P22 против P91 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Выбор между P22 и P91 является распространенным техническим решением для инженеров, менеджеров по закупкам и планировщиков производства, работающих с оборудованием, удерживающим давление, и трубопроводными системами для высоких температур. Проблема выбора обычно сосредоточена на сроке службы при воздействии пара/тепла (производительность при ползучести), возможностях изготовления и сварки, а также общей установленной стоимости (материалы плюс сварка и термообработка). P22 (сплав класса 2.25Cr–1Mo) и P91 (сталь с микролегированием, упрочненная ползучестью 9Cr–1Mo) часто сравниваются, поскольку обе используются в энергетической и процессной отраслях, но нацелены на разные температурно-напряженные диапазоны и требования к изготовлению.

Основное техническое различие заключается в том, что P91 разработан для значительно более высокой долговечной прочности и сопротивления ползучести при повышенных температурах, в то время как P22 обеспечивает баланс адекватной прочности при высоких температурах с более легким изготовлением и более низкой стоимостью материала. Это различие определяет выбор материалов для компонентов, подвергающихся длительному воздействию пара или высокотемпературной эксплуатации.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты и обозначения:
• ASTM/ASME: A335 / SA335 P22 и P91 (бесшовные ферритные сплавные стальные трубы), ASTM A213, A335, ASME SA335.
• EN: Эквивалентные стали охватываются стандартами EN для давления, но могут иметь разные названия классов (например, 22CrMo и 9CrMo варианты).
• JIS/GB: Национальные стандарты будут перечислять близкие эквиваленты (например, 2.25Cr–1Mo и 9Cr–1Mo серии).
• Классификация:
• P22: низколегированная ферритная сталь (часто группируется с жаропрочными сталями Cr–Mo).
• P91: легированная/высокопрочная ферритная сталь с микролегированием (Cr–Mo–V–Nb) — считается ферритной сталью, улучшенной по ползучести (в некоторых контекстах похожей на HSLA, но специально разработанной для сопротивления ползучести при высоких температурах).

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица: Типичные диапазоны состава (мас. %) для P22 и P91 (представительные диапазоны по общим спецификациям).

Элемент	P22 (приблизительные диапазоны)	P91 (приблизительные диапазоны)
C	0.05 – 0.15	0.08 – 0.12
Mn	0.30 – 0.60	0.30 – 0.60
Si	0.10 – 0.50	0.20 – 0.60
P	≤ 0.03	≤ 0.02
S	≤ 0.03	≤ 0.01
Cr	2.00 – 2.60	8.00 – 9.50
Ni	≤ 0.40	≤ 0.40
Mo	0.80 – 1.10	0.85 – 1.05
V	– (следы)	0.15 – 0.25
Nb (Cb)	– (следы)	0.06 – 0.12
Ti	≤ 0.01	≤ 0.02
B	– (следы)	≤ 0.001
N	≤ 0.03	~0.03 – 0.09

Примечания: - Указанные диапазоны являются ориентировочными для типичных химических составов, используемых для соответствия спецификациям на основе ASME/ASTM. Точные пределы зависят от конкретного стандарта и поставщика. - P91 включает целенаправленное микролегирование (V, Nb, контролируемый N и B) для стабилизации мелкозернистых закаленных мартенситных микроструктур и улучшения сопротивления ползучести. P22 в основном полагается на умеренные добавки Cr и Mo для прочности при повышенных температурах.

Как легирование влияет на свойства: - Хром увеличивает сопротивление окислению/образованию окалины и прочность при температуре; более высокий Cr в P91 обеспечивает стабильную закаленную мартенситную матрицу при более высоких температурах. - Молибден улучшает прочность при высоких температурах и закаливаемость в обоих классах. - Ванадий и ниобий в P91 образуют карбидные/нитридные дисперсии, которые закрепляют границы зерен и замедляют рост ползучести/пустот, обеспечивая более высокую долговечную прочность. - Углерод и микролегирование уравновешивают закаливаемость, прочность и свариваемость — контролируемый уровень C в P91 выше, чем в некоторых низколегированных сталях, но управляется закалкой и дизайном легирования.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

P22: - Типичная микроструктура после нормализации и закалки: закаленный бейнит / ферритно-перлитная микроструктура в зависимости от точной термообработки. Обычная нормализация и закалка производят относительно грубую закаленную микроструктуру, подходящую для эксплуатации с паром при умеренных температурах. - Реакция на термообработку: P22 реагирует на нормализацию и закалку; чрезмерная закалка снижает прочность, но улучшает вязкость. Он не предназначен для тонкой мартенситной закаленной микроструктуры, наблюдаемой в P91.

P91: - Типичная микроструктура после нормализации и закалки: закаленный лентовидный мартенсит с высокой плотностью дислокаций и контролируемым распределением карбидов/нитридов V/Nb; эта тонкая, стабильная микроструктура обеспечивает высокое сопротивление ползучести. - Термомеханическая обработка и строгий контроль температуры нормализации и условий закалки критически важны для разработки желаемой микроструктуры и предотвращения хрупкости закалки или чрезмерной закалки. - P91 чувствителен к термообработке после сварки (PWHT) — правильная PWHT необходима для восстановления вязкости и снятия остаточных напряжений без увеличения размеров осадков.

Сравнение: - P91 достигает более высокой прочности и сопротивления ползучести, образуя закаленную мартенситную структуру, стабилизированную микролегированными осадками; P22 полагается на упрочнение Cr–Mo в более ферритной/бейнитной матрице. - Оба требуют контролируемой термообработки, но P91 обычно требует более строгого контроля (нормализуется при более высокой температуре и закаливается при определенных температурах) и последовательной PWHT для соответствия спецификациям по ползучести.

4. Механические свойства

Таблица: Сравнительные дескрипторы механических свойств в обычно поставляемых (нормализованных и закаленных) условиях.

Свойство	P22	P91	Комментарий
Прочность на растяжение	Средняя	Высокая	P91 обеспечивает значительно более высокую прочность на растяжение в закаленном состоянии благодаря мартенситной структуре и микролегированию.
Предельная прочность	Средняя	Высокая	P91 обеспечивает более высокую предельную прочность, что выгодно для тонких сечений при одинаковой нагрузке.
Удлинение (пластичность)	Хорошее	Умеренное	P22, как правило, более пластичен; P91 жертвует некоторой пластичностью ради прочности и сопротивления ползучести.
Ударная вязкость	Хорошая (при низких температурах)	Хорошая до отличной (при правильной термообработке)	P91 может достигать хорошей вязкости, но более чувствителен к процессу; неправильно термообработанный P91 может показать сниженные показатели вязкости.
Твердость	Умеренная	Выше	P91 демонстрирует более высокую твердость после закалки; твердость должна контролироваться, чтобы избежать хрупкости и соответствовать спецификациям по сварке/термообработке.

Интерпретация: - P91 является более прочным и устойчивым к ползучести материалом для эксплуатации при повышенных температурах, но достижение его механических свойств требует контролируемой обработки и PWHT. - P22 предлагает баланс прочности, вязкости и пластичности, подходящий для многих услуг до умеренных повышенных температур, и, как правило, более прощает в изготовлении.

5. Свариваемость

Соображения по свариваемости включают содержание углерода, содержание легирующих элементов, закаливаемость и наличие микролегирующих элементов. Прогностические формулы, обычно используемые для качественной оценки:

• Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (параметр свариваемости): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - P22: умеренный эквивалент углерода; обычно хорошая до удовлетворительной свариваемость с стандартными практиками предварительного подогрева и PWHT для более толстых сечений. Обычно сваривается в производстве электростанций с установленными процедурами. - P91: более высокая закаливаемость из-за более высокого содержания Cr и микролегирования; имеет более высокий эффективный CE и Pcm, что означает повышенный риск жесткой, хрупкой зоны термического влияния (HAZ), если сварка выполняется без строгого контроля. P91 требует тщательно контролируемых сварочных материалов, предварительного подогрева, температур межпроходной сварки и обязательной PWHT для восстановления вязкости и снятия остаточных напряжений. - На практике процедуры сварки P91 более требовательны и требуют квалифицированных сварочных процедур и сварщиков; соединения из различных металлов (например, P91 к P22 или к стандартной углеродной стали) требуют специальных переходных сварочных процедур.

6. Коррозия и защита поверхности

• Обе стали P22 и P91 являются не нержавеющими ферритными легированными сталями и полагаются на покрытия или барьерную защиту для сопротивления коррозии в водных или агрессивных атмосферах.
• Типичные защиты: покраска, оцинковка (где это совместимо), обшивка (например, сварочная наплавка или коррозионно-стойкая оболочка) или ингибиторы в закрытых системах.
• PREN (эквивалентный номер сопротивления образованию питтинга) не применим к этим не нержавеющим сталям; для нержавеющих классов индекс: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Для сопротивления окислению/образованию окалины при высоких температурах более высокое содержание Cr в P91 обеспечивает улучшенные характеристики по сравнению с P22, но ни один из классов не заменяет нержавеющие стали для коррозионно-критических условий.

7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: P22, как правило, легче обрабатывается из-за более низкой твердости и более простой микроструктуры. Более высокая твердость и легирование P91 могут увеличить износ инструмента и потребовать более медленных подач/скоростей резания.
• Формование/гиб: P22 более пластичен и прощает в операциях формования. Холодное формование P91 ограничено и обычно требует термических/формовочных стратегий или ограниченной деформации; горячее формование может использоваться, но требует тщательного контроля.
• Отделка: Подготовка поверхности и термообработки после изготовления (особенно PWHT для P91) добавляют этапы и стоимость. Контроль деформации при сварке более критичен для P91 из-за более высоких остаточных напряжений и твердости в HAZ.

8. Типичные применения

Таблица: Типичные применения для каждого класса и обоснование выбора.

P22 (2.25Cr–1Mo)	P91 (9Cr–1Mo–V–Nb)
Трубы для котлов и трубопроводы для пара умеренной температуры (субкритические и низкие супер-критические установки)	Трубопроводы для пара высокой температуры, коллекторы и компоненты в ультра-супер-критических и супер-критических котлах
Сосуды под давлением и теплообменники для эксплуатации при умеренных температурах	Компоненты, требующие долговечного сопротивления ползучести при более высоких температурах (например, линии высокого давления пара)
Общие процессные трубопроводы, где достаточна прочность при умеренных повышенных температурах	Основные трубопроводы пара электростанции, коллекторы подогревателя и суперподогревателя, а также компоненты, где критически важен срок службы при ползучести

Обоснование выбора: - Выбирайте P22, когда температуры и напряжения в эксплуатации умеренные, когда простота изготовления и контроль затрат являются приоритетами, и когда требования к долговечности ползучести менее строгие. - Выбирайте P91, когда проектные напряжения и температура требуют высокой прочности на ползучесть и долговременной стабильности; P91 позволяет уменьшить толщину сечения или продлить срок службы компонента в условиях высоких температур.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость материала: P91, как правило, дороже за килограмм, чем P22 из-за более высоких требований к легированию и обработке.
• Стоимость изготовления и жизненного цикла: P91 может требовать более дорогих сварочных расходных материалов, более строгой квалификации процедур и обязательной PWHT — что увеличивает установленную стоимость. Однако для высокотемпературной эксплуатации стоимость жизненного цикла может быть в пользу P91 из-за снижения замены и обслуживания, вызванного превосходной прочностью на ползучесть.
• Доступность: P22 широко доступен во многих формах продукции (плита, труба, фитинги) и обычно имеется на складе. P91 широко производится для генерации электроэнергии, но может иметь более длительные сроки поставки для определенных форм продукции и крупных или специализированных кованых изделий.

10. Резюме и рекомендации

Таблица: краткое сравнительное резюме.

Критерий	P22	P91
Свариваемость	Хорошая до удовлетворительной (стандартные процедуры)	Удовлетворительная до сложной (требует строгого контроля и PWHT)
Прочность–Вязкость (повышенная температура)	Умеренная	Высокая (превосходное сопротивление ползучести)
Стоимость (материал + изготовление)	Ниже	Выше
Изготовление / Обрабатываемость	Проще	Более требовательно

Выводы и рекомендации по выбору: - Выбирайте P22, если вам нужен экономически эффективный, легкий в изготовлении сплав Cr–Mo для умеренных повышенных температур, где долговечность ползучести не является основным критерием проектирования. Типичные контексты: обычные котловые трубы, сосуды под давлением умеренной температуры и общие процессные трубопроводы. - Выбирайте P91, если компонент должен выдерживать более высокие напряжения при повышенных температурах в течение длительного времени (например, супернагреватели/подогреватели/коллекторы в современных электростанциях), когда минимизация толщины стенки или продление срока службы оправдывает более высокие затраты на материал и изготовление. Убедитесь, что имеются квалифицированные сварочные процедуры, правильная металлургия присадочного материала и контролируемая PWHT.

Заключительная практическая заметка: Выбор материала всегда должен сочетаться с инженерными оценками рабочей температуры, напряжения, ожидаемого срока службы, возможностей сварки и инспекции, а также стоимости жизненного цикла. В случае сомнений по поводу высокотемпературной, долгоживущей эксплуатации проконсультируйтесь с кривыми данных по ползучести, применимыми правилами кодов (ASME BPVC/EN стандарты) и специалистом по материалам для подтверждения выбора между P22 и P91.