybdän stärkt die Ferritmatrix, verbessert die Kriechbeständigkeit und erhöht die Härtbarkeit, was die Festigkeitsbeibehaltung bei erhöhter Temperatur verbessert. - Kohlenstoff, Mn und Si setzen die Basisfestigkeit und Härtbarkeit; höherer Kohlenstoff erhöht die Festigkeit, kann jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit verringern, wenn er nicht kontrolliert wird.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

Typische Mikrostrukturen: - In normalisiertem und vergütetem Zustand zeigen beide Güten je nach Abkühlraten und Legierungsgehalt vergütete Martensit- oder bainitisch vergütete Mikrostrukturen. P22, mit höherem Cr und Mo, begünstigt stärker die Martensit-/Bainitbildung und höhere Härtbarkeit für denselben thermischen Zyklus als P11. - Die gewalzten Mikrostrukturen beider sind vergütete Perlit/Ferrit mit dispergierten Legierungs-Karbid (Cr–Mo-Karbid).

Reaktionen auf die Wärmebehandlung: - Normalisieren (Luftkühlung von über A3) verfeinert die Korngröße und erzeugt eine einheitliche Mikrostruktur. P22 erfordert typischerweise höhere Vergütungstemperaturen, um vergleichbare Zähigkeit aufgrund der erhöhten Härtbarkeit zu erreichen. - Abschrecken und Vergüten: Beide Güten können abgeschreckt und vergütet werden; P22 erreicht nach demselben Abschrecken höhere Festigkeitsniveaus aufgrund des Cr–Mo-Gehalts, aber die Vergütungspläne müssen angepasst werden, um die Zähigkeit wiederherzustellen und die Resthärte zu reduzieren. - Thermomechanische Bearbeitung: Kontrolliertes Walzen gefolgt von Vergütung verbessert die Zähigkeit und Kriechbeständigkeit; Mikrolegierungszusätze (Nb, V, Ti), falls vorhanden, verfeinern weiter die Korngröße und die Versetzungsbindung.

Praktische Überlegungen: - Die höhere Härtbarkeit von P22 bedeutet, dass dickere Abschnitte und grobe Wärmeübertrager härtere Mikrostrukturen bilden können (Risiko von Kaltverzug im Schweiß-HAZ ohne Vorwärmung). - Die Vergütung ist entscheidend, um Festigkeit und Zähigkeit für beide Güten auszubalancieren, insbesondere bei Betriebstemperaturen, bei denen Kriechen ein Anliegen ist.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: qualitative Vergleich (typische normalisierte & vergütete Produktbedingungen)

Eigenschaft	P11	P22
Zugfestigkeit	Mäßig	Höher
Streckgrenze	Mäßig	Höher
Dehnung (Duktilität)	Allgemein höher	Leicht niedriger
Schlagzähigkeit (bei Raumtemperatur)	Gut, wenn richtig vergütet	Gut, kann aber empfindlicher auf Wärmebehandlung reagieren
Härte (wie geliefert)	Niedriger	Höher

Erklärung: - P22 erreicht tendenziell höhere Zug- und Streckgrenzen hauptsächlich aufgrund des erhöhten Cr- und Mo-Gehalts, der die Festigkeit und Härtbarkeit erhöht. P11 ist im Allgemeinen duktiler und etwas einfacher zu erreichen, um zähe HAZs nach dem Schweißen zu erzielen. - Die Schlagzähigkeit beider kann ausgezeichnet sein, wenn sie normalisiert und richtig vergütet werden; jedoch bedeutet die höhere Härtbarkeit von P22, dass unsachgemäße thermische Kontrolle die Zähigkeit in dicken Abschnitten oder schlecht geschweißten Verbindungen verringern kann. - Das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit kann durch Vergütung angepasst werden; das Design sollte die erforderliche Schlagenergie und Wärmebehandlung spezifizieren, um die Einhaltung sicherzustellen.

5. Schweißbarkeit

Treiber der Schweißbarkeit: - Der Kohlenstoffäquivalent und die Härtbarkeit sind die Hauptindikatoren für die Anfälligkeit für HAZ-Härtung und Kaltverzug. Beide Güten erfordern Vorwärmung und Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) für Druckanwendungen, aber P22 erfordert typischerweise konservativere Kontrollen. - Die Verwendung von Kohlenstoffäquivalent-Formeln bietet eine qualitative Bewertung der Schweißbarkeit.

Gemeinsame Indizes (nur zur Interpretation): - IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parameter des Internationalen Schweißinstituts: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - Da P22 mehr Cr und Mo hat, werden die $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte für P22 höher sein als für P11 mit ansonsten ähnlicher Chemie, was auf eine größere Härtbarkeit und ein höheres Risiko von HAZ-Härtung und Kaltverzug hinweist. - Praktische Konsequenzen: Erhöhte Vorwärmung, kontrollierte Zwischenpass-Temperaturen, wasserstoffarme Verbrauchsmaterialien und PWHT bei spezifizierten Temperaturen sind kritischer für P22, insbesondere in dickeren Abschnitten.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder P11 noch P22 sind rostfrei; die Korrosionsbeständigkeit in feuchten oder chemisch aggressiven Umgebungen ist begrenzt. Das Verhalten zur Chrombildung verbessert sich mit dem Cr-Gehalt, sodass P22 eine moderat bessere Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen bietet und in oxidierenden Hochtemperaturatmosphären eine schützendere Oxidschicht bilden kann.
• Für allgemeine atmosphärische oder wässrige Korrosion ist ein Oberflächenschutz erforderlich: Lackieren, Epoxidbeschichtungen oder Verzinkung (wo kompatibel) sind typisch. Für begrabene oder unterseeische Anwendungen sind Epoxidbeschichtungen und kathodischer Schutz üblich.
• PREN ist für diese nicht rostfreien Stähle nicht anwendbar; zur Einordnung ist PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Die Verwendung von PREN ist nur für rostfreie Güten mit signifikantem Nickel- und Stickstoffgehalt sinnvoll; für P11/P22 ist der Chrom- und Molybdängehalt im Vergleich zu rostfreien Stählen niedrig, sodass die Planung der Korrosionsbeständigkeit auf Beschichtungen, Inhibitoren und Materialauswahl angewiesen sein muss.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit: Beide sind in normalisiertem/vergütetem Zustand bearbeitbar; die höhere Festigkeit und Härte von P22 kann die Werkzeuglebensdauer verringern und schwerere Bearbeitungsparameter im Vergleich zu P11 erfordern.
• Formbarkeit/Biegen: Das Kaltformen ist mit P11 aufgrund der niedrigeren Streckgrenze und höheren Duktilität einfacher. P22 ist weniger nachsichtig bei engen Biegungen und kann größere Biegeradien oder Hochtemperaturformungs-/kontrollierte Biegeparameter erfordern.
• Oberflächenveredelung: Beide reagieren gut auf Standardveredelungsoperationen; Schleifen und Polieren sind unkompliziert, wenn sie auf moderate Härte vergütet werden.
• Schweißpraxis: Für Drucksysteme erfordern beide qualifizierte Füllmetalle, die mit Vergütung und PWHT kompatibel sind, um Versprödung zu vermeiden; P22 benötigt oft robustere Füllmaterialien und strengere Prozesskontrollen.

8. Typische Anwendungen

P11 (typische Anwendungen)	P22 (typische Anwendungen)
Rohrleitungen, Header und Kesselrohre für niedrige bis mittlere Temperaturen, bei denen Kosten und Schweißbarkeit priorisiert werden	Rohrleitungen für Hochtemperaturdienst, Dampfleitungen, Überhitzer/Wiederheizer-Header und -Rohre, bei denen Hochtemperaturfestigkeit erforderlich ist
Strukturelle Komponenten in Kraftwerken, wo mäßige Kriechbeständigkeit ausreichend ist	Komponenten, die höheren Dampftemperaturen und -drücken ausgesetzt sind, wo Kriech- und Oxidationsbeständigkeit wichtig sind
Wärmetauscher und Druckbehälter im petrochemischen Dienst mit moderaten Temperaturen/Drucken	Kritische Druckbehälterkomponenten und Rohrleitungen in Raffinerien und Kraftwerken, die höhere Festigkeit und bessere Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit erfordern

Auswahlbegründung: - Wählen Sie P11, wenn ein Gleichgewicht zwischen Kosten, einfacher Verarbeitung und akzeptabler Hochtemperaturleistung für mäßige Betriebsbedingungen erforderlich ist. - Wählen Sie P22, wenn der Dienst höhere Temperaturen, höhere Entwurfsbelastungen umfasst oder wenn verbesserte Kriechbeständigkeit und Oxidationsleistung die höheren Material- und Verarbeitungskosten rechtfertigen.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: P22 ist im Allgemeinen teurer als P11 aufgrund des höheren Chrom- und Molybdängehalts und strengerer Verarbeitungs-/Wärmebehandlungsanforderungen. Molybdän ist eine relativ kostspielige Legierungszugabe.
• Verfügbarkeit: Beide Güten sind in nahtlosen und schweißbaren Rohrprodukten gängig; P11 und P22 sind weit verbreitet für die Energie- und petrochemischen Märkte. Die Verfügbarkeit nach Produktform (Rohr, Platte, Schmiedeteile) hängt vom Werksbestand und der regionalen Versorgung ab. Die Lieferzeiten für P22 können während Zeiten der Molybdänmarkttightness länger sein.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: vergleichende Zusammenfassung (qualitativ)

Attribut	P11	P22
Schweißbarkeit	Besser (niedrigere Härtbarkeit)	Anfordernder (höhere Härtbarkeit)
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Mäßige Festigkeit, gute Duktilität	Höhere Festigkeit, kann weniger duktil sein, wenn nicht korrekt vergütet
Kosten	Niedriger	Höher

Empfehlungen: - Wählen Sie P11, wenn: - Sie eine kosteneffektive Cr–Mo-Legierung für Drucksysteme bei moderaten Temperaturen benötigen. - Einfachheit beim Schweißen, der Verarbeitung und Duktilität Priorität haben. - Betriebstemperaturen und -belastungen innerhalb der Fähigkeiten von P11 liegen und Kriechen nicht das entscheidende Entwurfskriterium ist. - Wählen Sie P22, wenn: - Die Anwendung höhere Hochtemperaturfestigkeit, verbesserte Kriechbeständigkeit oder bessere Oxidationsbeständigkeit bei höheren Dampf-/Gas-Temperaturen erfordert. - Sie strengere Schweißkontrollen, Vorwärmung/PWHT umsetzen können und höhere Materialkosten für verbesserte Langzeitleistung akzeptieren.

Letzte Anmerkung: Geben Sie die erforderliche Wärmebehandlung, Schlagenergie, Vorwärmung und PWHT in den Beschaffungsunterlagen an; konsultieren Sie die Werksprüfzertifikate für die tatsächliche Chemie und Mechanik jeder Charge. Für kritische Druckbehälter- oder Hochtemperatur-Designs validieren Sie die Wahl mit Kriechdaten, Langzeiteigenschaften und relevanter Normeneinhaltung.