P11 против P22 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

P11 и P22 — это два широко используемых хромомолибденовых легированных сталей, которые предназначены для давления и высокотемпературного обслуживания, таких как котельные трубы, коллекторы и трубопроводы. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно взвешивают компромиссы между прочностью/устойчивостью к ползучести, свариваемостью, ударной вязкостью и стоимостью при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают выбор правильного сорта для работы при повышенных температурах (ползучесть против стоимости), указание практик предварительного подогрева и термической обработки после сварки (свариваемость и риск водородного растрескивания) и оптимизацию жизненного цикла затрат на интервалы замены.

Основная отличительная конструктивная особенность между этими двумя сортами — это их стратегия легирования: P22 содержит более высокое содержание хрома и молибдена, чем P11. Это композиционное различие обеспечивает более высокую прочность при высоких температурах и устойчивость к ползучести в P22, в то время как увеличивает закаливаемость и соображения по сварке/предварительному подогреву по сравнению с P11. Поскольку оба используются для аналогичных трубопроводов и сосудов под давлением, сравнение часто происходит во время выбора материала для электростанций, нефтеперерабатывающих заводов и нефтехимического оборудования.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты и обозначения:
• ASME/ASTM: ASME SA335 / ASTM A335 (бесшовные ферритные легированные стальные трубы): P11, P22.
• EN: Эквивалентные обозначения иногда указываются как 1.0–1.25Cr–0.5Mo и 2.25Cr–1Mo; конкретные номера EN варьируются в зависимости от продукта и термической обработки.
• JIS / GB: Региональные стандарты могут перечислять соответствующие сорта (обратитесь к конкретным таблицам стандартов для точного перекрестного ссылки).
• Класс материала:
• Оба P11 и P22 являются легированными сталями (хромомолибденовые ферритные стали), предназначенными для работы при повышенных температурах. Они не являются нержавеющими сталями, инструментальными сталями или сталями HSLA в обычном смысле.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица обобщает относительные уровни общих элементов, а не абсолютные проценты; это позволяет избежать представления конкретных числовых значений, которые зависят от точной спецификации и поставщика.

Элемент	P11 (относительный уровень)	P22 (относительный уровень)
C	Низкий–Умеренный	Низкий–Умеренный
Mn	Низкий–Умеренный	Низкий–Умеренный
Si	Низкий–Умеренный	Низкий–Умеренный
P	Следы / Контролируемый	Следы / Контролируемый
S	Следы / Контролируемый	Следы / Контролируемый
Cr	Умеренный (ниже)	Выше (заметно выше)
Ni	Следы / Низкий	Следы / Низкий
Mo	Умеренный (ниже)	Выше (заметно выше)
V	Следы / Возможное микроалюминирование	Следы / Возможное микроалюминирование
Nb (Nb/Ta)	Обычно не добавляется	Обычно не добавляется
Ti	Следы / Контролируемый	Следы / Контролируемый
B	Обычно не указывается	Обычно не указывается
N	Контролируемые низкие уровни	Контролируемые низкие уровни

Объяснение: - P11 формулируется с умеренными добавками хрома и молибдена для обеспечения прочности и устойчивости к ползучести при повышенных температурах, сохраняя относительно хорошую свариваемость. Его легирование консервативно. - P22 увеличивает уровни хрома и молибдена для повышения прочности при высоких температурах, устойчивости к окислению и устойчивости к ползучести; эти увеличения также повышают закаливаемость и могут сделать сварку и термическую обработку более требовательными. - Другие элементы, такие как Mn и Si, присутствуют на аналогичных, контролируемых уровнях в обоих сортах и в основном влияют на декарбонизацию, прочность и ударную вязкость. - Очень низкие и строго контролируемые уровни примесей (P, S, N) важны для ударной вязкости и высокотемпературной производительности в обоих сортах.

Как легирование влияет на свойства: - Хром и молибден увеличивают закаливаемость, прочность при повышенных температурах и производительность при ползучести; хром также способствует устойчивости к окислению. - Углерод увеличивает прочность, но снижает свариваемость и ударную вязкость, если его слишком много. - Микроалюминирующие элементы (V, Nb, Ti) могут улучшить размер зерна и повысить прочность на ползучесть за счет упрочнения осаждением, когда они присутствуют намеренно.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

Типичные микроструктуры и поведение при термической обработке: - Базовая микроструктура после нормализации и отпускания: оба сорта развивают закаленную мартенситную или закаленную бейнитную ферритную микроструктуру в зависимости от скорости охлаждения и уровня легирования. Правильная нормализация улучшает размер зерна аустенита; отпускание снижает твердость, восстанавливая ударную вязкость. - P11: С его более низким содержанием легирующих элементов P11 обычно образует закаленный мартенсит или закаленный бейнит с относительно легкой реакцией на отпуск. Он принимает стандартные циклы нормализации и отпускания, используемые для низколегированных Cr–Mo сталей, и прощает в окнах термической обработки. - P22: Более высокий Cr и Mo увеличивают закаливаемость и замедляют бейнитные/мартенситные превращения; при быстром охлаждении микроструктура после закалки может быть более твердой и более мартенситной. Отпускание необходимо для восстановления ударной вязкости и корректировки свойств ползучести; P22 может требовать более контролируемой термической обработки, чтобы избежать перетемпературы или сохранения градиентов твердости. - Термомеханическая обработка: Ни один из сортов обычно не обрабатывается с агрессивным TMCP для высокопрочных плит, используемых в конструкционных сталях; для компонентов стандартным маршрутом является контролируемая горячая обработка, за которой следует нормализация и отпускание для получения надежной закаленной микроструктуры. - Соображения по ползучести: Легирование P22 поддерживает более высокую прочность на ползучесть при повышенных температурах; стабильность карбидов (Cr- и Mo-богатые карбиды) и их распределение после отпускания являются ключевыми для долгосрочной производительности.

4. Механические свойства

Следующая таблица предоставляет качественные сравнительные дескрипторы; фактические значения зависят от спецификации и термической обработки.

Свойство	P11 (типично)	P22 (типично)
Прочность на растяжение	Умеренная	Выше
Предельная прочность	Умеренная	Выше
Удлинение (пластичность)	Хорошее	Хорошее, но немного сниженное
Ударная вязкость	Хорошая (особенно после правильного отпуска)	Хорошая при правильном отпуске; может быть более чувствительной к термической обработке
Твердость (в состоянии термической обработки)	Умеренная	Выше (может быть выше до отпуска)

Интерпретация: - P22, как правило, достигает более высокой прочности на растяжение и предельной прочности, а также превосходной устойчивости к ползучести при повышенных температурах благодаря более высокому содержанию Cr–Mo и более стабильным карбидным фазам. - P11 часто предлагает немного лучшую легкость достижения ударной вязкости, с несколько более низкой закаливаемостью и, следовательно, меньшими осложнениями при сварке/термической обработке во многих производственных условиях. - Оба сорта могут быть произведены для достижения конкретных целей по ударной вязкости и прочности через правильную нормализацию и отпускание; окончательные свойства зависят от термической обработки.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит от углеродного эквивалента и закаливаемости. Два часто используемых эмпирических дескриптора — это углеродный эквивалент IIW и более комплексный 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, с его более высоким содержанием хрома и молибдена, вносит больший вклад в термины закаливаемости в $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$; таким образом, сварные зоны более подвержены образованию твердого мартенсита и требуют более тщательного контроля (предварительный подогрев, температура между проходами и термическая обработка после сварки — PWHT). - P11 обычно имеет более низкий расчетный углеродный эквивалент от Cr и Mo, что облегчает сварку стандартными процедурами; часто возможна меньшая строгость предварительного подогрева/PWHT. - Оба материала обычно требуют PWHT в приложениях для сосудов под давлением и трубопроводов, чтобы уменьшить остаточные напряжения и отжечь любые твердые микроструктуры, образовавшиеся в зоне термического воздействия (HAZ). - Водородное холодное растрескивание: поскольку P22 более закаливаемый, он более подвержен растрескиванию HAZ, если водород и сжатие не контролируются; требуются строгие процедуры для предварительного подогрева, выбора расходных материалов и контроля водорода. - Расходные материалы: выбираются соответствующие или превышающие по содержанию легирующих элементов filler metals для удовлетворения требований по прочности и высокотемпературным условиям; выбор filler должен учитывать совместимость PWHT и производительность при ползучести.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни P11, ни P22 не являются нержавеющими сплавами; они полагаются на покрытия, покраску, оцинковку (где это применимо для низкотемпературного воздействия) или обшивку для коррозионных сред.
• Большее содержание хрома в P22 обеспечивает несколько улучшенную устойчивость к окислению при повышенных температурах по сравнению с P11, но это не эквивалентно устойчивости к коррозии нержавеющих сталей.
• Для водной коррозии или сильно коррозионных процессов требуется обшивка нержавеющими сортами или коррозионные запасы.
• PREN (эквивалентный номер устойчивости к питтингу) используется для нержавеющих сплавов и не применим к этим низколегированным Cr–Mo сталям, но для ясности формула PREN:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Поскольку PREN предназначен для нержавеющих сталей, его не следует использовать для оценки P11/P22; их коррозионные характеристики должны быть спроектированы путем выбора защитных систем, обшивок материалов или коррозионных запасов в зависимости от окружающей среды.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость:
• Оба сорта обрабатываются удовлетворительно в нормализованном и отпущенном состоянии, но P22 может быть более абразивным и упрочняться, если параметры резки не оптимизированы из-за более высокой закаливаемости и содержания карбидов.
• Формуемость / изгиб:
• P11, как правило, легче поддается холодной формовке и изгибу без агрессивного предварительного подогрева, чем P22 из-за более низкого содержания легирующих элементов; однако оба обычно формуются в нормализованном состоянии или с помощью контролируемых горячих изгибов.
• Обработка поверхности и отделка:
• Более высокие легированные частицы и карбиды в P22 могут увеличить износ инструмента в операциях отделки; укажите соответствующие инструменты и подачи.
• Рекомендации:
• Выполняйте формовку и обработку в нормализованном/отпущенном состоянии, а не в состоянии после прокатки или сварки.
• Используйте соответствующее охлаждение, резательные жидкости и материалы для инструмента (покрытые карбиды или керамика для высоколегированных резов).

8. Типичные применения

P11 — Типичные применения	P22 — Типичные применения
Трубопроводы низкого давления или умеренной температуры, коллекторы и фитинги, где стоимость и свариваемость являются приоритетами	Паровые трубопроводы высокой температуры, детали под давлением и компоненты, требующие превосходной прочности на ползучесть и устойчивости к окислению
Трубы и компоненты теплообменников, где умеренная устойчивость к ползучести является достаточной	Главные паровые линии, коллекторы супернагревателей/подогревателей и компоненты в приложениях электростанций с умеренной и высокой температурой
Экономичные запасные части, где температура эксплуатации не является экстремальной	Критические компоненты сосудов под давлением и трубопроводы в угольных или комбинированных циклах, где требуется более длительный срок службы при ползучести
Универсальные легированные стальные трубопроводы в нефтехимическом обслуживании с менее строгими требованиями к температуре	Компоненты, требующие более высокого допустимого напряжения при температуре или уменьшенной толщины для того же проектного напряжения

Обоснование выбора: - Выбирайте P22, когда более высокая долговечная прочность при повышенной температуре, устойчивость к окислению и срок службы при ползучести являются основными факторами проектирования. - Выбирайте P11, когда более низкая стоимость и легкость обработки/сварки являются приоритетами, а требования к температуре/ползучести умеренные.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость:
• P22, как правило, имеет более высокую цену на материал, чем P11 из-за увеличенного содержания Cr и Mo и более строгой обработки для высокотемпературной производительности.
• P11 обычно более экономичен и широко представлен на складах труб и фитингов.
• Формы продуктов и доступность:
• Оба сорта обычно доступны в виде бесшовных труб, сварных труб, фитингов, фланцев и плит для сосудов под давлением; однако сроки поставки для P22 могут быть длиннее для специализированных толщин плит или кованых компонентов.
• Доступность может варьироваться по регионам; инженеры по закупкам должны подтвердить сроки поставки для требуемой формы продукта и любой указанной термической обработки.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное):

Критерий	P11	P22
Свариваемость	Проще (обычно более низкая строгость предварительного подогрева/PWHT)	Более требовательная (более высокий предварительный подогрев/PWHT; риск растрескивания HAZ)
Прочность–Ударная вязкость (повышенная температура)	Умеренная прочность, хорошая ударная вязкость	Более высокая прочность и устойчивость к ползучести, ударная вязкость зависит от термической обработки
Стоимость	Низкая стоимость материала	Высокая стоимость материала

Выводы и практическое руководство: - Выбирайте P11, если: - Проектная температура и требуемый срок службы при ползучести умеренные, а стоимость и легкость обработки/сварки являются значительными ограничениями. - Вы хотите более прощенную сварочную процедуру с меньшей строгостью предварительного подогрева/PWHT в производственных или полевых условиях. - Проект допускает материал с более низким содержанием Cr/Mo и соответственно более низким допустимым напряжением при температуре.

• Выбирайте P22, если:
• Приложение требует более высокой прочности при повышенной температуре, более длительного срока службы при ползучести или лучшей устойчивости к окислению при рабочих температурах.
• Вы можете применить более строгий контроль сварки, предварительный подогрев и PWHT, и вы принимаете более высокую стоимость материала для более длительного срока службы или уменьшенной толщины сечения.
• Проектные нормы или требования к допустимым напряжениям указывают на более высокий температурный рейтинг, который соответствует производительности P22.

Заключительная заметка: Оба P11 и P22 являются зрелыми, хорошо изученными материалами с десятилетиями применения в энергетике и процессных отраслях. Решение должно основываться на требованиях к проектной температуре и сроку службы при ползучести, возможностях сварки и обработки, моделировании жизненного цикла затрат и конкретных требованиях кодов/контрактов. В случае сомнений проведите целенаправленную инженерную оценку, включая кривые допустимого напряжения против температуры, квалификацию сварочной процедуры и проверку поставщика на возможность термической обработки, чтобы гарантировать, что выбранный сорт соответствует долгосрочным ожиданиям по эксплуатации.