P22 vs P91 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Die Wahl zwischen P22 und P91 ist eine häufige technische Entscheidung für Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner, die an druckhaltenden Geräten und Hochtemperaturrohrleitungssystemen arbeiten. Das Auswahldilemma konzentriert sich typischerweise auf die Lebensdauer unter Dampf/Wärme (Kriechverhalten), die Fertigung und Schweißbarkeit sowie die Gesamtkosten (Material plus Schweißen und Wärmebehandlung). P22 (eine 2.25Cr–1Mo Legierung) und P91 (ein 9Cr–1Mo, mikrolegierter, kriechfester Stahl) werden häufig verglichen, da beide in der Energie- und Prozessindustrie verwendet werden, aber unterschiedliche Temperatur–Stress-Bereiche und Fertigungsanforderungen ansprechen.

Der wesentliche technische Unterschied besteht darin, dass P91 für erheblich höhere Langzeitfestigkeit und Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen ausgelegt ist, während P22 ein Gleichgewicht zwischen ausreichender Hochtemperaturfestigkeit, einfacher Fertigung und niedrigeren Materialkosten bietet. Dieser Unterschied beeinflusst die Materialauswahl für Komponenten, die längerer Dampf- oder Hochtemperaturbeanspruchung ausgesetzt sind.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen und Bezeichnungen:
• ASTM/ASME: A335 / SA335 P22 und P91 (nahtlose ferritische Legierungsstahlrohrgüten), ASTM A213, A335, ASME SA335.
• EN: Entsprechende Stähle sind unter EN-Normen für Druckgeräte abgedeckt, können jedoch unterschiedliche Gütebezeichnungen haben (z. B. 22CrMo und 9CrMo Varianten).
• JIS/GB: Nationale Normen listen nahe Entsprechungen auf (z. B. 2.25Cr–1Mo und 9Cr–1Mo Serien).
• Klassifizierung:
• P22: niedriglegierter ferritischer Stahl (häufig zusammen mit Cr–Mo hitzebeständigen Stählen gruppiert).
• P91: legierter/hochfester ferritischer Stahl mit Mikrolegierung (Cr–Mo–V–Nb) — gilt als kriechfester ferritischer Stahl (in einigen Kontexten HSLA-ähnlich, aber speziell für hohe Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen ausgelegt).

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: Typische Zusammensetzungsbereiche (Massen%) für P22 und P91 (repräsentative Bereiche gemäß gängigen Spezifikationen).

Element	P22 (ca. Bereiche)	P91 (ca. Bereiche)
C	0.05 – 0.15	0.08 – 0.12
Mn	0.30 – 0.60	0.30 – 0.60
Si	0.10 – 0.50	0.20 – 0.60
P	≤ 0.03	≤ 0.02
S	≤ 0.03	≤ 0.01
Cr	2.00 – 2.60	8.00 – 9.50
Ni	≤ 0.40	≤ 0.40
Mo	0.80 – 1.10	0.85 – 1.05
V	– (Spur)	0.15 – 0.25
Nb (Cb)	– (Spur)	0.06 – 0.12
Ti	≤ 0.01	≤ 0.02
B	– (Spur)	≤ 0.001
N	≤ 0.03	~0.03 – 0.09

Hinweise: - Die oben genannten Bereiche sind indikativ für typische Produktionschemien, die zur Erfüllung von ASME/ASTM-basierten Spezifikationen verwendet werden. Exakte Grenzen hängen von der spezifischen Norm und dem Lieferanten ab. - P91 umfasst gezielte Mikrolegierungen (V, Nb, kontrolliertes N und B), um feine, vergütete martensitische Mikrostrukturen zu stabilisieren und die Kriechbeständigkeit zu verbessern. P22 verlässt sich hauptsächlich auf moderate Cr- und Mo-Zugaben für die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen.

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Chrom erhöht die Oxidations-/Skalenbeständigkeit und die Festigkeit bei Temperatur; höherer Cr in P91 ermöglicht eine vergütete martensitische Matrix, die bei höheren Temperaturen stabil ist. - Molybdän verbessert die Hochtemperaturfestigkeit und die Härtbarkeit in beiden Güten. - Vanadium und Niob in P91 bilden Karbid/Nitrid-Dispersionen, die Korngrenzen fixieren und das Kriechen/Porenwachstum verlangsamen, was eine höhere Langzeitfestigkeit ermöglicht. - Kohlenstoff und Mikrolegierung balancieren Härtbarkeit, Festigkeit und Schweißbarkeit — der kontrollierte C-Gehalt in P91 ist höher als in einigen niedriglegierten Stählen, wird jedoch durch Vergüten und Legierungsdesign gesteuert.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

P22: - Typische Mikrostruktur nach Normalisieren und Vergüten: vergütete Bainit-/ferritisch-perlitische Mikrostruktur, abhängig von der genauen Wärmebehandlung. Konventionelles Normalisieren und Vergüten erzeugt eine relativ grobe vergütete Mikrostruktur, die für den Betrieb mit Dampf bei moderaten Temperaturen geeignet ist. - Wärmebehandlungsreaktion: P22 reagiert auf Normalisieren und Vergüten; Übervergüten verringert die Festigkeit, verbessert jedoch die Zähigkeit. Es ist nicht für die feine martensitisch-vergütete Mikrostruktur ausgelegt, die in P91 zu sehen ist.

P91: - Typische Mikrostruktur nach Normalisieren und Vergüten: vergütetes Lamellenmartensit mit hoher Versetzungsdichte und kontrollierter Dispersion von V/Nb-Karbid/Nitriden; diese feine, stabile Mikrostruktur bietet hohe Kriechbeständigkeit. - Thermo-mechanische Verarbeitung und strenge Kontrolle der Normalisierungstemperatur und der Vergütungsbedingungen sind entscheidend, um die gewünschte Mikrostruktur zu entwickeln und Temperbrittleness oder Übervergütung zu vermeiden. - P91 ist empfindlich gegenüber der Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) — eine korrekte PWHT ist entscheidend, um die Zähigkeit wiederherzustellen und Restspannungen abzubauen, ohne die Ausfällungen zu grob zu machen.

Vergleich: - P91 erreicht höhere Festigkeit und Kriechbeständigkeit, indem es eine vergütete martensitische Struktur bildet, die durch Mikrolegierungs-Ausfällungen stabilisiert wird; P22 verlässt sich auf Cr–Mo-Verstärkung in einer eher ferritisch/bainitischen Matrix. - Beide erfordern eine kontrollierte Wärmebehandlung, aber P91 verlangt typischerweise eine engere Kontrolle (normalisiert bei höheren Temperaturen und vergütet bei spezifischen Temperaturen) und konsistente PWHT, um die Kriech-Spezifikationen zu erfüllen.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: Vergleichende Beschreibungen für mechanische Eigenschaften in gängigen gelieferten (normalisierten & vergüteten) Zuständen.

Eigenschaft	P22	P91	Kommentar
Zugfestigkeit	Mittel	Hoch	P91 liefert erheblich höhere Zugfestigkeit im vergüteten Zustand aufgrund der martensitischen Struktur und Mikrolegierung.
Streckgrenze	Mittel	Hoch	P91 bietet eine höhere Streckgrenze, was dünnere Abschnitte bei gleicher Belastung begünstigt.
Dehnung (Duktilität)	Gut	Mäßig	P22 ist tendenziell duktiler; P91 tauscht etwas Duktilität gegen Festigkeit und Kriechbeständigkeit ein.
Schlagzähigkeit	Gut (bei niedrigeren Temperaturen)	Gut bis ausgezeichnet (bei richtiger Wärmebehandlung)	P91 kann gute Zähigkeit erreichen, ist jedoch prozesssensitiver; falsch wärmebehandeltes P91 kann reduzierte Zähigkeit zeigen.
Härte	Mäßig	Höher	P91 zeigt höhere Härte nach dem Vergüten; die Härte muss kontrolliert werden, um Sprödigkeit zu vermeiden und die Schweiß-/Wärmebehandlungs-Spezifikationen zu erfüllen.

Interpretation: - P91 ist das stärkere und kriechbeständigere Material für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen, aber das Erreichen seiner mechanischen Eigenschaften erfordert kontrollierte Verarbeitung und PWHT. - P22 bietet ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität, das für viele Anwendungen bis zu moderaten erhöhten Temperaturen geeignet ist und in der Regel bei der Fertigung nachsichtiger ist.

5. Schweißbarkeit

Überlegungen zur Schweißbarkeit umfassen den Kohlenstoffgehalt, den Legierungsgehalt, die Härtbarkeit und das Vorhandensein von Mikrolegierungselementen. Vorhersageformeln, die häufig für die qualitative Bewertung verwendet werden:

• Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Qualitative Interpretation: - P22: moderates Kohlenstoffäquivalent; im Allgemeinen gute bis faire Schweißbarkeit mit standardmäßigen Vorwärm- und PWHT-Praktiken für dickere Abschnitte. Wird häufig in der Kraftwerksfertigung mit etablierten Verfahren geschweißt. - P91: höhere Härtbarkeit aufgrund von höherem Cr und Mikrolegierung; hat ein höheres effektives CE und Pcm, was ein erhöhtes Risiko für harte, spröde HAZ bedeutet, wenn ohne strenge Kontrollen geschweißt wird. P91 erfordert sorgfältig kontrollierte Füllmetalle, Vorwärmung, Interpass-Temperaturen und obligatorische PWHT, um die Zähigkeit wiederherzustellen und Restspannungen abzubauen. - In der Praxis sind die Schweißverfahren für P91 anspruchsvoller und erfordern qualifizierte Schweißverfahren und Schweißer; Verbindungen mit unterschiedlichen Metallen (z. B. P91 zu P22 oder zu Standard-Kohlenstoffstahl) erfordern spezielle Übergangsschweißverfahren.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Sowohl P22 als auch P91 sind nichtrostende ferritische Legierungsstähle und verlassen sich auf Beschichtungen oder Barriere-Schutz für Korrosionsbeständigkeit in wässrigen oder aggressiven Atmosphären.
• Typische Schutzmaßnahmen: Lackierung, Verzinkung (wo kompatibel), Verkleidung (z. B. Schweißüberzug oder korrosionsbeständige Auskleidung) oder Inhibitoren in geschlossenen Systemen.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist für diese nichtrostenden Stähle nicht anwendbar; für rostfreie Güten ist der Index: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Für die Hochtemperatur-Oxidations-/Skalenbeständigkeit bietet der höhere Cr-Gehalt von P91 eine verbesserte Leistung im Vergleich zu P22, aber keine der Güten ersetzt rostfreie Stähle für korrosionskritische Umgebungen.

7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit: P22 ist aufgrund der niedrigeren Härte und einfacheren Mikrostruktur im Allgemeinen einfacher zu bearbeiten. Die höhere Härte und Legierung von P91 können den Werkzeugverschleiß erhöhen und langsamere Vorschübe/Schnitttempo erfordern.
• Formen/Biegen: P22 ist duktiler und nachsichtiger bei Formvorgängen. Das Kaltformen von P91 ist begrenzt und erfordert typischerweise thermische/Formstrategien oder begrenzte Verformung; Warmformen kann verwendet werden, erfordert jedoch sorgfältige Kontrolle.
• Oberflächenbehandlung: Die Oberflächenvorbereitung und Nachbearbeitungswärmebehandlungen (insbesondere PWHT für P91) fügen Schritte und Kosten hinzu. Die Kontrolle der Schweißverzerrung ist für P91 kritischer aufgrund höherer Restspannungen und Härte in der HAZ.

8. Typische Anwendungen

Tabelle: Typische Verwendungen für jede Güte und Auswahlbegründung.

P22 (2.25Cr–1Mo)	P91 (9Cr–1Mo–V–Nb)
Kesselrohre und Hochtemperaturdampfleitungen (subkritische und niedrig-superkritische Einheiten)	Hochtemperaturdampfleitungen, Header und Komponenten in ultra-superkritischen und superkritischen Kesseln
Druckbehälter und Wärmetauscher für den Betrieb bei moderaten Temperaturen	Komponenten, die langfristige Kriechbeständigkeit bei höheren Temperaturen erfordern (z. B. Hochdruckdampfleitungen)
Allgemeine Prozessleitungen, bei denen eine moderate Hochtemperaturfestigkeit ausreichend ist	Hauptdampfleitungen im Kraftwerk, Überhitzer- und Nachheizer-Header sowie Komponenten, bei denen die Lebensdauer unter Kriechbedingungen kritisch ist

Auswahlbegründung: - Wählen Sie P22, wenn die Betriebstemperaturen und -spannungen moderat sind, wenn Fertigungsfreundlichkeit und Kostenkontrolle Priorität haben und wenn die Anforderungen an die langfristige Kriechlebensdauer weniger streng sind. - Wählen Sie P91, wenn das Entwurfsspannung und die Temperatur hohe Kriechfestigkeit und langfristige Stabilität erfordern; P91 ermöglicht reduzierte Wandstärken oder verlängerte Lebensdauer von Komponenten unter extremen Hochtemperaturbedingungen.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Materialkosten: P91 ist typischerweise teurer pro Kilogramm als P22 aufgrund höherer Legierungs- und Verarbeitungsanforderungen.
• Fertigungs- und Lebenszykluskosten: P91 kann teurere Schweißzusätze, strengere Verfahrensqualifikationen und obligatorische PWHT erfordern — was die Installationskosten erhöht. Für den Hochtemperaturbetrieb können jedoch die Lebenszykluskosten P91 begünstigen, da die Ersatz- und Wartungskosten aufgrund der überlegenen Kriechfestigkeit reduziert werden.
• Verfügbarkeit: P22 ist in vielen Produktformen (Platte, Rohr, Fittings) weit verbreitet und wird häufig vorrätig gehalten. P91 wird weitgehend für die Energieerzeugung produziert, kann jedoch längere Vorlaufzeiten für bestimmte Produktformen und große Durchmesser oder Spezialschmiedeteile haben.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: prägnante vergleichende Zusammenfassung.

Kriterium	P22	P91
Schweißbarkeit	Gut bis fair (Standardverfahren)	Fair bis herausfordernd (erfordert strenge Kontrollen & PWHT)
Festigkeit–Zähigkeit (erhöhte Temperatur)	Mäßig	Hoch (überlegene Kriechbeständigkeit)
Kosten (Material + Fertigung)	Niedriger	Höher
Fertigung / Bearbeitbarkeit	Einfacher	Anspruchsvoller

Schlussfolgerungen und Auswahlrichtlinien: - Wählen Sie P22, wenn Sie eine kosteneffektive, einfacher zu fertigende Cr–Mo-Legierung für moderate Hochtemperaturanwendungen benötigen, bei denen die langfristige Kriechlebensdauer nicht der entscheidende Entwurfsfaktor ist. Typische Kontexte: konventionelle Kesselrohre, Druckbehälter für moderate Temperaturen und allgemeine Prozessleitungen. - Wählen Sie P91, wenn das Bauteil höhere Spannungen bei erhöhten Temperaturen über lange Zeiträume aushalten muss (z. B. Überhitzer/Nachheizer/Headers in modernen Kraftwerken), wenn die Minimierung der Wandstärke oder die Verlängerung der Lebensdauer höhere Material- und Fertigungskosten rechtfertigt. Stellen Sie sicher, dass qualifizierte Schweißverfahren, die richtige Füllmetallurgie und kontrollierte PWHT vorhanden sind.

Letzter praktischer Hinweis: Die Materialauswahl sollte immer mit ingenieurtechnischen Bewertungen der Betriebstemperatur, der Spannung, der erwarteten Lebensdauer, der Schweiß- und Inspektionsfähigkeit sowie der Lebenszykluskosten gekoppelt werden. Bei Zweifeln hinsichtlich Hochtemperatur- und Langzeitbetrieb konsultieren Sie Kriechdatenkurven, anwendbare Regelwerke (ASME BPVC/EN-Normen) und einen Materialspezialisten, um die Wahl zwischen P22 und P91 zu validieren.