P91 vs P92 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
P91 und P92 sind kriechbeständige, chrom–molybdän–vanadium (Cr–Mo–V) martensitische Stähle, die weit verbreitet in Hochtemperaturkraftwerks- und petrochemischen Anlagen wie Kesselrohren, Sammelrohren und Dampfleitungen eingesetzt werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Hersteller stehen häufig vor der Auswahl zwischen P91 und P92, wenn sie die Hochtemperaturfestigkeit und die langfristige Kriechbeständigkeit gegen Schweißbarkeit, Fertigungserleichterung und Gesamtkosten über den Lebenszyklus abwägen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Verbesserung der Dampftemperaturfähigkeit, die Optimierung der Wartungsintervalle für Hochdruckkomponenten oder die Auswahl von Materialien für neue hocheffiziente Kessel.
Der entscheidende metallurgische Unterschied, der die Leistungsunterschiede antreibt, ist die Legierungsstrategie – insbesondere wie Wolfram (W) und Molybdän (Mo) zusammen mit anderen Mikrolegierungselementen (V, Nb, B) ausgewogen werden. Diese Substitutionsstrategie beeinflusst die Karbidchemie, die Stabilität von Ausscheidungen und die Härtbarkeit, die wiederum die Kriechfestigkeit, Zähigkeit und Schweißbarkeit beeinflussen. Deshalb werden P91 und P92 häufig für Hochtemperaturkomponenten verglichen.
1. Normen und Bezeichnungen
- Übliche Normen und Spezifikationen:
- ASME/ASTM: ASME SA-335 / P91 und P92 (nahtlose ferritische Legierungsrohre für erhöhte Temperaturen), ASTM A213, ASTM A387 (Plattenvarianten) und verwandte ASME-Vorschriften für Kessel und Druckbehälter.
- EN: Entsprechende Grades erscheinen häufig unter EN- und EN-modifizierten Bezeichnungen (z. B. X10CrMoVNb9-1 für P91-ähnliche und X10CrWMoVNb9-2 für P92-ähnliche Chemie).
- JIS/GB: Lokale Normen bieten ähnliche Zusammensetzungen unter unterschiedlichen Nummerierungen; bestätigen Sie dies mit der Zertifizierung des Lieferanten.
- Klassifizierung:
- Sowohl P91 als auch P92 sind legierte Stähle, die für den Hochtemperaturbetrieb ausgelegt sind; sie werden manchmal mit HSLA/martensitischen, kriechfestigkeitsverbesserten ferritischen Stählen gruppiert (nicht rostfreie Stähle oder Werkzeugstähle).
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Die folgende Tabelle zeigt typische Zusammensetzungsbereiche für P91 und P92 in Gewicht Prozent. Diese sind repräsentativ für kommerzielle normalisierte und vergütete Material-Spezifikationen; tatsächliche Werte hängen von spezifischen Untergraden und Normen ab.
| Element | P91 (typischer Bereich, Gew.% ) | P92 (typischer Bereich, Gew.% ) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.60 | 0.20–0.60 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.0–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.50 | ≤0.50 |
| Mo | 0.85–1.05 | 0.20–0.50 |
| W | trace–0.3 | 1.7–2.0 |
| V | 0.15–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | ≤0.01 | ≤0.01 |
| B | 0.0005–0.003 | 0.0005–0.005 |
| N | 0.03–0.07 | 0.03–0.07 |
Wie die Legierung die Eigenschaften beeinflusst - Chrom bietet Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen und bildet M23C6-Karbid, die das Kriech- und Vergütungsverhalten beeinflussen. - Molybdän (Mo) erhöht die Festigkeit durch Festkörperlösung und trägt zur stabilen Karbidbildung bei; Mo ist traditionell zentral für die Kriechfestigkeit von P91. - Wolfram (W) in P92 wird als teilweiser Ersatz für Mo verwendet: W bildet stabilere, langsam grobkörnige Karbide und trägt zu höherer langfristiger Kriechfestigkeit bei sehr hohen Temperaturen bei. - Vanadium (V) und Niob (Nb) bilden feine MX-Karbonitride, die Korngrenzen fixieren, die Rekristallisation hemmen und die Kriechbruchfestigkeit verbessern. - Sehr geringe Bor-Zugaben verbessern die Kriechfestigkeit, indem sie sich an die Korngrenzen der vorherigen Austenitkörner anlagern und die Kavitation während langfristiger Exposition verzögern.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
Typische Mikrostruktur - Sowohl P91 als auch P92 erzeugen eine vergütete martensitische Mikrostruktur nach einem standardmäßigen Wärmebehandlungszyklus (Normalisieren über Ac3, gefolgt von Abschrecken und Vergüten). - Die vergütete Mikrostruktur besteht aus Lamellenmartensit mit verteilten Karbiden und Karbonitriden: M23C6 (Cr-reich) entlang der Korngrenzen des vorherigen Austenits und Lamellengrenzen sowie MX (V,Nb)-Ausscheidungen innerhalb der Lamellen.
Auswirkungen der Legierung und Wärmebehandlung - P91: Mit höherem Mo und leicht niedrigerem W ist die Karbidverteilung günstig für die erforderliche Kriechfestigkeit im ursprünglichen Entwurfsfenster (typischerweise bis etwa 600–620 °C). Mo trägt zur Matrixverstärkung und zur Stabilität der Ausscheidungen bei, aber Mo-reiche Karbide können sich bei langen Expositionen grobkörnig entwickeln. - P92: Der partielle Ersatz von Mo durch W führt zu Karbiden und intermetallischen Verbindungen mit langsameren Grobkörnigkeitskinetiken bei erhöhten Temperaturen. P92 entwickelt oft eine feinere und stabilere Verteilung von Karbiden nach ordnungsgemäßer Vergütung, was eine bessere langfristige Kriechbeständigkeit bei höheren Dampftemperaturen und längeren Lebensdauern bietet. - Thermo-mechanische Behandlungen: Beide Grades reagieren auf Normalisieren + Vergüten und auf spezifische thermo-mechanische Bearbeitung, die die Korngröße des vorherigen Austenits verfeinert und eine wünschenswerte Verteilung der Ausscheidungen fördert. Die Vergütungstemperatur steuert die Zähigkeit im Vergleich zu Festigkeitskompromissen.
4. Mechanische Eigenschaften
Die folgende Tabelle gibt repräsentative Eigenschaften für normalisiertes und vergütetes Material im gelieferten Zustand an. Tatsächliche Werte hängen von präziser Chemie, Wärmebehandlung, Dicke/Form und Prüfstandards ab.
| Eigenschaft | P91 (repräsentativ) | P92 (repräsentativ) |
|---|---|---|
| Streckgrenze (0.2%, MPa) | ~415 (typische Untergrenze) — bis ~500–600, abhängig von der Vergütung | höher: ~500–650 (breiter Bereich, abhängig von der Vergütung) |
| Zugfestigkeit (MPa) | ~550–700 | ~650–800 |
| Dehnung (%) | ~18–25 | ~12–20 (oft etwas niedriger als P91) |
| Charpy-V-Kerbschlag (Raumtemp, J) | mäßig bis gut (hängt von der Wärmebehandlung ab; üblicherweise ≥40–60 J) | etwas niedriger oder ähnlich, abhängig von der Vergütung; mehr Empfindlichkeit gegenüber Wärmebehandlung |
| Härte (HB) | ~180–260 (typischer N&T-Zustand) | ~200–300 (kann höher sein aufgrund von Legierung und Vergütung) |
Interpretation - Festigkeit: P92 bietet im Allgemeinen eine höhere Kriechbruchfestigkeit und höhere Zug-/Streckfestigkeit in vielen kommerziellen Wärmebehandlungen aufgrund der W-Zugabe und der verfeinerten Stabilität der Ausscheidungen. - Zähigkeit und Duktilität: P91 ist tendenziell etwas duktiler und nachsichtiger in der Verarbeitung; P92 kann weniger duktil sein und erfordert strengere Kontrollen der Wärmebehandlung und PWHT, um die Zähigkeit zu sichern. - Härte: P92 zeigt oft eine höhere Härte unter vergleichbaren Bedingungen; das hilft der Hochtemperaturfestigkeit, kann jedoch die Rissanfälligkeit beim Schweißen erhöhen, wenn dies nicht verwaltet wird.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeitsüberlegungen für beide Grades konzentrieren sich auf den Kohlenstoffäquivalent/Härtbarkeit, Mikrolegierung und PWHT-Anforderungen.
Typische Schweißbarkeitsformeln zur Bewertung der Vorwärm- und PWHT-Bedürfnisse: - IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - International 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 - Sowohl P91 als auch P92 haben eine spürbare Härtbarkeit (Cr, Mo/W, V, Nb, B), was zu einer hohen Neigung zur Bildung von hartem Martensit in der HAZ führt, wenn sie ohne ordnungsgemäßen Vorwärm und PWHT geschweißt werden. - P92’s höherer W und leicht unterschiedliche Legierungsbalance erhöhen die Härtbarkeit weiter, sodass es oft konservativere Vorwärm/PWHT-Kontrollen und passende Füllmaterialien erfordert, die für die P92-Chemie formuliert sind. - PWHT (typischerweise 700–760 °C für diese Stähle, spezifisch für Norm und Dicke) ist zwingend erforderlich, um Martensit in der HAZ zu vergüten und Restspannungen abzubauen. Wasserstoffkontrolle, kontrollierte Zwischenpass-Temperaturen und wasserstoffarme Schweißzusätze sind notwendig. - Auswahl des Schweißfüller: Verwenden Sie Verbrauchsmaterialien, die für P91 oder P92 entsprechend spezifiziert sind (passende oder genehmigte überpassende Verbrauchsmaterialien). Für das Schweißen von P92 sind spezialisierte Fülldraht und Verfahren üblicher, um mikrostrukturelle Unterschiede zu minimieren und Typ-IV-Risse in langfristigen Kriechzonen zu verhindern.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder P91 noch P92 sind rostfreie Stähle; beide verlassen sich auf Legierung für Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen anstelle von allgemeiner wässriger Korrosionsbeständigkeit.
- In wässrigen oder korrosiven Umgebungen ist typischerweise ein Oberflächenschutz erforderlich: Malen, Metallisieren, Verkleiden oder geeignete Beschichtungen. Für den atmosphärischen Schutz sind industrielle Beschichtungen oder Feuerverzinkung (wo anwendbar) Optionen, aber Verzinkung ist möglicherweise nicht für Hochtemperatur-Dampfdienste geeignet.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) wird definiert als: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index gilt für rostfreie Stähle und lokale Korrosionsbeständigkeit und ist für P91/P92 nicht aussagekräftig, da ihre Zusammensetzungen und beabsichtigten Verwendungen auf die mechanische Leistung bei hohen Temperaturen und nicht auf die Chlorid-Pitting-Beständigkeit abzielen.
- Hochtemperaturoxidation: Der Chromgehalt (≈9%) bietet eine gewisse Oxidationsbeständigkeit für den Dampfsystembetrieb, aber langfristige Oxidationsschichten und Karburierungsverhalten müssen berücksichtigt werden; P92 wird oft bei höheren Dampftemperaturen bevorzugt, da W-haltige Karbide das Wachstum von Schichten verlangsamen und die mechanische Integrität länger aufrechterhalten.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Beide Stähle sind aufgrund des Legierungsgehalts und der Härte weniger bearbeitbar als einfache Kohlenstoffstähle. P92’s höhere Härtbarkeit und das Potenzial für höhere Härte können die Werkzeuglebensdauer verringern und die erforderlichen Schnittkräfte erhöhen.
- Formbarkeit/Biegen: Kaltumformung ist begrenzt; Warmumformung/Pressen und kontrollierte Vergütung sind üblich. Beide Grades reagieren schlecht auf starke Kaltumformung ohne anschließende Wärmebehandlung.
- Oberflächenfinish und Schleifen: Härterer P92 erfordert aggressivere Werkzeuge/Schleifen. Die Kontrolle der Restspannungen und das Vermeiden von Übervergütung sind während der Fertigstellung wichtig.
- Wärmebehandlung nach der Verarbeitung: Korrekte Normalisierungs- und Vergütungszyklen oder Nachschweißwärmebehandlungen sind erforderlich, um die beabsichtigten Eigenschaften zu erreichen und Versprödung zu vermeiden.
8. Typische Anwendungen
| P91 Typische Anwendungen | P92 Typische Anwendungen |
|---|---|
| Dampfsammelrohre, Rohrleitungen und Rohre in subkritischen und frühen überkritischen Kesseln (≤ ~600 °C Betrieb) | Hochtemperatur-Dampfleitungen und Sammelrohre in fortschrittlichen/ultra-überkritischen Kesseln (Umgebungen mit höherem Kriechbedarf) |
| Wärmetauscherrohre, Druckbehälterkomponenten für Dampfdienste bei moderaten Temperaturen | Hochdruck-, Hochtemperaturkomponenten in Kraftwerken, die für höhere Dampftemperaturen und längere Lebensdauer ausgelegt sind (HRSGs, Nachheizer) |
| Petrochemische Rohrleitungen, wo gute Hochtemperaturfestigkeit erforderlich ist, aber Kostensensitivität besteht | Service, bei dem eine verlängerte Kriechlebensdauer und überlegene langfristige Stabilität priorisiert werden, trotz höherer Material- und Verarbeitungskosten |
| Ventilkörper und Armaturen für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen | Kritische Komponenten, die maximale Kriechbruchleistung für die Verlängerung der Lebensdauer erfordern |
Auswahlbegründung - Wählen Sie P91, wenn die Anwendung nachgewiesene Kriechfestigkeit bei moderaten erhöhten Temperaturen mit guter Verfügbarkeit und etwas einfacher zu verarbeitender Fertigung erfordert. - Wählen Sie P92, wenn die Betriebstemperatur und die erforderliche Kriechlebensdauer die Fähigkeiten von P91 übersteigen oder wenn die Betreiber längere Wartungsintervalle und höhere zulässige Spannungen bei Betriebstemperatur anstreben.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: P92 ist im Allgemeinen teurer als P91 aufgrund des höheren Legierungsgehalts (insbesondere W), spezialisierter Schmelzkontrollen und einer begrenzteren Nachfrage/Angebotslage. Fertigungs- und Schweißverfahren für P92 können auch die installierten Kosten erhöhen.
- Verfügbarkeit: P91 hat eine längere Geschichte der weit verbreiteten Verwendung und ist in vielen Produktformen (Rohr, Platte, Schmiedestücke) üblicherweise vorrätig. Die Verfügbarkeit von P92 hängt vom regionalen Markt und der Produktion der Mühle ab; die Lieferzeiten können länger sein, insbesondere für große Abschnitte oder spezielle Formen.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | P91 | P92 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit (praktisch) | Gut mit standardmäßigen P91-Verfahren; weniger anspruchsvoll als P92 | Anspruchsvoller — höhere Härtbarkeit erfordert strengere Vorwärm/PWHT und passende Verbrauchsmaterialien |
| Festigkeit–Zähigkeit bei RT | Ausgewogen — gute Zähigkeit und angemessene Festigkeit | Höhere Festigkeit und Kriechbeständigkeit, aber oft leicht reduzierte Duktilität/Zähigkeit, wenn nicht optimiert |
| Kriecheigenschaften bei erhöhten T | Ausgezeichnet bis zum Entwurfsfenster (~bis ~600–620 °C typisch) | Überlegene langfristige Kriechbeständigkeit bei höheren Temperaturen und längeren Lebensdauern |
| Kosten & Verfügbarkeit | Wirtschaftlicher und weit verbreitet verfügbar | Höhere Material- und Verarbeitungskosten; Verfügbarkeit kann begrenzter sein |
Schlussfolgerungen — wählen Sie basierend auf den Betriebsbedingungen: - Wählen Sie P91, wenn: Sie einen gut etablierten, kosteneffektiven kriechbeständigen Stahl für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen innerhalb des konventionellen P91-Entwurfsrahmens benötigen, etwas einfachere Fertigung und Schweißen wünschen und Verfügbarkeit sowie niedrigere Beschaffungs-/Fertigungskosten priorisieren. - Wählen Sie P92, wenn: die Anwendung überlegene langfristige Kriechfestigkeit bei erhöhten Dampftemperaturen (oder verlängerten Betriebsintervallen) erfordert, wenn die Lebensdauer oder höhere zulässige Spannungen die höheren Material- und Verarbeitungskosten rechtfertigen und wenn Ihre Fertigungskapazität strengere Schweißkontrollen und Qualifikationen bewältigen kann.
Letzte praktische Anmerkung: Für beide Grades hängt der Erfolg im Betrieb weniger vom nominalen Gradnamen allein ab und mehr von der korrekten Chemieverifizierung, genehmigten Schweißverfahren, strenger Kontrolle der Wärmebehandlung/PWHT und Qualitätssicherung (NDT, mechanische Prüfungen und Rückverfolgbarkeit). Wenn Sie von P91 auf P92 wechseln, erwarten Sie Anpassungen in den Schweißverfahrensspezifikationen, der Auswahl des Füllmaterials und möglicherweise in den Beschaffungszeiten und -kosten.