P22 против P91 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
P22 и P91 — две широко используемые отпущенные легированные стали для компонентов, работающих под давлением, в энергетике, нефтехимии и тяжёлой промышленности. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между ними: более низкая стоимость материала и изготовления при приемлемой высокотемпературной прочности против большей теплостойкости и длительной сопротивляемости ползучести, требующей более строгого контроля производства.
Основное различие заключается в их предназначении для работы при повышенных температурах: одна марка оптимизирована для умеренной высокотемпературной прочности с более простой обработкой, другая — для значительно большей сопротивляемости ползучести при температуре пара и технологических процессах за счёт повышенного легирования и микролегирования. Поскольку обе марки встречаются в схожих спецификациях ASME/ASTM (трубы, фасонные изделия, поковки), их часто сравнивают при модернизации систем, замене компонентов или проектировании нового оборудования под давление.
1. Стандарты и обозначения
- ASTM / ASME:
- P22 — ASTM A335 / ASME SA335 P22 (часто указывается как 2.25Cr–1Mo)
- P91 — ASTM A335 / ASME SA335 P91 (9Cr–1Mo–V–Nb, также известная как Grade 91)
- EN / европейские: эквиваленты обычно представлены сталями из семейств 13Cr и мартенситными 9–12%Cr; прямого числового соответствия нет.
- JIS / GB: национальные стандарты могут содержать близкие функциональные аналоги, но необходимо проверять специфику химсостава и режимы термообработки.
- Классификация: обе марки — легированные стали (не нержавеющие и не инструментальные). Это высокопрочные жаропрочные легированные стали, предназначенные для работы при повышенных температурах. P22 — низколегированная Cr–Mo сталь; P91 — высокохромистая мартенситная сплав с повышенной сопротивляемостью ползучести и микролегированием.
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице представлены типичные диапазоны состава (мас.%) для P22 и P91, принятые в промышленности и стандартами. Значения приведены для ориентира; для закупки следует руководствоваться соответствующей спецификацией или сертификатом завода-изготовителя.
| Элемент | P22 (типичный диапазон, мас.%) | P91 (типичный диапазон, мас.%) |
|---|---|---|
| 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 – 0.50 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.020 |
| S | ≤ 0.015 | ≤ 0.010 |
| Cr | 2.0 – 2.6 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.85 – 1.05 | 0.85 – 1.05 |
| V | следы – низкий уровень | 0.10 – 0.25 |
| Nb (Nb+Ta) | следы – низкий уровень | 0.06 – 0.12 |
| Ti | — | ≤ 0.02 (при необходимости) |
| B | — | ≤ 0.001 (микролегирование) |
| N | ≤ 0.015 | 0.03 – 0.07 |
Влияние легирования на свойства: - Хром и молибден повышают жаропрочность и закаливаемость; увеличение Cr с ~2.3% (P22) до ~9% (P91) — ключевой химический фактор, повышающий прочность при повышенных температурах и стойкость к окислению. - Ванадий и ниобий в P91 формируют стабильные карбиды/нитриды, которые закрепляют границы зерен и снижают отпускную хрупкость, улучшая сопротивление ползучести и стабильность при высокой температуре. - Уровни углерода и азота контролируются для баланса прочности и свариваемости; более высокий углерод повышает прочность, но увеличивает закаливаемость и риск холодных трещин. - Микролегирующие элементы (V, Nb, B) в P91 добавляются для улучшения сопротивления ползучести за счёт упрочнения осадками и уточнения зерна при отпуске.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - P22: в нормализованном и отпущенном состоянии показывает отпущенную байнитно/ферритную структуру с дисперсными карбидами (Cr–Mo карбиды). Менее склонна к образованию сильно закалённого мартенсита при обычной обработке, что облегчает сварку и термообработку. - P91: мартенситная сталь после закалки; обычно поставляется в нормализованном и отпущенном состоянии с отпущенной мартенситной структурой и мелкими дисперсными осадками типа M23C6 и MX (карбиды/нитриды V/Nb), обеспечивающими сопротивление ползучести и стабильность при повышенных температурах.
Влияние термообработки: - Нормализация (воздушное охлаждение с заданной температуры аустенитизации) и отпуск необходимы для обеих марок, но особенно важны для P91 для формирования отпущенной мартенситной структуры и осаждения упрочняющих карбидов/нитридов. - Закалка и отпуск (для поковок) должны быть строго контролируемыми у P91, чтобы избежать чрезмерной твёрдости, снижающей свариваемость, и обеспечить выполнение параметров последующей термообработки после сварки (PWHT). - Термо-механические обработки и стабилизация отпуска: P91 выигрывает от контролируемых режимов обработки и отпуска для стабилизации осадков, стойких к ползучести; передержка отпуска или неправильный PWHT могут снизить прочность или вызвать отпускную хрупкость.
4. Механические свойства
Типичные диапазоны механических свойств (комнатная температура, нормализованное и отпущенное; конкретные значения зависят от формы изделия и точного режима термообработки):
| Свойство | P22 (типично) | P91 (типично) |
|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву (MPa) | ~415 – 585 | ~620 – 850 |
| Предел текучести (0.2%, MPa) | ~250 – 350 | ~450 – 650 |
| Относительное удлинение (%) | ~20 – 25 | ~15 – 25 |
| Ударная вязкость (испытание на образцах с V-образным надрезом, Дж) | средняя; хорошая при комнатной температуре | обычно хорошая; рассчитана на высокотемпературную вязкость |
| Твёрдость (HRC / HB) | ~170–220 HB (вариативно) | ~200–300 HB (зависит от состояния) |
Интерпретация: - P91 значительно прочнее по пределу текучести и временного сопротивления при правильном нормализовании и отпуске, преимущественно из-за более высокого содержания Cr и микролегирования. - Пластичность (удлинение) у P91 схожа или немного ниже по сравнению с P22 в некоторых условиях из-за повышенной прочности и наличия отпущенного мартенсита. - Вязкость удара может быть отличной у обеих марок при выполнении правильной термообработки и последующей термообработки после сварки; для P91 важен правильный режим обработки, чтобы избежать хрупких мартенситных зон.
5. Свариваемость
Оценка свариваемости базируется на эквиваленте углерода, закаливаемости и микролегировании. Используются распространённые эмпирические индексы для качественной оценки.
Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Альтернативный индекс Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - P22 имеет меньший эквивалент углерода благодаря более низкому содержанию Cr и микролегирования, что облегчает сварку с менее строгими требованиями к подогреву и последующей термообработке (PWHT). - P91 обладает более высокой закаливаемостью из-за повышенного Cr и микролегирования (V, Nb, B), что повышает риск формирования твёрдых мартенситных и/или нетермически отпущенных зон в термически-воздействованных областях сварных швов, увеличивая вероятность холодных трещин при неправильном нагреве и PWHT. - При сварке P91 требуется контролируемая геометрия фасок, подбор металла сварочного присадочного материала (например, сварочная проволока P91 или её стабилизированные варианты), точный межпроходный температурный режим и обязательный PWHT для отпуска мартенсита и восстановления пластичности и сопротивления ползучести. Процедуры сложнее и часто требуют строгой квалификации. - Для обеих марок важен контроль водорода, использование низко-водородных технологий и правильный PWHT для обеспечения надёжной длительной эксплуатации.
6. Коррозионная стойкость и защита поверхности
- P22 и P91 — это нелегированные нержавеющими сталями сплавы; общая стойкость к коррозии в нормальных условиях умеренная и не сопоставима с нержавеющими сплавами. Для защиты поверхности обычно применяются:
- Защитные покрытия: окраска, эпоксидные и высокотемпературные краски.
- Металлургические покрытия: термораспыление (Al/Al-силикат), наплавка для эксплуатации в коррозионно-агрессивных средах.
- Горячее цинкование возможно для некоторых применений P22 в амбиентных условиях, но не характерно для работы при высоких температурах; цинкование не подходит для длительной эксплуатации при повышенных температурах.
- PREN (число эквивалентной стойкости к питтингу) применяется для нержавеющих сталей: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- P22 легче поддаётся механической обработке по сравнению с P91 при сопоставимых условиях благодаря более низкой твёрдости и меньшему содержанию легирующих элементов.
- P91, обладая более высокой прочностью и большей степенью легирования, более агрессивен к режущему инструменту и может требовать более низкой скорости резания и более прочного инструмента.
- Формуемость и холодная обработка:
- Обе марки не предназначены для интенсивной холодной ковки или формовки после окончательной термообработки; формовка, как правило, выполняется в более мягком состоянии (катаное или нормализованное) до окончательного термического упрочнения.
- Отделка:
- При шлифовании и подготовке поверхности P91 требуется особое внимание, чтобы избежать появления дефектов на поверхности, которые могут стать источником усталостных трещин или точек начала ползучести.
- Планирование изготовления:
- P91 требует использования квалифицированных сварочных технологий и опытных сварщиков. Контроль деформаций и управление остаточными напряжениями важны, так как необходимы циклы последующей термической обработки (PWHT).
8. Типичные области применения
| P22 (распространённые применения) | P91 (распространённые применения) |
|---|---|
| Трубопроводы и коллекторы паровых котлов на тепловых электростанциях с умеренными температурами пара (до ~540–565°C) | Паровые трубопроводы, коллекторы и компоненты ультранадкритических и усовершенствованных тепловых электростанций с высокими температурами пара (часто >550°C) |
| Сосуды давления и котлы, где приоритетом являются низкая стоимость и простота изготовления | Паровые турбины с высокой температурой, подогреватели, перегреватели и трубопроводы высокого давления, требующие длительной устойчивости к ползучести |
| Трубки нагревателей в нефтехимии, технологические трубопроводы при умеренных температурах | Компоненты в энергетике и химической промышленности, требующие высокой ползучестой прочности и структурной стабильности |
| Экономичные замены для устаревших малоуглеродистых сталей | Новые конструкции, ориентированные на продолжительный срок службы при повышенных температурах; ответственные сварные соединения с обязательной PWHT |
Обоснование выбора: - Выбор в пользу P22 оправдан при умеренных рабочих температурах и требованиях к ползучести, а также при необходимости упрощения закупок и изготовления с ограничением стоимости. - Выбор в пользу P91 целесообразен при длительной эксплуатации при повышенных температурах и давлениях, когда требуются повышенная устойчивость к ползучести, стабилизация мелких осадков и более высокие допустимые напряжения.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: P91 обычно дороже по массе, чем P22, из-за более высокого содержания легирующих элементов (в частности хрома и микроэлементов) и более строгих требований к контролю технологических процессов. Затраты на квалификацию сварочных процедур и изготовление также увеличивают итоговую стоимость по P91.
- Наличие:
- P22 широко доступна в виде труб, фасонных изделий и поковок у многих металлургических комбинатов и дистрибьюторов.
- P91 широко представлена на рынке, однако определённые типоразмеры изделий (крупные поковки, специализированные сочетания диаметра и толщины) могут иметь более длительные сроки поставки и часто закупаются у специализированных поставщиков. Наличие зависит от региона и рыночного спроса.
10. Итог и рекомендации
Сводная таблица — качественное сравнение:
| Параметр | P22 | P91 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Проще; меньший CE, менее жёсткие требования к последующей термообработке (PWHT) | Сложнее; более высокий CE/способность к упрочнению; требует контролируемой PWHT и квалифицированных процедур |
| Прочность – ударная вязкость (повышенная температура) | Средняя прочность при высокой температуре; подходит до ~540–565°C | Высокая прочность при высокой температуре и устойчивость к ползучести; предназначена для более высоких температур и длительной эксплуатации |
| Стоимость (материал + изготовление) | Ниже | Выше |
Рекомендации: - Выбирайте P22, если необходима более бюджетная, легче свариваемая легированная сталь для оборудования и трубопроводов, работающих при умеренно повышенных температурах, и когда долговременная ползучесть не является критическим фактором проектирования. - Выбирайте P91, если в применении требуется высокая устойчивость к ползучести и более высокие допустимые напряжения при повышенных температурах (системы с длительным сроком службы и высокими давлениями пара), а также если проект предусматривает необходимые технологические меры, квалифицированные сварочные процессы и более высокие затраты.
Заключительное замечание: для обеих марок в документации на закупку и проектирование необходимо указывать точную марку материала, состояние после термообработки и сварочную процедуру. Для оборудования, работающего в условиях повышенных температур и ответственного по безопасности, важно привлекать специалистов по материалам и сварке на ранних этапах для подтверждения допустимых напряжений, параметров PWHT и квалификационных испытаний с целью обеспечения надёжности в эксплуатации.