P11 против P22 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
P11 и P22 — это два широко используемых легированных сталей Cr–Mo для компонентов, содержащих давление, особенно для трубопроводов, коллекторов и котельных труб в энергетических и нефтехимических установках. Инженеры и команды по закупкам часто взвешивают компромиссы между высокой прочностью и способностью к работе при повышенных температурах и стоимостью, свариваемостью и ударной вязкостью при выборе между ними.
Основная отличительная черта заключается в более высоком содержании хрома и молибдена в P22 по сравнению с P11, что смещает характеристики в сторону большей прочности, сопротивления ползучести и закаливаемости за счет несколько сниженной свариваемости и более высокой стоимости материала. Поскольку они занимают соседние позиции в спектре легированных сталей Cr–Mo, эти марки обычно сравниваются при проектировании систем давления средней температуры (до нескольких сотен °C).
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты:
- ASTM/ASME: SA/SAE A335 P11, P22 (бесшовные ферритные легированные стальные трубы), A/SA 335, указанные для высокотемпературного применения.
- EN: Эквивалентные семейства марок Cr–Mo в стандартах EN (например, серии EN 10216/10222 имеют аналогичные семейства продуктов Cr–Mo).
- JIS/GB: Японские и китайские стандарты включают сопоставимые стали Cr–Mo с аналогичной химией и свойствами.
- Классификация:
- Обе марки P11 и P22 являются легированными сталями (ферритные хромомолибденовые марки), а не нержавеющими или инструментальными сталями. Они не классифицируются как HSLA в строгом смысле, но являются низколегированными сталями для сосудов под давлением, предназначенными для прочности при повышенных температурах и сопротивления ползучести.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: типичные номинальные диапазоны состава (в%, представительные для общих спецификаций и коммерческой практики)
| Элемент | P11 (типичный) | P22 (типичный) |
|---|---|---|
| C | 0.05–0.15 | 0.05–0.15 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.25–0.60 |
| Si | 0.10–0.50 | 0.10–0.50 |
| P | ≤0.03 | ≤0.03 |
| S | ≤0.03 | ≤0.03 |
| Cr | ~0.9–1.4 (≈1.0–1.25) | ~2.0–2.6 (≈2.25) |
| Mo | ~0.4–0.6 (≈0.5) | ~0.8–1.15 (≈1.0) |
| Ni | ≤0.40 | ≤0.40 |
| V, Nb, Ti, B, N | Следы/нет (в зависимости от производителя) | Следы/нет (в зависимости от производителя) |
Примечания: - Показанные значения являются типичными номинальными диапазонами из спецификаций для сосудов под давлением/труб, а не предельными значениями точного контроля для всех форм продуктов. Для критически важных проектов следует обращаться к конкретным сертификатам завода и стандартам. - Основная стратегия легирования заключается в том, что P22 имеет значительное дополнительное содержание Cr и Mo по сравнению с P11. Это увеличивает закаливаемость, прочность при высоких температурах и сопротивление окислению/коррозии в некоторых средах, в то время как P11 обеспечивает более простую химию с несколько лучшей свариваемостью и более низкой стоимостью материала.
Как легирование влияет на характеристики: - Хром увеличивает сопротивление окислению, закаливаемость и прочность при высоких температурах; он также способствует образованию карбидов, которые стабилизируют прочность при повышенной температуре. - Молибден укрепляет ферритную матрицу, улучшает сопротивление ползучести и увеличивает закаливаемость, улучшая сохранение прочности при повышенной температуре. - Углерод, Mn и Si устанавливают базовую прочность и закаливаемость; более высокий углерод повышает прочность, но может снизить свариваемость и ударную вязкость, если не контролировать.
3. Микроструктура и реакция на термическую обработку
Типичные микроструктуры: - В нормализованном и закаленном состоянии обе марки демонстрируют закаленный мартенсит или мартенситно-бейнитные микроструктуры в зависимости от скорости охлаждения и содержания легирующих элементов. P22, с более высоким содержанием Cr и Mo, более сильно способствует образованию мартенсита/бейнита и более высокой закаливаемости при том же термическом цикле, чем P11. - Микроструктуры в состоянии прокатки для обеих марок представляют собой закаленный перлит/феррит с дисперсными легированными карбидами (Cr–Mo карбиды).
Ответы на термическую обработку: - Нормализация (воздушное охлаждение выше A3) уточняет размер зерна и создает однородную микроструктуру. P22 обычно требует более высоких температур закалки для достижения сопоставимой ударной вязкости из-за увеличенной закаливаемости. - Закалка и отпуск: обе марки могут быть закалены и отжаты; P22 достигнет более высоких уровней прочности после той же закалки благодаря содержанию Cr–Mo, но графики отпуска должны быть настроены для восстановления ударной вязкости и снижения остаточной твердости. - Термомеханическая обработка: Контролируемая прокатка, за которой следует отпуск, улучшает ударную вязкость и сопротивление ползучести; добавки микроалюминирования (Nb, V, Ti), если они присутствуют, дополнительно уточняют размер зерна и закрепление дислокаций.
Практические соображения: - Более высокая закаливаемость P22 означает, что более толстые секции и крупные теплоотводы могут образовывать более твердые микроструктуры (риск холодной трещиноватости в зоне термического влияния сварки без предварительного подогрева). - Отпуск имеет решающее значение для балансировки прочности и ударной вязкости для обеих марок, особенно для рабочих температур, где ползучесть является проблемой.
4. Механические свойства
Таблица: качественное сравнение (типичные нормализованные и закаленные условия продукта)
| Свойство | P11 | P22 |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Умеренная | Выше |
| Предельная прочность | Умеренная | Выше |
| Удлинение (пластичность) | Как правило, выше | Немного ниже |
| Ударная вязкость (при комнатной температуре) | Хорошая при правильном отпуске | Хорошая, но может быть более чувствительной к термической обработке |
| Твердость (в поставке) | Ниже | Выше |
Объяснение: - P22, как правило, достигает более высоких прочностей на растяжение и предельной прочности в основном благодаря повышенному содержанию Cr и Mo, которое увеличивает прочность и закаливаемость. P11, как правило, более пластична и немного легче достигает прочных зон термического влияния после сварки. - Ударная вязкость для обеих марок может быть отличной при нормализации и правильном отпуске; однако более высокая закаливаемость P22 означает, что неправильный термический контроль может снизить вязкость в толстых секциях или плохо сваренных соединениях. - Баланс прочности и ударной вязкости можно регулировать через отпуск; проектирование должно указывать требуемую ударную энергию и термическую обработку для обеспечения соответствия.
5. Свариваемость
Факторы, влияющие на свариваемость: - Эквивалент углерода и закаливаемость являются основными показателями восприимчивости к закаливанию зоны термического влияния и холодной трещиноватости. Обе марки требуют предварительного подогрева и термической обработки после сварки (PWHT) для применения под давлением, но P22, как правило, требует более консервативного контроля. - Использование формул эквивалента углерода предоставляет качественную оценку свариваемости.
Общие индексы (только для интерпретации): - Эквивалент углерода IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Параметр Международного сварочного института: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Поскольку P22 имеет более высокое содержание Cr и Mo, значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ будут выше для P22, чем для P11 с аналогичной химией, что указывает на большую закаливаемость и более высокий риск закаливания зоны термического влияния и холодной трещиноватости. - Практические последствия: увеличение предварительного подогрева, контроль температур между проходами, низкогидрогеновые расходные материалы и PWHT при заданных температурах более критичны для P22, особенно в толстых секциях.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни P11, ни P22 не являются нержавеющими; коррозионная стойкость в влажных или химически агрессивных средах ограничена. Поведение по образованию хрома улучшается с увеличением содержания Cr, поэтому P22 предлагает умеренно лучшую стойкость к окислению при повышенных температурах и может образовывать более защитный оксидный слой в высокотемпературных окисляющих атмосферах.
- Для общей атмосферной или водной коррозии требуется защита поверхности: покраска, эпоксидные покрытия или оцинковка (где это совместимо) являются типичными. Для захороненных или подводных условий распространены эпоксидные покрытия и катодная защита.
- PREN не применим к этим не нержавеющим сталям; для контекста, PREN это: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Использование PREN имеет смысл только для нержавеющих марок, содержащих значительное количество никеля и азота; для P11/P22 содержание хрома и молибдена низкое по сравнению с нержавеющими сталями, поэтому планирование коррозионной стойкости должно основываться на покрытиях, ингибиторах и выборе материала.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: обе марки обрабатываемы в нормализованном/закаленном состоянии; более высокая прочность и твердость P22 могут снизить срок службы инструмента и потребовать более тяжелых параметров обработки по сравнению с P11.
- Формуемость/гибкость: Холодная формовка легче с P11 из-за более низкой предельной прочности и большей пластичности. P22 менее прощает в узких изгибах и может потребовать больших радиусов изгиба или формовки при повышенных температурах/контролируемых параметров изгиба.
- Финишная обработка: обе марки хорошо реагируют на стандартные операции финишной обработки; шлифовка и полировка являются простыми, когда они закалены до умеренной твердости.
- Практика сварки: для систем под давлением обе марки требуют квалифицированных сварочных материалов, совместимых с отпуском и PWHT, чтобы избежать хрупкости; P22 часто требует более жестких выборов сварочных материалов и строгого контроля процессов.
8. Типичные применения
| P11 (типичные применения) | P22 (типичные применения) |
|---|---|
| Трубки котлов низкой и средней температуры, коллекторы и трубопроводы, где приоритетом являются стоимость и свариваемость | Трубопроводы для высокотемпературного обслуживания, паровые линии, коллекторы и трубки супернагревателей/подогревателей, где требуется прочность при повышенных температурах |
| Структурные компоненты в электростанциях, где умеренное сопротивление ползучести является достаточным | Компоненты, подвергающиеся воздействию более высоких температур и давлений пара, где важны сопротивление ползучести и окислению |
| Теплообменники и сосуды под давлением в нефтехимическом обслуживании с умеренной температурой/давлением | Критически важные компоненты сосудов под давлением и трубопроводы на НПЗ и электростанциях, требующие более высокой прочности и лучшей стойкости к окислению при высоких температурах пара/газа |
Обоснование выбора: - Выбирайте P11, когда необходим баланс стоимости, легкости обработки и приемлемой производительности при повышенных температурах для умеренных условий эксплуатации. - Выбирайте P22, когда обслуживание связано с более высокими температурами, более высокими проектными напряжениями или когда улучшенное сопротивление ползучести и окислению оправдывают более высокую стоимость материала и обработки.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: P22, как правило, дороже, чем P11 из-за более высокого содержания хрома и молибдена и более строгих требований к обработке/термической обработке. Молибден является относительно дорогой добавкой для легирования.
- Доступность: обе марки распространены в бесшовных и свариваемых трубных продуктах; P11 и P22 широко доступны для энергетических и нефтехимических рынков. Доступность по форме продукта (труба, лист, кованые изделия) зависит от запасов завода и регионального предложения. Время ожидания для P22 может быть дольше в периоды нехватки молибдена на рынке.
10. Резюме и рекомендации
Таблица: сравнительное резюме (качественное)
| Атрибут | P11 | P22 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше (ниже закаливаемость) | Более требовательная (выше закаливаемость) |
| Баланс прочности и ударной вязкости | Умеренная прочность, хорошая пластичность | Более высокая прочность, может быть менее пластичной, если не закалена правильно |
| Стоимость | Ниже | Выше |
Рекомендации: - Выбирайте P11, если: - Вам нужна экономически эффективная легированная сталь Cr–Mo для систем давления средней температуры. - Легкость сварки, обработки и пластичность являются приоритетами. - Температуры и напряжения в эксплуатации находятся в пределах возможностей P11, и ползучесть не является контролирующим критерием проектирования. - Выбирайте P22, если: - Приложение требует более высокой прочности при повышенных температурах, улучшенного сопротивления ползучести или лучшей стойкости к окислению при высоких температурах пара/газа. - Вы можете внедрить более строгий контроль сварки, предварительный подогрев/PWHT и принять более высокую стоимость материала для улучшенной долговременной производительности.
Заключительная заметка: Укажите требуемую термическую обработку, ударную энергию, предварительный подогрев и PWHT в документах на закупку; проконсультируйтесь с сертификатами испытаний завода для фактической химии и механических свойств каждой партии. Для критически важных сосудов под давлением или конструкций при повышенных температурах подтвердите выбор данными о ползучести, долговременными свойствами и соответствием соответствующим нормам.