T91 vs P91 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

T91 und P91 sind zwei Bezeichnungen, die Ingenieuren häufig begegnen, die Materialien für Hochtemperaturkraftwerke und industrielle Dampfanwendungen spezifizieren. Beide beziehen sich auf dieselbe Familie von 9Cr–1Mo-Klasse martensitischen/ferritischen hitzebeständigen Stählen, die für Druckteile verwendet werden, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden; jedoch unterscheiden sich die Bezeichnungen und Beschaffungsimplikationen. Ingenieure, die zwischen den beiden entscheiden, wägen typischerweise Faktoren wie die beabsichtigte Produktform (Rohr vs. Rohrleitung), anwendbare Norm oder Standard, Schweißverfahrenqualifikation und regionale Lieferkettenverfügbarkeit ab.

Der Hauptunterschied in der Praxis ist ein durch Standards und Produktform bedingter: „T91“ wird typischerweise in Rohr-Spezifikationen verwendet (z. B. ASME SA‑213), während „P91“ in Rohr-Spezifikationen (z. B. ASME SA‑335) und in einigen regionalen Benennungsschemata erscheint. Metallurgisch sind sie im Wesentlichen dieselbe 9Cr–1Mo–V–Nb-Qualität, und deshalb werden sie häufig verglichen oder austauschbar in Design und Beschaffung behandelt.

1. Standards und Bezeichnungen

• ASTM/ASME:
• ASME SA‑213 T91 — nahtlose ferritische legierte Stahlkessel-, Überhitzer- und Wärmetauscherrohre.
• ASME SA‑335 P91 — nahtlose ferritische legierte Stahlrohre für Hochtemperaturdienst.
• EN / Europäisch:
• EN 10216‑2 / EN 10222 Grad oft als X10CrWMoVNb9‑2 (Material-Nr. 1.4903) angegeben — europäische Bezeichnung für vergleichbare 9Cr-Stähle.
• JIS (Japan) / GB (China):
• Es gibt kein direktes JIS-Äquivalent; Japanische Standards können ähnliche 9Cr-Stähle auflisten, unterscheiden sich jedoch in chemischen Grenzwerten und Wärmebehandlungspraktiken.
• Chinesische GB-Standards liefern vergleichbare 9Cr–1MoV-Qualitäten; lokale Bezeichnungen und Wärmebehandlungsgrenzen können variieren.
• Klassifikation: Diese Legierungen sind niedriglegierte, hitzebeständige Stähle (nicht rostfrei) und werden in der Praxis als kriechfeste ferritische/martensitische Stähle kategorisiert (HSLA-Stil in Bezug auf die Verstärkungsstrategie, aber für hohe Temperaturfestigkeit formuliert).

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die 9Cr–1Mo-Familie erreicht ein Gleichgewicht zwischen Hochtemperaturfestigkeit, Kriechbeständigkeit und Schweißbarkeit hauptsächlich durch Chrom für Oxidations- und Anlasstabilität, Molybdän für Kriechfestigkeit und Festigkeitssteigerung durch Festkörperlösung sowie Mikrolegierung mit V/Nb zur Stabilisierung von Karbiden und Kontrolle des Kornwachstums. Typische Zusammensetzungsbereiche folgen der Branchenpraxis:

Wie die Legierungsstrategie die Leistung beeinflusst: - Cr (8–9.5%) erhöht die Oxidationsbeständigkeit und trägt zur Anlasstabilität und Härtbarkeit bei. - Mo (≈1%) verbessert die Kriechfestigkeit und behindert die Erholung; wichtig für die langfristigen Hochtemperatureigenschaften. - V und Nb bilden Karbide und Carbonitride, die die Mikrostruktur festhalten und das Kornwachstum während der Hochtemperaturbelastung behindern, was die Kriechbruchlebensdauer verbessert. - Kontrolliertes C ist notwendig für die Festigkeit durch martensitische Umwandlung und Karbidbildung; niedrig genug gehalten, um eine akzeptable Schweißbarkeit zu gewährleisten. - Kleines B verbessert die Kriech-Eigenschaften in einigen Chargen, während N und Ti/Nb die Ausfällungschemie steuern.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostruktur und Verarbeitung: - Als normalisiert: eine vergütete martensitische Mikrostruktur wird nach Austenitisierung (Normalisieren) gefolgt von kontrollierter Abkühlung und Anlassen erzeugt. Die Mikrostruktur besteht aus vergüteten Martensitlamellen, mit dispergierten M23C6-Karbiden und feinen MX (V/Nb) Carbonitriden. - Normalisieren + Anlassen: Standardweg zur Entwicklung der charakteristischen Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit. Normalisieren löst schädliche Phasen auf und setzt die Kornstruktur zurück; Anlassen optimiert Festigkeit/Zähigkeit und stabilisiert Karbide. - Abschrecken & Anlassen-Ansatz: ähnlich wie Normalisieren/Anlassen für diese niedriglegierten Stähle; die Abschreckschwere wird kontrolliert, um übermäßige zurückgehaltene Austenit zu vermeiden. - Thermo-mechanische Verarbeitung (TMT): Walzpläne und kontrollierte Abkühlung können die vorherige Austenitkornstruktur verfeinern und die Zähigkeit verbessern, ohne die Hochtemperaturfestigkeit zu opfern. - Reaktionsunterschiede: Es gibt keinen intrinsischen metallurgischen Unterschied zwischen T91 und P91 — Unterschiede in den Eigenschaften ergeben sich aus der genauen Wärmebehandlungstemperatur/-zeit und der thermo-mechanischen Geschichte, die durch den Produktstandard festgelegt ist. Eine ordnungsgemäße Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) ist entscheidend, um den Anlasstzustand wiederherzustellen und Restspannungen abzubauen.

4. Mechanische Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften variieren je nach Produktform, Wärmebehandlung und Hersteller. Typische Bereiche für normalisierte und vergütete Abschnitte für 9Cr–1Mo-Stähle sind:

Welches ist stärker/zäher/duktiler: - In der Praxis sind T91 und P91 metallurgisch gleichwertig; Unterschiede in den gemessenen Eigenschaften sind auf die Wärmebehandlungstemperatur, die Anlasstzeit und die Abschnittdicke zurückzuführen. Ordentlich normalisiertes und vergütetes Material bietet die erwartete Hochtemperaturfestigkeit und angemessene Zähigkeit bei Raumtemperatur. Dickere Abschnitte und unzureichendes Anlassen führen zu höherer Härte und geringerer Zähigkeit.

5. Schweißbarkeit

Überlegungen zur Schweißbarkeit ergeben sich aus dem Kohlenstoffäquivalent und der hohen Härtbarkeit durch Cr, Mo, V und Mikrolegierung. Häufig verwendete Indizes zur Vorhersage des Vorheiz- und PWHT-Bedarfs:

• International Institute of Welding Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Äquivalentes Pcm zur Vorhersage der Kaltverformungsempfindlichkeit: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation und Praxis: - Berechnetes CE und $P_{cm}$ für 9Cr–1Mo-Stähle weisen typischerweise auf eine moderate bis hohe Härtbarkeit im Vergleich zu Kohlenstoffstählen hin. Das impliziert zwingend kontrollierte Schweißverfahren: Vorwärmen, Interpass-Temperaturgrenzen und vollständige PWHT, um den Anlasstzustand wiederherzustellen und lokale Martensit und Restspannungen zu minimieren. - Sowohl T91 als auch P91 erfordern qualifizierte Schweißzusätze und PWHT gemäß dem Code (z. B. ASME), um akzeptable Zähigkeit und Kriechleistung in Schweißnähten und wärmebeeinflussten Zonen zu erreichen. - Aufgrund der ähnlichen Chemie ist die Schweißbarkeit im Wesentlichen gleich für T91 und P91, aber die Schweißverfahrensspezifikation muss dem Produktcode (Rohr vs. Rohrleitung) und der Dicke folgen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Diese sind keine rostfreien Stähle; die Korrosionsbeständigkeit ist auf eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen aufgrund des Cr-Gehalts beschränkt. Sie sind nicht für korrosive Umgebungen ohne Schutz vorgesehen.
• Übliche Schutzmaßnahmen: Lackieren, Hochtemperaturbeschichtungen, feuerfeste Auskleidungen und in einigen Fällen Verzinkung vor dem Einsatz (unterliegt Temperaturgrenzen). Für Dampfanwendungen ist die Kontrolle der internen Wasser-/Dampfchemie die übliche Korrosionsschutzstrategie.
• Die PREN-Formel (für rostfreie Leistung) ist nicht auf T91/P91 anwendbar, aber der Vollständigkeit halber: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — dieser Index gilt für rostfreie Stähle und ist für 9Cr–1Mo ferritische Stähle nicht aussagekräftig.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Zerspanbarkeit: Moderate Schwierigkeit. Die höhere Festigkeit und das Vorhandensein von Karbiden reduzieren die Zerspanbarkeit im Vergleich zu unlegierten Stählen. Verwenden Sie scharfe Werkzeuge, starre Aufbauten und geeignete Schnittgeschwindigkeiten. Hartmetallwerkzeuge werden für die Produktion empfohlen.
• Formbarkeit: Eingeschränkt; signifikantes Kaltumformen wird nicht empfohlen. Warmbearbeitung und kontrolliertes Walzen während der Herstellung sind bevorzugt. Biegen und Formen von fertig normalisiertem & vergütetem Material erfordert sorgfältige Prozesskontrolle; lokale Verformungen können Risse verursachen.
• Oberflächenbehandlung: Schleifen und Oberflächenbehandlungen sind Standard; die Wärmeaufnahme während des Schweißens und der Bearbeitung kann den lokalen Anlasstzustand verändern und erfordert nachfolgende PWHT oder lokale Anlasst.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie die Rohrbezeichnung und die entsprechenden Lieferanten, wenn die Bauteilgeometrie und der Code ASME SA‑213 T91-Rohre (z. B. Überhitzerwicklungen) erfordern. - Wählen Sie die Rohrbezeichnung, wenn Sie nahtlose/Hochtemperaturrohre gemäß ASME SA‑335 P91 für Hauptdampf-/Energieleitungsführungen spezifizieren. - In beiden Fällen sind die entscheidenden technischen Kriterien Betriebstemperatur, Entwurfsspannung/Kriechanforderung, Schweißbarkeit/PWHT-Fähigkeit und Code-Konformität.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: 9Cr–1Mo-Stähle sind teurer als gängige Kohlenstoffstähle und 1¼Cr–Mo-Stähle aufgrund der Legierungselemente und der erforderlichen strengeren Prozesskontrolle. Unter diesen ist T91/P91 eine hochwertige niedriglegierte Qualität.
• Verfügbarkeit nach Produktform: T91-Rohre werden weitgehend für Kessel- und Wärmetauscher-Märkte produziert; die Verfügbarkeit von P91-Rohren ist in großen Industriegebieten robust, aber die Lieferzeiten können variieren. Europäische Werke können EN-äquivalentes Material unter einer anderen Bezeichnung liefern; die Beschaffung sollte sowohl chemische/Wärmebehandlungsanforderungen als auch den genauen Standard (ASME vs. EN) spezifizieren, um Missmatch zu vermeiden.
• Langfristige Artikel: Groß-Durchmesser oder dickwandige nahtlose P91-Rohre und schwere Fertigungen können längere Lieferzeiten haben und sollten frühzeitig in der Beschaffung eingeplant werden.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Schlussfolgerungen: - Wählen Sie T91, wenn Sie Rohre (Kessel-/Überhitzer-/Wärmetauscherrohre) spezifizieren oder beschaffen und der geltende Code ASME SA‑213 T91 oder gleichwertige Rohrproduktformen verlangt. Verwenden Sie T91, wo die Produktform, die Maßtoleranzen und die Rohrherstellungspraktiken erforderlich sind. - Wählen Sie P91, wenn Sie nahtlose Rohre, Fittings oder Druckteile unter Codes wie ASME SA‑335 P91 spezifizieren oder wenn Beschaffungs- und Inspektionsprozesse auf Rohrprodukte ausgerichtet sind. Verwenden Sie P91 für Hauptdampfleitungen und Druckrohre, wo der Rohrcode und die Schweißverfahrensqualifikation auf P91 geschrieben sind.

Letzte praktische Anmerkung: Metallurgisch beziehen sich T91 und P91 auf dieselbe 9Cr–1Mo-Familie; die Entscheidung im Ingenieurdienst oder in der Beschaffung sollte daher durch die erforderliche Produktform, den anwendbaren Standard/code und die nachgelagerten Fertigungs- und Schweißverfahren und nicht durch wahrgenommene Unterschiede in der Materialleistung geleitet werden. Geben Sie immer genaue Chemiegrenzen, erforderliche Wärmebehandlung (Normalisierungs- und Anlasparameter), PWHT und mechanische Akzeptanzkriterien in den Einkaufsunterlagen an, um reproduzierbare Serviceleistungen sicherzustellen.