P22 vs P91 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
P22 und P91 sind zwei weit verbreitete vergütete legierte Stähle für druckhaltende Komponenten in der Energieerzeugung, der petrochemischen Industrie und der schweren Prozessindustrie. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem Kompromiss bei der Auswahl zwischen ihnen: niedrigere Material- und Fertigungskosten mit akzeptabler Hochtemperaturfestigkeit versus höhere Temperaturfähigkeit und langfristige Kriechbeständigkeit, die engere Fertigungskontrollen erfordert.
Der Hauptunterscheidungsfaktor ist ihre geplante Leistung im Hochtemperaturbetrieb: Eine Sorte ist für moderate Hochtemperaturfestigkeit mit einfacherer Verarbeitung optimiert, während die andere für erheblich höhere Kriechbeständigkeit bei Dampf- und Prozesstemperaturen durch erhöhte Legierung und Mikrolegierungsstabilisierung ausgelegt ist. Da beide in ähnlichen ASME/ASTM-Produktspezifikationen (Rohre, Fittings, geschmiedete Komponenten) erscheinen, ist der Vergleich häufig, wenn Systeme aufgerüstet, Ersatzteile spezifiziert oder neue Druckgeräte entworfen werden.
1. Normen und Bezeichnungen
- ASTM / ASME:
- P22 — ASTM A335 / ASME SA335 P22 (häufig als 2.25Cr–1Mo spezifiziert)
- P91 — ASTM A335 / ASME SA335 P91 (9Cr–1Mo–V–Nb, auch bekannt als Grad 91)
- EN / Europäisch: Entsprechungen werden typischerweise als Stähle in den Familien 13Cr und martensitischen 9–12%Cr angegeben; direkte numerische Entsprechungen sind nicht eins zu eins.
- JIS / GB: Nationale Standards können nahe funktionale Entsprechungen auflisten, aber die Spezifikation chemischer Grenzen und Wärmebehandlungen muss überprüft werden.
- Klassifikation: Beide sind legierte Stähle (keine rostfreien oder Werkzeugstähle). Sie sind hochfeste, hitzebeständige legierte Stähle, die für den Hochtemperaturbetrieb ausgelegt sind. P22 ist eine niedriglegierte Cr–Mo-Sorte; P91 ist eine hochchromhaltige, kriechfestigkeitsverbesserte martensitische Legierung mit Mikrolegierungszusätzen.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) die von der Industrie und Normungsorganisationen für P22 und P91 verwendet werden. Die Werte sind repräsentativ; konsultieren Sie die geltende Materialspezifikation oder das Werkstoffprüfzertifikat für den Einkauf.
| Element | P22 (typischer Bereich, Gew.-%) | P91 (typischer Bereich, Gew.-%) |
|---|---|---|
| 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 – 0.50 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.020 |
| S | ≤ 0.015 | ≤ 0.010 |
| Cr | 2.0 – 2.6 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.85 – 1.05 | 0.85 – 1.05 |
| V | Spuren – niedrig | 0.10 – 0.25 |
| Nb (Nb+Ta) | Spuren – niedrig | 0.06 – 0.12 |
| Ti | — | ≤ 0.02 (wenn spezifiziert) |
| B | — | ≤ 0.001 (Mikrolegierung) |
| N | ≤ 0.015 | 0.03 – 0.07 |
Wie die Legierung die Eigenschaften beeinflusst: - Chrom und Molybdän erhöhen die Warmfestigkeit und Härtbarkeit; die Erhöhung von Cr von ~2.3% (P22) auf ~9% (P91) ist der wesentliche chemische Schritt, der die Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit erhöht. - Vanadium und Niob in P91 bilden stabile Karbide/Nitride, die Korngrenzen fixieren und Sprödigkeit temperieren, wodurch die Kriechfestigkeit und Stabilität bei hohen Temperaturen verbessert werden. - Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte werden kontrolliert, um Festigkeit und Schweißbarkeit auszubalancieren; höherer Kohlenstoff erhöht die Festigkeit, erhöht jedoch die Härtbarkeit und das Risiko von Kaltverzug. - Mikrolegierungselemente (V, Nb, B) in P91 werden speziell hinzugefügt, um die Kriechbeständigkeit durch Ausscheidungsstärkung und Kornverfeinerung während des Anlösens zu verbessern.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostrukturen: - P22: Im normalisierten und vergüteten Zustand zeigt P22 im Allgemeinen eine vergütete bainitische/ferritische Struktur mit dispergierten Karbiden (Cr–Mo-Karbide). Es ist weniger anfällig für die Bildung einer hochgehärteten Martensit-Mikrostruktur unter konventioneller Verarbeitung, sodass es beim Schweißen und bei der Wärmebehandlung nachsichtiger ist. - P91: P91 ist ein martensitischer Stahl nach dem Abschrecken; der gelieferte Zustand ist normalerweise normalisiert und vergütet, um eine vergütete martensitische Mikrostruktur mit feinen, dispergierten M23C6- und MX-Typ (V/Nb-Karbide/Nitride) Ausscheidungen zu entwickeln, die Kriechbeständigkeit und Stabilität bei erhöhten Temperaturen bieten.
Wirkung der Wärmebehandlung: - Normalisieren (Luftkühlung von einer bestimmten Austenitisierungstemperatur) und Anlassen sind für beide Sorten unerlässlich, aber kritischer für P91, um die beabsichtigte vergütete martensitische Mikrostruktur zu erhalten und um die ausscheidungsstärkenden Karbide/Nitride auszufällen. - Abschrecken & Anlassen (für geschmiedete Komponenten) müssen für P91 sorgfältig kontrolliert werden, um übermäßige Härte zu vermeiden, die die Schweißbarkeit beeinträchtigt, und um sicherzustellen, dass die Parameter der Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) eingehalten werden. - Thermo-mechanische Behandlungen und Stabilitätsalterung: P91 profitiert von kontrollierter Verarbeitung und Anlassen, um die kriechbeständigen Ausscheidungen zu stabilisieren; Überanlassen oder falsches PWHT kann die Festigkeit verringern oder zu Sprödigkeit führen.
4. Mechanische Eigenschaften
Repräsentative Bereiche mechanischer Eigenschaften (Raumtemperatur, normalisiert & vergütet; spezifische Werte hängen von der Produktform und der genauen Wärmebehandlung ab):
| Eigenschaft | P22 (typisch) | P91 (typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | ~415 – 585 | ~620 – 850 |
| Streckgrenze (0.2% Offset, MPa) | ~250 – 350 | ~450 – 650 |
| Dehnung (%) | ~20 – 25 | ~15 – 25 |
| Schlagzähigkeit (Charpy V-Notch, J) | moderat; gut bei Umgebungstemperatur | generell gut; ausgelegt für Hochtemperaturzähigkeit |
| Härte (HRC / HB) | ~170–220 HB (variabel) | ~200–300 HB (variabel mit Zustand) |
Interpretation: - P91 ist materialtechnisch stärker sowohl in der Streck- als auch in der Zugfestigkeit, wenn es richtig normalisiert und vergütet wird; dies ist hauptsächlich auf höhere Cr- und Mikrolegierungs-Ausscheidungen zurückzuführen. - Die Duktilität (Dehnung) ist in einigen Bedingungen ähnlich oder leicht reduziert in P91 im Vergleich zu P22 aufgrund höherer Festigkeit und vergüteter Martensite. - Die Zähigkeit kann in beiden Sorten ausgezeichnet sein, wenn die geeignete Wärmebehandlung und Nachschweißwärmebehandlung durchgeführt werden; P91 muss korrekt verarbeitet werden, um spröde Martensit-Zonen zu vermeiden.
5. Schweißbarkeit
Überlegungen zur Schweißbarkeit ergeben sich aus dem Kohlenstoffäquivalent, der Härtbarkeit und der Mikrolegierung. Häufig verwendete empirische Indizes werden für die qualitative Bewertung verwendet.
Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Alternativer Index Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - P22 hat ein niedrigeres Kohlenstoffäquivalent als P91 aufgrund des niedrigeren Cr- und Mikrolegierungsgehalts, was es vergleichsweise einfacher macht, mit weniger strengen Vorwärm- und Nachschweißwärmebehandlungsanforderungen (PWHT) zu schweißen. - P91 hat eine höhere Härtbarkeit aufgrund des höheren Cr- und Mikrolegierungsgehalts (V, Nb, B). Das erhöht die Anfälligkeit für die Bildung harter martensitischer und/oder unvergüteter Bereiche in den schweißbetroffenen Zonen (HAZ) und erhöht das Risiko von Kaltverzug, wenn nicht korrekt vorgewärmt und PWHTed. - Das Schweißen von P91 erfordert typischerweise kontrollierte Fasen, abgestimmte Füllmetallurgie (z.B. P91-Füllmaterial oder stabilisierte Varianten), präzise Interpass-Temperaturen und ein PWHT, um die Martensite zu temperieren und Duktilität sowie Kriechfestigkeit wiederherzustellen. Die Verfahren sind komplexer und unterliegen oft strengen Verfahrensqualifikationen. - Für beide Sorten sind Wasserstoffkontrolle, wasserstoffarme Verfahren und ordnungsgemäßes PWHT entscheidend für einen zuverlässigen Langzeitbetrieb.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Sowohl P22 als auch P91 sind nicht rostfreie legierte Stähle; die allgemeine Korrosionsbeständigkeit unter Umgebungsbedingungen ist moderat, aber nicht vergleichbar mit rostfreien Legierungen. Oberflächenschutz wird häufig verwendet:
- Schutzbeschichtungen: Malen, Epoxid, Hochtemperaturfarben.
- Metallurgische Beschichtungen: thermische Spritzbeschichtung (Al/Al-Silikat), Verkleidung für korrosionsintensive Anwendungen.
- Feuerverzinkung ist für einige P22-Anwendungen unter Umgebungsbedingungen möglich, aber nicht typisch für Hochtemperaturanwendungen; Verzinkung ist nicht für anhaltend hohe Temperaturen geeignet.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) wird für rostfreie Legierungen verwendet: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN ist nicht anwendbar auf P22 und P91, da sie keine rostfreien Stähle sind, die darauf ausgelegt sind, schützende, chromreiche passive Filme zu bilden. Ihr Korrosionsmanagement konzentriert sich auf Beschichtungen, Verkleidungen und Materialauswahl für die spezifische Umgebung (Oxidation, Sulfidation, Pitting).
7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit:
- P22 ist unter vergleichbaren Bedingungen aufgrund der niedrigeren Härte und des niedrigeren Legierungsgehalts einfacher zu bearbeiten als P91.
- P91, als höherfester und stärker legierter Stahl, ist anspruchsvoller für Schneidwerkzeuge und kann langsamere Schnittgeschwindigkeiten und robustere Werkzeuge erfordern.
- Formbarkeit und Kaltverformung:
- Beide Sorten sind nicht für umfangreiche Kaltverformung oder -bearbeitung nach der endgültigen Wärmebehandlung vorgesehen; die Formgebung erfolgt in der Regel in weicheren (gewalzten oder normalisierten) Zuständen vor der endgültigen Wärmebehandlung.
- Oberflächenbearbeitung:
- Das Schleifen und die Oberflächenvorbereitung für P91 erfordern Aufmerksamkeit, um die Einführung von Oberflächenfehlern zu vermeiden, die als Initiierungsstellen für Kriechen oder Ermüdung dienen können.
- Fertigungsplanung:
- P91 erfordert qualifizierte Schweißverfahren und erfahrene Schweißer. Verzerrungskontrolle und Management von Restspannungen sind wichtig, da PWHT-Zyklen erforderlich sind.
8. Typische Anwendungen
| P22 (häufige Anwendungen) | P91 (häufige Anwendungen) |
|---|---|
| Rohrleitungen und Header von fossilen Kraftwerken, die bei moderaten Dampftemperaturen (bis ~540–565°C) betrieben werden | Dampfleitungen, Header und Komponenten von ultra-superkritischen und fortschrittlichen fossilen Kraftwerken mit höheren Dampftemperaturen (häufig >550°C) |
| Druckbehälter und Kessel, bei denen Kosten und einfachere Fertigung Priorität haben | Hochtemperatur-Dampfturbinen, Nachheizer, Überhitzer und Hochdruckleitungen, die langfristige Kriechbeständigkeit erfordern |
| Petrochemische Heizrohre, Prozessleitungen bei moderaten Temperaturen | Komponenten in Kraftwerken und Chemieanlagen, die hohe Kriechfestigkeit und mikrostrukturelle Stabilität erfordern |
| Wirtschaftliche Ersatzmaterialien für ältere niedriglegierte Stähle | Neue Designs, die auf eine verlängerte Lebensdauer bei erhöhten Temperaturen abzielen; kritische Schweißverbindungen, die PWHT erfordern |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie P22, wenn die Betriebstemperaturen und die erwarteten Kriechanforderungen moderat sind und wenn Einfachheit und Kosten beim Einkauf/Fertigung wichtig sind. - Wählen Sie P91, wenn langfristige Exposition bei höheren Temperaturen und Drücken überlegene Kriechbeständigkeit, feinere Ausscheidungsstabilisierung und höhere zulässige Spannungen erfordert.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relativer Preis: P91 ist typischerweise teurer pro Kilogramm als P22 aufgrund des höheren Legierungsgehalts (insbesondere Chrom und Mikrolegierungszusätze) und strengerer Prozesskontrollen. Die Kosten für Fertigung und Schweißverfahrensqualifikation erhöhen die Gesamtkosten für P91.
- Verfügbarkeit:
- P22 ist weit verbreitet in Rohren, Fittings und Schmiedeteilen von vielen Werken und Händlern erhältlich.
- P91 ist breit verfügbar, aber bestimmte Produktformen (große Schmiedeteile, spezialisierte Durchmesser/Dickenkombinationen) können längere Lieferzeiten haben und sind eher von spezialisierten Lieferanten zu beziehen. Die Verfügbarkeit kann je nach Region und Marktnachfrage variieren.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle — qualitative Vergleich:
| Attribut | P22 | P91 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Einfacher; niedriger CE, weniger strenge PWHT | Schwieriger; höherer CE/Härtbarkeit; erfordert kontrolliertes PWHT und qualifizierte Verfahren |
| Festigkeit–Zähigkeit (erhöhte Temperatur) | Moderate Hochtemperaturfestigkeit; ausreichend bis ~540–565°C | Hohe Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit; geeignet für höhere Temperaturen/längere Lebensdauer |
| Kosten (Material + Fertigung) | Niedriger | Höher |
Empfehlung: - Wählen Sie P22, wenn Sie einen kostengünstigeren, leichter zu schweißenden legierten Stahl für Druckgeräte und Rohrleitungen benötigen, die bei moderaten erhöhten Temperaturen betrieben werden, wenn langfristiges Kriechen bei hoher Temperatur nicht das maßgebliche Entwurfskriterium ist. - Wählen Sie P91, wenn die Anwendung signifikante Kriechbeständigkeit und höhere zulässige Spannungen bei erhöhten Temperaturen (langfristige, hochdruck Dampfsysteme) erfordert und wenn das Projekt die notwendigen Fertigungskontrollen, qualifizierte Schweißverfahren und Kostenaufschläge unterstützen kann.
Letzte Anmerkung: Beide Sorten erfordern die Spezifikation der genauen Materialgüte, des Wärmebehandlungszustands und des Schweißverfahrens in Einkaufs- und Entwurfsdokumenten. Für sicherheitskritische und langfristige Hochtemperaturanwendungen sollten Materialien und Schweißingenieure frühzeitig einbezogen werden, um die zulässigen Entwurfsspannungen, erforderlichen PWHT-Parameter und Qualifikationstests zu bestätigen, um eine zuverlässige Leistung im Betrieb sicherzustellen.