A335 P11 против P22 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
ASTM A335 P11 и P22 — это два широко используемых хромомолибденовых легированных сталей для высокотемпературных прессованных частей, таких как трубопроводы, коллекторы и котельные трубы. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно взвешивают компромиссы между стоимостью, прочностью при высоких температурах, свариваемостью и долговременной стойкостью к ползучести при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают соответствие прочности и вязкости материала рабочей температуре, спецификацию сварочных процедур для изготовления и балансировку жизненного цикла затрат с первоначальной ценой покупки.
Основное техническое различие между этими марками заключается в уровне легирования хромом и молибденом: P22 содержит значительно больше хрома и молибдена, чем P11, что напрямую влияет на закаливаемость, прочность при высоких температурах и стойкость к окислению. Поскольку обе стали являются хромомолибденовыми ферритными сплавами, предназначенными для работы при повышенных температурах, их часто сравнивают при выборе материалов для котлов, трубопроводов перегретого пара и сосудов под давлением.
1. Стандарты и обозначения
- ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (Бесшовные ферритные легированные стальные трубы для высокотемпературного применения)
- Марка P11 (часто обозначается как 1.25Cr–0.5Mo номинально)
- Марка P22 (часто обозначается как 2.25Cr–1Mo номинально)
- EN: Сравнимые марки доступны в системах стандартов EN (например, P11 ≈ 13CrMo4-5 или аналогичные семейства; P22 ≈ 2.25Cr–1Mo закаленные стали)
- JIS/GB: Национальные стандарты предоставляют примерно эквивалентные закаленные стали Cr–Mo, используемые для высокотемпературных трубопроводов и сосудов.
- Классификация: Обе марки P11 и P22 являются легированными сталями (ферритные Cr–Mo стали), а не нержавеющими или инструментальными сталями; они используются для высокотемпературных компонентов, удерживающих давление, и не являются HSLA в современном понимании.
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице ниже приведены типичные номинальные диапазоны состава (вт%), используемые в промышленной практике для A335 P11 и P22. Значения представлены как репрезентативные диапазоны, а не как точные гарантированные минимумы/максимумы из конкретной спецификации покупки.
| Элемент | A335 P11 (типично, вт%) | A335 P22 (типично, вт%) |
|---|---|---|
| C | 0.08 – 0.15 | 0.08 – 0.15 |
| Mn | 0.25 – 0.60 | 0.25 – 0.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.10 – 0.50 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| Cr | ~0.90 – 1.30 | ~2.00 – 2.50 |
| Ni | ≤ 0.40 (следы) | ≤ 0.40 (следы) |
| Mo | ~0.40 – 0.65 | ~0.85 – 1.05 |
| V | обычно следы | обычно следы |
| Nb (Cb) | обычно следы | обычно следы |
| Ti | обычно следы | обычно следы |
| B | обычно следы | обычно следы |
| N | следы | следы |
Как легирование влияет на производительность: - Хром: улучшает стойкость к окислению/коррозии при повышенной температуре и способствует закаливаемости и прочности при высоких температурах. Более высокий Cr в P22 увеличивает его стойкость к образованию накипи и улучшает сохранение прочности при рабочих температурах. - Молибден: укрепляет феррит при повышенной температуре, улучшает прочность на ползучесть и увеличивает закаливаемость. Более высокое содержание Mo в P22 обеспечивает лучшую прочность на ползучесть и высокую температуру по сравнению с P11. - Углерод и марганец: основные факторы, способствующие прочности и закаливаемости; обе марки поддерживают умеренное содержание углерода для балансировки свариваемости и прочности. - Неосновные элементы и микроалюминирование (V, Nb, Ti) могут присутствовать в следовых количествах и могут улучшать структуру зерна и упрочнять матрицу при специфической обработке.
3. Микроструктура и реакция на термическую обработку
Типичные микроструктуры: - В состоянии производства и нормализации: обе марки обычно показывают закаленную мартенситную/байнитную ферритную микроструктуру после нормализации и закалки, которые обычно специфицируются для прессованных частей. - После закалки и отпускания (где это применимо для тяжелых сечений или кованых изделий): закаленная мартенситная структура с осаждением карбидов (Cr/Mo-богатые карбиды) обеспечивает высокую прочность и стойкость к ползучести. - Термомеханическая обработка: контролируемая прокатка может улучшить размер зерна и повысить вязкость для обеих марок, хотя содержание легирующих элементов контролирует легкость улучшения.
Эффекты термической обработки: - Нормализация, за которой следует отпуск, улучшает размер зерна, преобразует прокатанные микроструктуры в однородную закаленную мартенситную/байнитную матрицу и осаждает карбиды Cr–Mo, которые способствуют прочности при высоких температурах. - Более высокий Cr и Mo в P22 способствуют большему объему легированных карбидов и замедляют размягчение при повышенных температурах; обычно требуется режим отпускания, адаптированный для балансировки твердости и вязкости для более толстых сечений. - P11 менее легирован и, следовательно, несколько легче получить соответствующую вязкость после стандартных циклов нормализации/отпуска, но имеет более низкую долговременную прочность при очень высоких температурах по сравнению с P22.
4. Механические свойства
Ниже приведены репрезентативные диапазоны свойств для нормализованного и закаленного состояния, обычно используемого в проектировании. Фактические гарантированные свойства зависят от формы продукта и конкретной термической обработки.
| Свойство (при комнатной температуре, если не указано) | A335 P11 (типично) | A335 P22 (типично) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | ~415 – 550 | ~415 – 620 |
| Предельная прочность (0.2% смещение, МПа) | ~240 – 360 | ~260 – 400 |
| Удлинение (%) | ~20 – 25 | ~18 – 22 |
| Ударная вязкость по Шарпи V-образный вырез (Дж, нормализованный) | Обычно хорошая при комнатной температуре; сохраняет вязкость при правильной термической обработке | Сравнимая или немного меньшая пластичность при той же прочности из-за более высокого легирования |
| Твердость (HB или HRC) | Умеренная (например, диапазон HB 150–220 в зависимости от термической обработки) | Немного выше для эквивалентного отпуска из-за легирования |
Интерпретация: - P22 обычно обеспечивает более высокую прочность при высоких температурах и стойкость к ползучести из-за большего содержания Cr и Mo; это часто переводится в возможность безопасной работы при более высоких температурах или с уменьшенной толщиной стенки для заданного срока службы. - P11, как правило, более пластична и немного легче поддается термической обработке для вязкости в определенных толщинах, но обеспечивает более низкую долговременную прочность при повышенных температурах.
5. Свариваемость
Свариваемость зависит от углеродного эквивалента, закаливаемости и микроалюминирования. Два широко используемых эмпирических измерения — это углеродный эквивалент IIW и Pcm:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - P22 имеет более высокий Cr и Mo, что увеличивает $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ относительно P11, что подразумевает более высокую восприимчивость к закаливанию в зоне термического влияния и большую необходимость в предварительном нагреве и контролируемых интерпассных температурах. - Обе марки обычно свариваются в промышленности; рекомендуемые практики включают низкогидрогенные электроды, специфицированный предварительный нагрев (а иногда и термическую обработку после сварки — PWHT) и квалификацию сварочных процедур. P22 чаще требует более консервативных режимов предварительного нагрева/PWHT для более толстых сечений из-за более высокой закаливаемости. - Контроль водорода, интерпассной температуры и PWHT имеет решающее значение для предотвращения трещин, вызванных водородом, и для отпускания твердости HAZ.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни P11, ни P22 не являются нержавеющими; оба будут корродировать при воздействии водных или агрессивных сред. Выбор определяется механическим поведением и поведением при высокотемпературном окислении, а не общей стойкостью к коррозии.
- Для внешней или атмосферной защиты: можно применять оцинковку, системы покраски/покрытия или термальные спреи в зависимости от условий эксплуатации.
- Для внутренней защиты в коррозионных процессах: типичными стратегиями являются обшивка (например, сварная обшивка с коррозионно-стойкими сплавами), покрытия или проектирование с учетом коррозионного запаса.
- PREN (эквивалентный номер стойкости к образованию ямок) используется для нержавеющих сплавов и не применим для ферритных сталей Cr–Mo. Для нержавеющих сплавов используется:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Но этот индекс не имеет значения для A335 P11 и P22, поскольку их содержание Cr ниже порогов нержавеющих сталей, и они не имеют высокого содержания N и Ni, характерного для нержавеющих марок.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: обе марки обрабатываются умеренно хорошо в нормализованном/отпущенном состоянии. P22 может быть немного более жесткой для режущих инструментов из-за более высокого легирования и в результате осажденных карбидов. Элементы, образующие карбиды (Cr, Mo), увеличивают абразивность инструмента.
- Формуемость: обе марки менее формуемы, чем обычные углеродные стали при холодной обработке; формование обычно выполняется в нормализованном или отожженном состоянии с учетом радиусов изгиба. Для трубопроводов и труб формование является обычным, но возврат пружины и риск трещин в сильно холоднообработанных областях являются важными факторами.
- Обработка поверхности: шлифовка, токарная обработка и отделка сваркой являются стандартными; рекомендуется обращать внимание на остаточные напряжения и избегать перегрева при обработке P22, чтобы предотвратить локальное увеличение твердости.
8. Типичные применения
| A335 P11 – Типичные применения | A335 P22 – Типичные применения |
|---|---|
| Трубопроводы пара при низких и умеренных температурах, коллекторы и фитинги, где важна чувствительность к стоимости и температуры умеренные | Трубопроводы пара при высоких температурах, трубы перегревателя/подогревателя и сосуды под давлением, где необходима высокая прочность на ползучесть и стойкость к окислению |
| Котлы и теплообменники в менее суровых зонах с высокими температурами | Главные паровые линии электростанций, трубопроводы горячего подогрева и компоненты для работы при более высоких проектных температурах |
| Трубопроводы нефтяных и химических заводов для умеренных температур | Нагреватели процессов нефтехимии с высокой нагрузкой и компоненты, удерживающие давление при повышенных температурах |
Обоснование выбора: - Выбирайте P11 для применения, где приоритетом являются номинально более низкая максимальная рабочая температура, более низкая стоимость материала и более легкая обработка. - Выбирайте P22, когда применение требует более высокой прочности на ползучесть, лучшего сохранения механических свойств при повышенных температурах или улучшенной стойкости к образованию накипи/окислению.
9. Стоимость и доступность
- Доступность: обе марки обычно имеются в наличии в виде бесшовных и сварных труб, фитингов и некоторых кованых изделий; P11 и P22 являются стандартными марками во многих цепочках поставок для энергетики и процессных заводов.
- Стоимость: P22 обычно дороже, чем P11 из-за более высокого содержания Cr и Mo. Дополнительные затраты могут быть оправданы более длительным сроком службы, возможностями проектирования более тонких стенок или снижением затрат на обслуживание.
- Форма продукта: обе марки легко доступны в виде труб, трубок и пластин для сосудов под давлением; сроки поставки обычно короткие для стандартных размеров, но могут увеличиваться для крупных кованых изделий или специальных термических обработок.
10. Резюме и рекомендации
| Аспект | A335 P11 | A335 P22 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (ниже содержание легирующих элементов → ниже CE) | Немного более требовательная (более высокий Cr/Mo → выше CE; требует большего предварительного нагрева/PWHT) |
| Прочность–вязкость при РТ | Умеренная прочность, хорошая пластичность | Более высокая прочность при температуре, сопоставимая или немного меньшая пластичность при эквивалентной прочности |
| Высокая температура / Стойкость к ползучести | Достаточно для умеренных повышенных температур | Превосходная для более высоких температур и более длительных сроков ползучести |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Рекомендации: - Выбирайте P11, если вам нужен экономически эффективный Cr–Mo сплав для умеренной работы при повышенных температурах, где не требуется обширная PWHT или агрессивная стойкость к ползучести при высоких температурах, и где немного лучшая холодная пластичность и более легкие сварочные процедуры являются преимуществом. - Выбирайте P22, если проект требует более высокой долговременной прочности и стойкости к ползучести при повышенных температурах, улучшенной стойкости к образованию накипи или возможности более тонких стенок для заданного срока службы — и вы можете учесть более строгие требования к сварке и термической обработке после сварки и немного более высокую стоимость материала.
Заключительная заметка: для критически важных компонентов, удерживающих давление, всегда уточняйте спецификацию материала, требуемую термическую обработку и сварочную процедуру у металлурга проекта или кодового органа (ASME), чтобы обеспечить совместимость с проектной температурой, допустимыми напряжениями и ограничениями по обработке.