P22 против P91 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
P22 и P91 — это два широко используемых сталей для сосудов под давлением и трубопроводов в энергетике, нефтехимии и тяжелом оборудовании. Инженеры и специалисты по закупкам часто взвешивают стоимость, возможность обработки и долговечность при выборе между ними — например, балансируя начальную стоимость материала и свариваемость с требуемой прочностью при высоких температурах и сроком службы при ползучести.
Основное инженерное различие заключается в том, что P91 разработан и обработан для обеспечения значительно большей прочности при высоких температурах и устойчивости к ползучести, чем P22, в основном благодаря более высокому содержанию хрома и контролируемому микроаллоированию плюс термической обработке. Эти различия делают их распространенными альтернативами для компонентов, подвергающихся воздействию повышенных температур и напряжений, поэтому сравнение часто встречается в спецификациях компонентов и анализе жизненного цикла затрат.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты:
- ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (бесшовные ферритные легированные стальные трубы) — P22, P91
- EN: EN 10216 / EN 10222 эквиваленты (различные марки стали EN соответствуют этим P маркам)
- JIS / GB: национальные стандарты часто предоставляют приблизительные эквиваленты (консультируйтесь по конкретным преобразованиям)
- Классификация материала:
- P22: низколегированная ферритная сталь (1.25% Cr — обычно называется 1.25Cr-0.5Mo). Классифицируется как легированная сталь для высокотемпературного применения.
- P91: высокохромистая, мартенситная, улучшенная по прочности на ползучесть ферритная сталь (номинально 9Cr-1Mo с добавками V/Nb). Часто рассматривается как легированная/HSLA (высокопрочная низколегированная) мартенситная сталь, оптимизированная для устойчивости к ползучести.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица: Типичные диапазоны состава (вес.%). Показанные значения являются представительными диапазонами из общих спецификаций; точные пределы зависят от конкретного стандарта и плавки.
| Элемент | P22 (типичный диапазон) | P91 (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| C | 0.04–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.25–0.60 |
| Si | 0.10–0.50 | 0.20–0.60 |
| P | ≤0.025 | ≤0.02 |
| S | ≤0.015 | ≤0.01 |
| Cr | 0.9–1.5 | 8.0–9.5 |
| Ni | следы | следы–низкое |
| Mo | 0.38–0.65 | 0.85–1.05 |
| V | — | 0.08–0.25 |
| Nb (Cb) | — | 0.03–0.12 |
| Ti | следы | следы |
| B | — | следы (уровень ppm) |
| N | следы | 0.02–0.06 |
Как легирование влияет на свойства: - Хром (Cr) увеличивает устойчивость к окислению и закаливаемость; значительно более высокий Cr в P91 является основным фактором, способствующим улучшенной прочности при высоких температурах и устойчивости к окислению. - Молибден (Mo) улучшает прочность при повышенной температуре и устойчивость к ползучести в обеих марках; P91 обычно имеет ~1% Mo против ~0.5% в P22. - Ванадий (V) и ниобий (Nb) в P91 образуют мелкие карбиды/нитриды, которые стабилизируют мартенситную микроструктуру и препятствуют деформации при ползучести, закрепляя дислокации и границы зерен. - Углерод обеспечивает прочность за счет мартенсита/закаленного мартенсита, но более высокий углерод также увеличивает закаливаемость и риск растрескивания; P91 использует контролируемое содержание C для балансировки прочности и свариваемости. - Небольшие добавки B и контролируемого N в P91 могут дополнительно улучшить свойства, влияя на осаждение и закаливаемость.
3. Микроструктура и реакция на термическую обработку
- P22: Типичная микроструктура после нормализации и закалки — закаленный бейнит/закаленный феррит с дисперсными карбидами, богатыми Mo. Она не образует полностью мартенситную структуру так же, как P91 после типичных термических обработок. Микроструктура стабильна для умеренной работы при повышенных температурах, но менее устойчива к долговременной ползучести, чем P91.
- P91: Разработан для формирования тонкой мартенситной структуры после нормализации и быстрого охлаждения, за которым следует этап закалки, который осаждает мелкие карбиды и нитриды (например, M23C6, осадки типа MX). Термомеханическая обработка и контролируемая закалка необходимы для получения оптимизированной закаленной мартенситной микроструктуры, обеспечивающей высокую прочность на ползучесть.
- Эффекты обработки:
- Нормализация: уточняет размер зерен аустенита; P91 обычно требует нормализации при более высокой температуре, чем P22, для растворения легированных карбидов и содействия правильному образованию мартенсита.
- Закалка и отпуск / Нормализация и отпуск: обе марки требуют отпуска после закалки. Отпуск P91 особенно критичен для стабилизации мартенситной структуры и достижения прочности, одновременно уменьшая остаточные напряжения.
- Термомеханические обработки и контролируемые скорости охлаждения более критичны для P91, чтобы избежать грубых осадков и контролировать долговременные характеристики ползучести.
4. Механические свойства
Таблица: Качественное сравнение (типичные значения после нормализации и отпуска; фактические свойства зависят от точной термической обработки, толщины и спецификации).
| Свойство | P22 (типичный) | P91 (типичный) |
|---|---|---|
| Прочность на разрыв (предельная) | Умеренная | Высокая |
| Предельная прочность | Умеренная | Высокая |
| Удлинение (пластичность) | Хорошее (выше, чем у P91) | Умеренное (ниже, чем у P22) |
| Ударная вязкость (RT) | Хорошая при правильном отпуске | Хорошая при правильном отпуске; может быть чувствительной к термической обработке |
| Твердость | Умеренная | Выше (более подвержена износу) |
Объяснение: - P91 обеспечивает значительно более высокие прочности на разрыв и предельные прочности, а также превосходную долговременную устойчивость к ползучести при повышенных температурах благодаря своей мартенситной микроструктуре и микроаллоированию (V, Nb) по сравнению с более низколегированной бейнитной/отпущенной ферритной структурой P22. - P22, как правило, предлагает большую пластичность и может обеспечить более легкий контроль прочности в некоторых толщинах; P91 может достичь хорошей прочности, но требует строгого контроля термической обработки и постсварочной термической обработки (PWHT).
5. Свариваемость
Ключевые факторы: эквивалент углерода, закаливаемость и содержание микроаллоидов определяют потребности в предварительном подогреве/PWHT и риск растрескивания в зоне термического влияния (HAZ).
Общие индексы свариваемости (используются для качественной оценки риска): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Интерпретация (качественная): - P22: более низкий Cr и более низкая закаливаемость по сравнению с P91 — умеренные значения эквивалента углерода. Сварка P22 обычно требует предварительного подогрева и PWHT для минимизации твердости HAZ и восприимчивости к растрескиванию, вызванному водородом, но стандартные циклы PWHT хорошо установлены и относительно прощают. - P91: более высокий Cr, Mo и микроаллоидные элементы увеличивают закаливаемость и повышают риск образования твердого мартенсита в HAZ; поэтому сварка P91 более требовательна. Правильный предварительный подогрев, контролируемые температуры межпрохода и тщательно прописанные циклы PWHT необходимы для избежания хрупкости HAZ и отпуска мартенситного HAZ. Использование соответствующих или превышающих по характеристикам filler metals и строгая квалификация процедур является обычным делом. - Практический совет: Процедуры сварки P91 требуют квалифицированных WPS/PQR и опытного персонала; ремонтная сварка и постсварочный отпуск должны следовать циклам, одобренным производителем или кодом. P22 более терпима, но все же требует правильного PWHT для компонентов, работающих под давлением.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни P22, ни P91 не являются нержавеющими. Устойчивость к коррозии в влажных/кислых средах должна управляться выбором материала, покрытиями или ингибиторами.
- Общие стратегии защиты: покраска, высокотемпературное алюминирование, термическое распыление или спецификация коррозионного запаса. Для наружных или влажных условий используются стандартные покрытия и катодная защита по мере необходимости.
- PREN (индекс коррозии подточками) не применим к этим ферритным, не нержавеющим сталям, поскольку PREN используется для нержавеющих сплавов: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Для устойчивости к окислению/образованию окалины при высоких температурах более высокий Cr в P91 обеспечивает улучшенную устойчивость к окислению по сравнению с P22, но ни один из них не обеспечивает защиту от коррозии на уровне нержавеющей стали.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обработка:
- P22: легче обрабатывается по сравнению с P91 из-за более низкой прочности и твердости; скорости резания могут быть выше, а инструменты имеют более длительный срок службы.
- P91: более твердая и прочная, склонна к упрочнению; требует более прочного инструмента, более низких скоростей резания и жестких установок.
- Формование/гибка:
- P22: лучшие характеристики холодной формовки; возможны большие сокращения без растрескивания.
- P91: ограниченная холодная формуемость — может потребоваться горячая формовка или большая осторожность и большие радиусы изгиба.
- Обработка поверхности: P91 может требовать более агрессивных этапов шлифовки/полировки и может генерировать более трудные для обработки стружки; шлифовка обычно используется для удаления декарбидированных слоев HAZ после сварки перед PWHT в критических случаях.
8. Типичные применения
| P22 (типичные применения) | P91 (типичные применения) |
|---|---|
| Паровые трубопроводы, коллекторы и сосуды под давлением в котлах и нефтеперерабатывающих заводах средней температуры (до ~540–565°C, в зависимости от конструкции) | Коллекторы высокой температуры, трубы супернагревателей/подогревателей, паровые линии и компоненты под давлением в ультра-суперкритических и современных угольных электростанциях, где требуется высокая прочность на ползучесть |
| Теплообменники, барабаны и некритичные трубопроводы высокой температуры, где стоимость и доступность благоприятствуют 1.25Cr-0.5Mo | Компоненты с высоким напряжением и длительным сроком службы, подвергающиеся длительному воздействию высокой температуры и напряжения, где требуется уменьшенная толщина стенки или увеличенный срок службы при ползучести |
| Общие промышленные компоненты под давлением, где приемлем срок службы по традиционному дизайну | Приложения нового строительства или модернизации, которые нацелены на более высокие температуры/давления пара и более длительные интервалы обслуживания |
Обоснование выбора: - Выбирайте P22 для работы при умеренных температурах, где приоритетами являются свариваемость, пластичность и более низкая стоимость материала. - Выбирайте P91, где долговременная устойчивость к ползучести, прочность при повышенных температурах и возможность более тонких сечений или увеличенного срока службы оправдывают более высокую стоимость материала и обработки.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: P91 обычно дороже, чем P22 на килограмм/фут, из-за более высокого содержания легирующих элементов и более строгих требований к обработке/термической обработке.
- Доступность: P22 широко доступен во многих формах продукции (труба, плита, фитинги). P91 широко доступен, но может иметь более длительные сроки поставки для конкретных форм продукции, компонентов с жесткими допусками или когда требуется более высококачественная обработка (например, сварочные расходные материалы).
- Примечание по закупкам: общая установленная стоимость должна учитывать не только цену материала, но и квалификацию сварочной процедуры, циклы PWHT, инспекцию и потенциальные интервалы замены в течение жизненного цикла.
10. Резюме и рекомендации
Резюме таблицы (качественное):
| Критерий | P22 | P91 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Проще; стандартный PWHT | Более требовательный; строгий предварительный подогрев/PWHT и квалифицированные процедуры |
| Прочность–Ударная вязкость (комнатная температура) | Умеренная прочность, хорошая пластичность/ударная вязкость | Высокая прочность, хорошая прочность, если правильно обработано; низкая пластичность |
| Устойчивость к ползучести при высоких температурах | Умеренная; подходит для работы при низких температурах/высоком цикле | Превосходная; разработана для длительного обслуживания при ползучести |
| Стоимость | Низкая стоимость материала; более простая обработка | Высокая стоимость материала и обработки |
| Доступность | Широко доступен | Широко доступен, но специализированная обработка может увеличить время поставки |
Рекомендация: - Выбирайте P22, если вам нужен экономически эффективный сплав для умеренной работы при повышенных температурах, где стандартный PWHT приемлем, приоритетами являются пластичность и более простая обработка, и не требуется долговременная ползучесть за пределами традиционных проектных ограничений. - Выбирайте P91, если проект требует значительно более высокой прочности и долговременной устойчивости к ползучести при повышенных температурах (например, параметры пара на современных электростанциях), или если уменьшение толщины стенки/веса и увеличение интервалов обслуживания оправдывают более высокие затраты на материал и обработку и более строгий контроль сварки.
Заключительная заметка: Точный выбор марки должен учитывать напряжения проектирования компонентов, требуемый срок службы проектирования, применимые коды (ASME/EN/JIS/GB), возможности сварки и инспекции, а также анализ затрат на жизненный цикл. Для критически важных компонентов, удерживающих давление, проконсультируйтесь с требованиями кодов и поставщиками материалов для получения сертифицированных химических и механических данных и для квалификации сварочных процедур.