P11 vs P22 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

P11 und P22 sind zwei weit verbreitete Chrom-Molybdän-Legierungsstähle, die für Druckteile und Hochtemperaturanwendungen wie Kesselrohre, Header und Rohrleitungen spezifiziert sind. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig die Kompromisse zwischen Festigkeit/Kriechbeständigkeit, Schweißbarkeit, Zähigkeit und Kosten ab, wenn sie zwischen ihnen wählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Auswahl der richtigen Sorte für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen (Kriechbeständigkeit vs. Kosten), die Festlegung von Vorwärm- und PWHT-Praktiken (Schweißbarkeit und Risiko von Wasserstoffriss) und die Optimierung der Lebenszykluskosten für Austauschintervalle.

Das Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen diesen beiden Sorten ist ihre Legierungsstrategie: P22 enthält einen höheren Chrom- und Molybdängehalt als P11. Dieser Zusammensetzungsunterschied führt zu einer höheren Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit in P22, während die Härte und die Schweiß-/Vorwärmüberlegungen im Vergleich zu P11 erhöht werden. Da beide für ähnliche Rohr- und Druckbehälteranwendungen verwendet werden, ist der Vergleich während der Materialauswahl für Kraftwerke, Raffinerien und petrochemische Anlagen häufig.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen und Bezeichnungen:
• ASME/ASTM: ASME SA335 / ASTM A335 (nahtloses ferritisches Legierungsstahlrohr): P11, P22.
• EN: Entsprechende Bezeichnungen werden manchmal als 1.0–1.25Cr–0.5Mo und 2.25Cr–1Mo-Familien angegeben; spezifische EN-Nummern variieren je nach Produkt und Wärmebehandlung.
• JIS / GB: Regionale Normen können entsprechende Sorten auflisten (konsultieren Sie spezifische Normtabelle für genaue Querverweise).
• Materialklasse:
• Sowohl P11 als auch P22 sind Legierungsstähle (Chrom-Molybdän-ferritische Stähle), die für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen vorgesehen sind. Sie sind keine rostfreien Stähle, Werkzeugstähle oder HSLA-Stähle im üblichen Sinne.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die folgende Tabelle fasst relative Gehalte an häufigen Elementen zusammen, anstatt absolute Prozentsätze anzugeben; dies vermeidet die Präsentation spezifischer numerischer Werte, die von der genauen Spezifikation und dem Anbieter abhängen.

Element	P11 (relativer Gehalt)	P22 (relativer Gehalt)
C	Niedrig–Mäßig	Niedrig–Mäßig
Mn	Niedrig–Mäßig	Niedrig–Mäßig
Si	Niedrig–Mäßig	Niedrig–Mäßig
P	Spuren / Kontrolliert	Spuren / Kontrolliert
S	Spuren / Kontrolliert	Spuren / Kontrolliert
Cr	Mäßig (niedriger)	Höher (deutlich höher)
Ni	Spuren / Niedrig	Spuren / Niedrig
Mo	Mäßig (niedriger)	Höher (deutlich höher)
V	Spuren / Mögliche Mikrolegierung	Spuren / Mögliche Mikrolegierung
Nb (Nb/Ta)	Typischerweise nicht hinzugefügt	Typischerweise nicht hinzugefügt
Ti	Spuren / Kontrolliert	Spuren / Kontrolliert
B	Typischerweise nicht spezifiziert	Typischerweise nicht spezifiziert
N	Kontrollierte niedrige Gehalte	Kontrollierte niedrige Gehalte

Erklärung: - P11 ist mit bescheidenen Chrom- und Molybdänzusätzen formuliert, um Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen zu bieten und gleichzeitig eine relativ gute Schweißbarkeit zu erhalten. Seine Legierung ist konservativ. - P22 erhöht die Chrom- und Molybdängehalte, um die Hochtemperaturfestigkeit, die Oxidationsbeständigkeit und die Kriechbeständigkeit zu erhöhen; diese Erhöhungen steigern auch die Härte und können das Schweißen und die Wärmebehandlung anspruchsvoller machen. - Andere Elemente wie Mn und Si sind in beiden Sorten in ähnlichen, kontrollierten Gehalten vorhanden und beeinflussen hauptsächlich die Entgasung, Festigkeit und Zähigkeit. - Sehr niedrige und streng kontrollierte Verunreinigungsgehalte (P, S, N) sind wichtig für die Zähigkeit und die Hochtemperaturleistung in beiden Sorten.

Wie die Legierung die Eigenschaften beeinflusst: - Chrom und Molybdän erhöhen die Härte, die Hochtemperaturfestigkeit und die Kriechbruchleistung; Chrom trägt auch zur Oxidationsbeständigkeit bei. - Kohlenstoff erhöht die Festigkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit, wenn er übermäßig ist. - Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti) können die Korngröße verfeinern und die Kriechfestigkeit durch Ausscheidungsstärkung verbessern, wenn sie absichtlich vorhanden sind.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen und Verhalten bei Wärmebehandlung: - Basis-Mikrostruktur nach Normalisieren und Anlassen: Beide Sorten entwickeln eine temperierte martensitische oder temperierte bainitische ferritische Mikrostruktur, abhängig von der Abkühlrate und dem Legierungsgehalt. Richtiges Normalisieren verfeinert die vorherige Austenitkorngröße; das Anlassen reduziert die Härte und stellt die Zähigkeit wieder her. - P11: Mit seinem niedrigeren Legierungsgehalt bildet P11 typischerweise temperiertes Martensit oder temperiertes Bainit mit relativ einfacher Ansprechbarkeit auf das Anlassen. Es akzeptiert die standardmäßigen Normalisierungs- und Anlaszyklen, die für niedriglegierte Cr-Mo-Stähle verwendet werden, und ist nachsichtig in den Wärmebehandlungsfenstern. - P22: Höhere Cr- und Mo-Gehalte erhöhen die Härte und verlangsamen die bainitischen/martensitischen Transformationen; bei schneller Abkühlung kann die als abgeschreckte Mikrostruktur härter und martensitischer sein. Das Anlassen ist entscheidend, um die Zähigkeit wiederherzustellen und die Kriecheigenschaften anzupassen; P22 kann eine kontrolliertere Wärmebehandlung erfordern, um Überanlassen oder erhaltene Härtegradienten zu vermeiden. - Thermomechanische Verarbeitung: Keine der Sorten wird typischerweise mit aggressivem TMCP für hochfeste Plattenstärken verwendet, die in Baustählen eingesetzt werden; für Komponenten ist kontrolliertes Warmumformen gefolgt von Normalisieren und Anlassen der Standardweg, um eine zuverlässige temperierte Mikrostruktur zu erzeugen. - Kriechüberlegungen: Die Legierung von P22 unterstützt eine höhere Kriechbruchfestigkeit bei erhöhten Temperaturen; die Stabilität der Karbide (Cr- und Mo-reiche Karbide) und deren Verteilung nach dem Anlassen sind entscheidend für die langfristige Leistung.

4. Mechanische Eigenschaften

Die folgende Tabelle bietet qualitative vergleichende Beschreibungen; tatsächliche Werte hängen von der Spezifikation und der Wärmebehandlung ab.

Eigenschaft	P11 (typisch)	P22 (typisch)
Zugfestigkeit	Mäßig	Höher
Streckgrenze	Mäßig	Höher
Dehnung (Duktilität)	Gut	Gut bis leicht reduziert
Schlagzähigkeit	Gut (insbesondere nach ordnungsgemäßen Anlässen)	Gut, wenn richtig angelassen; kann empfindlicher auf Wärmebehandlung sein
Härte (im wärmebehandelten Zustand)	Mäßig	Höher (kann vor dem Anlassen höher sein)

Interpretation: - P22 erreicht im Allgemeinen höhere Zug- und Streckgrenzen sowie eine überlegene Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen aufgrund des höheren Cr-Mo-Gehalts und stabilerer Karbidphasen. - P11 bietet oft eine marginal bessere Erreichbarkeit der Zähigkeit, mit etwas niedrigerer Härte und damit weniger Schweiß-/Wärmebehandlungsproblemen in vielen Werkstattumgebungen. - Beide Sorten können produziert werden, um spezifische Schlag- und Festigkeitsziele durch ordnungsgemäßes Normalisieren und Anlassen zu erreichen; die endgültigen Eigenschaften hängen von der Wärmebehandlung ab.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird durch den Kohlenstoffäquivalent und die Härte beeinflusst. Zwei häufig verwendete empirische Beschreibungen sind das IIW-Kohlenstoffäquivalent und das umfassendere Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - P22, mit seinem höheren Chrom- und Molybdängehalt, trägt mehr zu den Härtebegriffen in $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ bei; daher sind geschweißte Zonen anfälliger für die Bildung von hartem Martensit und erfordern eine sorgfältigere Kontrolle (Vorwärmen, Interpass-Temperatur und Nachschweißwärmebehandlung — PWHT). - P11 hat typischerweise einen niedrigeren berechneten Kohlenstoffäquivalentbeitrag von Cr und Mo, was das Schweißen mit Standardverfahren erleichtert; eine niedrigere Vorwärm-/PWHT-Schwere ist oft möglich. - Beide Materialien erfordern in der Regel PWHT in Druckbehältern und Rohrleitungsanwendungen, um Restspannungen zu reduzieren und etwaige harte Mikrostrukturen, die in der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) gebildet wurden, zu temperieren. - Wasserstoffinduzierter Kaltbruch: Da P22 härter ist, ist es anfälliger für Rissbildung in der HAZ, wenn Wasserstoff und Einschränkung nicht kontrolliert werden; strenge Verfahren für Vorwärmen, Auswahl der Verbrauchsmaterialien und Wasserstoffkontrolle sind erforderlich. - Verbrauchsmaterialien: Übereinstimmende oder übertreffende Füllmetalle mit geeignetem Legierungsgehalt werden ausgewählt, um die Festigkeits- und Hochtemperaturanforderungen zu erfüllen; die Auswahl des Füllmaterials muss die PWHT-Kompatibilität und die Kriechleistung berücksichtigen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder P11 noch P22 sind rostfreie Legierungen; sie verlassen sich auf Beschichtungen, Malerei, Verzinkung (wo anwendbar für niedrigere Temperaturbelastungen) oder Verkleidungen für korrosive Umgebungen.
• Der höhere Chromgehalt in P22 bietet im Vergleich zu P11 eine etwas verbesserte Beständigkeit gegen Oxidation bei erhöhten Temperaturen, aber dies entspricht nicht der Korrosionsbeständigkeit von rostfreien Stählen.
• Für wässrige Korrosion oder hochkorrosive Prozessströme ist eine Verkleidung mit rostfreien Sorten oder Korrosionszulagen erforderlich.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) wird für rostfreie Legierungen verwendet und ist nicht auf diese niedriglegierten Cr-Mo-Stähle anwendbar, aber zur Klarheit lautet die PREN-Formel:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Da PREN für rostfreie Stähle gedacht ist, sollte es nicht verwendet werden, um P11/P22 zu bewerten; ihre Korrosionsleistung muss durch die Auswahl von Schutzsystemen, Materialverkleidungen oder Korrosionszulagen basierend auf der Umgebung konstruiert werden.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Zerspanbarkeit:
• Beide Sorten lassen sich in normalisierten und angelassenen Zuständen zufriedenstellend bearbeiten, aber P22 kann abrasiver sein und sich verfestigen, wenn die Schneidparameter aufgrund des höheren Härte- und Karbidgehalts nicht optimiert sind.
• Formbarkeit / Biegen:
• P11 lässt sich im Allgemeinen einfacher kalt formen und biegen, ohne aggressives Vorwärmen, als P22 aufgrund des niedrigeren Legierungsgehalts; jedoch werden beide häufig im normalisierten Zustand oder durch kontrollierte Warmbiegeverfahren geformt.
• Oberflächenfinish und Bearbeitung:
• Höhere Legierungspartikel und Karbide in P22 können den Werkzeugverschleiß bei Finishoperationen erhöhen; geeignete Werkzeuge und Vorschübe angeben.
• Empfehlungen:
• Führen Sie das Formen und die Bearbeitung im normalisierten/angelassenen Zustand durch, nicht im gewalzten oder geschweißten harten Zustand.
• Verwenden Sie geeignete Kühlmittel, Schneidflüssigkeiten und Werkzeugmaterialien (beschichtete Karbide oder Keramiken für hochlegierte Schnitte).

8. Typische Anwendungen

P11 — Typische Anwendungen	P22 — Typische Anwendungen
Niederdruck- oder moderat temperaturbeständige Rohrleitungen, Header und Fittings, bei denen Kosten und Schweißbarkeit Priorität haben	Hochtemperaturdampfleitungen, Druckteile und Komponenten, die überlegene Kriechfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit erfordern
Wärmetauscherrohre und -komponenten, bei denen mäßige Kriechbeständigkeit ausreichend ist	Hauptdampfleitungen, Überhitzer/ Nachheizer-Header und Komponenten in Anwendungen von Kraftwerken mit moderaten bis hohen Temperaturen
Wirtschaftliche Ersatzteile, bei denen die Betriebstemperatur nicht extrem ist	Kritische Druckbehälterkomponenten und Rohrleitungen in fossilen oder Kombikraftwerken, bei denen eine längere Kriechlebensdauer erforderlich ist
Allzweck-Legierungsstahlrohre im petrochemischen Einsatz mit weniger strengen Temperaturanforderungen	Komponenten, die höhere zulässige Spannungen bei Temperatur oder reduzierte Dicke für die gleiche Entwurfsspannung erfordern

Auswahlbegründung: - Wählen Sie P22, wenn höhere langfristige Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, Oxidationsbeständigkeit und Kriechlebensdauer die Entwurfsfaktoren sind. - Wählen Sie P11, wenn niedrigere Kosten und einfachere Verarbeitung/Schweißbarkeit Priorität haben und die Temperatur-/Kriechanforderungen moderat sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relative Kosten:
• P22 hat typischerweise einen höheren Materialpreis als P11 aufgrund des erhöhten Cr- und Mo-Gehalts und strengerer Verarbeitung für Hochtemperaturleistung.
• P11 ist in der Regel wirtschaftlicher und in vielen Rohr- und Fittingbeständen weit verbreitet.
• Produktformen und Verfügbarkeit:
• Beide Sorten sind häufig als nahtloses Rohr, geschweißtes Rohr, Fittings, Flansche und Druckbehälterplatten erhältlich; jedoch können die Lieferzeiten für P22 länger sein für spezialisierte Plattendicken oder geschmiedete Komponenten.
• Die Verfügbarkeit kann regional variieren; Einkaufsingenieure sollten die Lieferzeiten für die erforderliche Produktform und die angegebenen Wärmebehandlungsbedingungen bestätigen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ):

Kriterium	P11	P22
Schweißbarkeit	Einfacher (niedrigere Vorwärm-/PWHT-Schwere typisch)	Anstrengender (höhere Vorwärm-/PWHT; HAZ-Rissrisiko)
Festigkeit–Zähigkeit (erhöhte Temperatur)	Mäßige Festigkeit, gute Zähigkeit	Höhere Festigkeit und Kriechbeständigkeit, Zähigkeit abhängig von der Wärmebehandlung
Kosten	Niedrigere Materialkosten	Höhere Materialkosten

Schlussfolgerungen und praktische Hinweise: - Wählen Sie P11, wenn: - Die Entwurfstemperatur und die erforderliche Kriechlebensdauer moderat sind und Kosten sowie die Einfachheit der Verarbeitung/Schweißbarkeit wesentliche Einschränkungen darstellen. - Sie ein nachsichtiges Schweißverfahren mit geringerer Vorwärm-/PWHT-Schwere in der Werkstatt oder im Feld wünschen. - Das Projekt ein Material mit niedrigerem Cr/Mo-Gehalt und entsprechend niedrigerer zulässiger Spannung bei Temperatur zulässt.

• Wählen Sie P22, wenn:
• Die Anwendung höhere Hochtemperaturfestigkeit, längere Kriechlebensdauer oder bessere Oxidationsbeständigkeit bei Betriebstemperaturen erfordert.
• Sie strengere Schweißkontrollen, Vorwärmen und PWHT anwenden können und die höheren Materialkosten für eine längere Lebensdauer oder reduzierte Abschnittdicke akzeptieren.
• Entwurfscodes oder zulässige Spannungsanforderungen eine höhere Temperaturbewertung vorschreiben, die mit der Leistung von P22 übereinstimmt.

Letzte Anmerkung: Sowohl P11 als auch P22 sind ausgereifte, gut verstandene Materialien mit jahrzehntelanger Anwendung in der Energieerzeugung und Prozessindustrie. Die Entscheidung sollte auf der Entwurfstemperatur und den Kriechlebensanforderungen, den Schweiß- und Verarbeitungskapazitäten, der Lebenszykluskostenmodellierung und den spezifischen Code-/Vertragsanforderungen basieren. Im Zweifelsfall führen Sie eine gezielte technische Bewertung durch, einschließlich zulässiger Spannungen im Vergleich zu Temperaturkurven, Schweißverfahrenqualifikation und Lieferantenverifizierung der Wärmebehandlungsfähigkeit, um sicherzustellen, dass die gewählte Sorte den langfristigen Serviceerwartungen entspricht.