P22 vs P91 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Einführung
P22 und P91 sind zwei weit verbreitete Druckbehälter- und Rohrstähle in der Energieerzeugung, Petrochemie und im Maschinenbau. Ingenieure und Beschaffungsfachleute wägen häufig Kosten, Verarbeitbarkeit und langfristige Leistung ab, wenn sie zwischen ihnen wählen – zum Beispiel, indem sie die anfänglichen Materialkosten und Schweißbarkeit gegen die erforderliche Hochtemperaturfestigkeit und Kriechlebensdauer abwägen.
Der wesentliche technische Unterschied besteht darin, dass P91 formuliert und verarbeitet wird, um eine erheblich höhere Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit als P22 zu bieten, was hauptsächlich durch einen höheren Chromgehalt und kontrollierte Mikrolegierung sowie Wärmebehandlung erreicht wird. Diese Unterschiede machen sie zu gängigen Alternativen für Komponenten, die erhöhten Temperaturen und Spannungen ausgesetzt sind, weshalb der Vergleich in der Komponentenspezifikation und Lebenszykluskostenanalyse häufig vorkommt.
1. Normen und Bezeichnungen
- Allgemeine Normen:
- ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (nahtloses ferritisches Legierungsstahlrohr) — P22, P91
- EN: EN 10216 / EN 10222 Äquivalente (verschiedene EN-Stahlgüten entsprechen diesen P-Güten)
- JIS / GB: nationale Normen bieten oft ungefähre Äquivalente (konsultieren Sie spezifische Umrechnungen)
- Materialklassifikation:
- P22: niedriglegierter ferritischer Stahl (1,25% Cr — allgemein als 1,25Cr-0,5Mo bezeichnet). Klassifiziert als Legierungsstahl für Hochtemperaturdienste.
- P91: hochchromhaltiger, martensitischer, kriechfestigkeitsverbesserter ferritischer Stahl (nominell 9Cr-1Mo mit V/Nb-Zusätzen). Oft als Legierungs-/HSLA (hochfester niedriglegierter) martensitischer Stahl behandelt, der für Kriechbeständigkeit optimiert ist.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: Typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%). Die angegebenen Werte sind repräsentative Bereiche aus gängigen Spezifikationen; genaue Grenzen hängen von der spezifischen Norm und dem Wärmebehandlungsprozess ab.
| Element | P22 (typischer Bereich) | P91 (typischer Bereich) |
|---|---|---|
| C | 0,04–0,12 | 0,08–0,12 |
| Mn | 0,25–0,60 | 0,25–0,60 |
| Si | 0,10–0,50 | 0,20–0,60 |
| P | ≤0,025 | ≤0,02 |
| S | ≤0,015 | ≤0,01 |
| Cr | 0,9–1,5 | 8,0–9,5 |
| Ni | Spuren | Spuren–niedrig |
| Mo | 0,38–0,65 | 0,85–1,05 |
| V | — | 0,08–0,25 |
| Nb (Cb) | — | 0,03–0,12 |
| Ti | Spuren | Spuren |
| B | — | Spuren (ppm-Niveau) |
| N | Spuren | 0,02–0,06 |
Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Chrom (Cr) erhöht die Oxidationsbeständigkeit und Härte; das viel höhere Cr in P91 ist ein wesentlicher Faktor für die verbesserte Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit. - Molybdän (Mo) verbessert die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und die Kriechbeständigkeit in beiden Güten; P91 hat typischerweise ~1% Mo im Vergleich zu ~0,5% in P22. - Vanadium (V) und Niob (Nb) in P91 bilden feine Karbide/Nitride, die die martensitische Mikrostruktur stabilisieren und die Kriechverformung durch das Festhalten von Versetzungen und Korngrenzen hemmen. - Kohlenstoff sorgt für Festigkeit durch Martensit/vergüteten Martensit, aber höherer Kohlenstoff erhöht auch die Härte und das Risiko von Rissen; P91 verwendet einen kontrollierten C-Gehalt, um Festigkeit und Schweißbarkeit auszubalancieren. - Kleine Zusätze von B und kontrolliertem N in P91 können die Eigenschaften weiter verfeinern, indem sie die Ausscheidung und Härte beeinflussen.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- P22: Typische Mikrostruktur nach Normalisierung und Vergütung ist vergütete Bainit/vergüteter Ferrit mit dispergierten Mo-reichen Karbiden. Es bildet nicht in der gleichen Weise wie P91 eine vollständig martensitische Struktur nach typischen Wärmebehandlungen. Die Mikrostruktur ist stabil für moderate Hochtemperaturdienste, aber weniger widerstandsfähig gegen langfristiges Kriechen als P91.
- P91: Entwickelt, um eine feine martensitische Struktur nach Normalisierung und schnellem Abkühlen zu bilden, gefolgt von einem Vergütungsprozess, der feine Karbide und Nitride ausfällt (z.B. M23C6, MX-Typ-Ausscheidungen). Thermomechanische Bearbeitung und kontrollierte Vergütung sind entscheidend, um die optimierte vergütete martensitische Mikrostruktur zu erhalten, die eine hohe Kriechfestigkeit bietet.
- Verarbeitungseffekte:
- Normalisierung: verfeinert die vorherige Austenitkornstruktur; P91 erfordert typischerweise eine höhere Normalisierungstemperatur als P22, um Legierungs-Karbide aufzulösen und eine ordnungsgemäße Martensitbildung zu fördern.
- Abkühlen und Vergüten / Normalisieren und Vergüten: Beide Güten erfordern eine Vergütung nach der Härtung. Die Vergütung von P91 ist besonders kritisch, um die martensitische Struktur zu stabilisieren und Zähigkeit zu erreichen, während Restspannungen gemindert werden.
- Thermo-mechanische Behandlungen und kontrollierte Abkühlraten sind für P91 kritischer, um grobe Ausscheidungen zu vermeiden und die langfristige Kriechleistung zu kontrollieren.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: Qualitativer Vergleich (typische Werte nach Normalisierung & Vergütung; tatsächliche Eigenschaften hängen von der genauen Wärmebehandlung, Dicke und Spezifikation ab).
| Eigenschaft | P22 (typisch) | P91 (typisch) |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (ultimativ) | Moderat | Hoch |
| Streckgrenze | Moderat | Hoch |
| Dehnung (Duktilität) | Gut (höher als P91) | Moderat (niedriger als P22) |
| Schlagzähigkeit (RT) | Gut, wenn richtig vergütet | Gut, wenn richtig vergütet; kann empfindlich auf Wärmebehandlung reagieren |
| Härte | Moderat | Höher (verschleißanfälliger) |
Erklärung: - P91 bietet erheblich höhere Zug- und Streckgrenzen sowie überlegene langfristige Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen aufgrund seiner martensitischen Mikrostruktur und Mikrolegierung (V, Nb) im Vergleich zur niedriglegierten bainitischen/vergüteten ferritischen Struktur von P22. - P22 bietet im Allgemeinen eine größere Duktilität und kann in einigen Dicken eine einfachere Zähigkeitskontrolle bieten; P91 kann eine gute Zähigkeit erreichen, erfordert jedoch eine strenge Kontrolle der Wärmebehandlung und der Nachschweißwärmebehandlung (PWHT).
5. Schweißbarkeit
Schlüsselfaktoren: Kohlenstoffäquivalent, Härte und Mikrolegierungsgehalt bestimmen die Vorwärm-/PWHT-Anforderungen und das Risiko von Rissen im HAZ.
Übliche Schweißbarkeitsindizes (werden verwendet, um das Risiko qualitativ zu bewerten): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation (qualitativ): - P22: niedrigeres Cr und niedrigere Härte im Vergleich zu P91 – moderate Kohlenstoffäquivalente. Das Schweißen von P22 erfordert typischerweise Vorwärmung und PWHT, um die Härte des HAZ und die Anfälligkeit für wasserstoffunterstützte Risse zu minimieren, aber die Standard-PWHT-Zyklen sind gut etabliert und relativ nachsichtig. - P91: höheres Cr, Mo und Mikrolegierungselemente erhöhen die Härte und erhöhen das Risiko, dass im HAZ hartes Martensit entsteht; daher ist das Schweißen von P91 anspruchsvoller. Eine ordnungsgemäße Vorwärmung, kontrollierte Interpass-Temperaturen und sorgfältig vorgeschriebene PWHT-Zyklen sind entscheidend, um die Sprödigkeit des HAZ zu vermeiden und das martensitische HAZ zu vergüten. Die Verwendung von passenden oder überlegenen Füllmetallen und strengen Verfahrensqualifikationen ist üblich. - Praktischer Rat: P91-Schweißverfahren erfordern qualifizierte WPS/PQR und erfahrenes Personal; Reparaturschweißen und Nachschweißvergütung müssen den vom Hersteller oder den Normen genehmigten Zyklen folgen. P22 ist toleranter, erfordert jedoch dennoch eine korrekte PWHT für drucktragende Komponenten.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder P22 noch P91 sind rostfrei. Die Korrosionsbeständigkeit in feuchten/sauren Umgebungen muss durch Materialauswahl, Beschichtungen oder Inhibitoren gesteuert werden.
- Übliche Schutzstrategien: Lackierung, Hochtemperatur-Aluminiumbeschichtung, thermisches Spritzen oder Spezifikation einer Korrosionsreserve. Für Außen- oder feuchte Umgebungen werden standardmäßige Beschichtungen und kathodischer Schutz nach Bedarf eingesetzt.
- PREN (Pitting-Korrosionsindex) ist für diese ferritischen, nicht rostfreien Stähle nicht anwendbar, da PREN für rostfreie Legierungen verwendet wird: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Für Hochtemperatur-Oxidations-/Skalenbeständigkeit bietet das höhere Cr in P91 eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit im Vergleich zu P22, aber keiner bietet einen rostfreien Korrosionsschutz.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitung:
- P22: leichter zu bearbeiten im Vergleich zu P91 aufgrund der niedrigeren Festigkeit und Härte; Schnittgeschwindigkeiten können höher sein und Werkzeuge haben eine längere Lebensdauer.
- P91: härter und stärker, neigt dazu, sich zu verfestigen; erfordert robusteres Werkzeug, niedrigere Schnittgeschwindigkeiten und starre Aufbauten.
- Formen/Biegen:
- P22: bessere Kaltformungseigenschaften; größere Reduzierungen sind ohne Rissbildung möglich.
- P91: begrenzte Kaltformbarkeit – Warmformen oder größere Vorsicht und größere Biegeradien können erforderlich sein.
- Oberflächenbearbeitung: P91 kann aggressivere Schleif-/Polierschritte erfordern und kann schwerer zu bearbeitende Späne erzeugen; Schleifen wird häufig verwendet, um nach dem Schweißen vor der PWHT in kritischen Fällen die entkohlen Schichten im HAZ zu entfernen.
8. Typische Anwendungen
| P22 (typische Anwendungen) | P91 (typische Anwendungen) |
|---|---|
| Dampfleitungen, Header und Druckbehälter in moderaten Temperaturkesseln und Raffinerien (bis ~540–565°C Betrieb, abhängig vom Design) | Hochtemperatur-Header, Überhitzer/Wiederwärmer-Rohre, Dampfleitungen und Druckkomponenten in ultra-superkritischen und fortschrittlichen fossilen Kraftwerken, wo hohe Kriechfestigkeit erforderlich ist |
| Wärmetauscher, Trommeln und nicht-kritische Hochtemperaturrohre, wo Kosten und Verfügbarkeit 1.25Cr-0.5Mo begünstigen | Hochbelastete, langlebige Komponenten, die hohen Temperaturen und Spannungen ausgesetzt sind, wo reduzierte Wandstärken oder verlängerte Kriechlebensdauer erforderlich sind |
| Allgemeine industrielle Druckkomponenten, wo die konventionelle Lebensdauer akzeptabel ist | Neubau- oder Nachrüstungen, die höhere Dampftemperaturen/Drucke und längere Wartungsintervalle anstreben |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie P22 für den Betrieb bei moderaten Temperaturen, wo Schweißbarkeit, Duktilität und niedrigere Materialkosten Priorität haben. - Wählen Sie P91, wo langfristige Kriechbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und die Möglichkeit für dünnere Abschnitte oder verlängerte Lebensdauer die höheren Material- und Fertigungskosten rechtfertigen.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relative Kosten: P91 ist typischerweise teurer als P22 auf Basis von Kosten pro Kilogramm/Fuß aufgrund des höheren Legierungsgehalts und strengerer Verarbeitungs-/Wärmebehandlungsanforderungen.
- Verfügbarkeit: P22 ist in vielen Produktformen (Rohr, Platte, Fittings) weit verbreitet. P91 ist weit verbreitet, kann jedoch längere Vorlaufzeiten für spezifische Produktformen, eng tolerierte, millenverarbeitete Komponenten oder wenn eine höherwertige Fertigung (z.B. Schweißzusätze) erforderlich ist, haben.
- Beschaffungsnotiz: Die Gesamtkosten sollten nicht nur den Materialpreis, sondern auch die Qualifikation des Schweißverfahrens, PWHT-Zyklen, Inspektion und potenzielle Lebenszyklus-Austauschintervalle berücksichtigen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Zusammenfassungstabelle (qualitativ):
| Kriterium | P22 | P91 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Einfacher; standardmäßige PWHT | Anfordernder; strenge Vorwärm-/PWHT- und qualifizierte Verfahren |
| Festigkeit–Zähigkeit (Raumtemperatur) | Moderat fest, gute Duktilität/Zähigkeit | Hohe Festigkeit, gute Zähigkeit, wenn richtig behandelt; niedrigere Duktilität |
| Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit | Moderat; geeignet für niedrigere Temperatur/hohe Zyklusdienste | Überlegen; für verlängerten Kriecheinsatz ausgelegt |
| Kosten | Niedrigere Materialkosten; einfachere Fertigung | Höhere Material- und Fertigungskosten |
| Verfügbarkeit | Weit verbreitet | Weit verbreitet, aber spezialisierte Verarbeitung kann die Vorlaufzeit erhöhen |
Empfehlung: - Wählen Sie P22, wenn Sie eine kostengünstige Legierung für den Betrieb bei moderaten Hochtemperaturen benötigen, wo standardmäßige PWHT akzeptabel ist, Duktilität und einfachere Fertigung Priorität haben und eine langfristige Kriechlebensdauer über die konventionellen Entwurfsgrenzen hinaus nicht erforderlich ist. - Wählen Sie P91, wenn das Design erheblich höhere Festigkeit und langfristige Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen (zum Beispiel, fortschrittliche Dampfkraftwerksparameter) erfordert oder wenn die Reduzierung der Wandstärke/Gewicht und die Verlängerung der Wartungsintervalle höhere Material- und Fertigungskosten sowie strengere Schweißkontrollen rechtfertigen.
Letzte Anmerkung: Die genaue Auswahl der Güte muss die Belastungen des Komponentendesigns, die erforderliche Entwurfslebensdauer, anwendbare Normen (ASME/EN/JIS/GB), Schweiß- und Inspektionsfähigkeiten sowie die Lebenszykluskostenanalyse berücksichtigen. Für kritische druckhaltende Komponenten konsultieren Sie die Anforderungen der Normen und Materiallieferanten für zertifizierte chemische und mechanische Daten sowie für die Qualifikation von Schweißverfahren.