P91 против P92 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
P91 и P92 — это мартенситные хромомолибденванадиевые (Cr–Mo–V) стали, устойчивые к ползучести, широко используемые в оборудовании для энерго- и нефтехимической промышленности, работающем при высоких температурах, таком как трубы котлов, коллекторы и паропровод. Инженеры, менеджеры по закупкам и изготовители часто сталкиваются с выбором между P91 и P92, когда необходимо сбалансировать высокотемпературную прочность и долговременную устойчивость к ползучести с возможностями сварки, удобством изготовления и общей стоимостью жизненного цикла. Типичные задачи выбора включают повышение температуры пара, оптимизацию интервалов обслуживания высоконапорных компонентов или подбор материалов для новых энергоэффективных котлов.
Ключевое металлургическое различие, определяющее различия в характеристиках, заключается в стратегии легирования — в особенности в соотношении вольфрама (W) и молибдена (Mo) наряду с другими микроэлементами (V, Nb, B). Эта стратегия замещения влияет на химию карбидов, стабильность осадков и закаливаемость, что в свою очередь отражается на прочности при ползучести, вязкости разрушения и свариваемости. Вот почему P91 и P92 часто сравнивают для высокотемпературных компонентов.
1. Стандарты и обозначения
- Распространённые стандарты и спецификации:
- ASME/ASTM: ASME SA-335 / P91 и P92 (бесшовные ферритные сплавные трубы для повышенных температур), ASTM A213, ASTM A387 (листовые варианты), а также соответствующие кодексы ASME для котлов и сосудов под давлением.
- EN: Эквивалентные марки часто обозначаются по EN и модифицированным EN (например, X10CrMoVNb9-1 для химии, аналогичной P91, и X10CrWMoVNb9-2 для P92).
- JIS/GB: Местные стандарты предоставляют похожие составы под другими номерами; необходимо подтвердить по сертификатам поставщика.
- Классификация:
- Обе стали P91 и P92 относятся к легированным сталям для высокотемпературной эксплуатации; иногда их относят к сталям с повышенной прочностью при ползучести (HSLA/мартенситные ферритные стали), но не к нержавеющим или инструментальным сталям.
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице приведены типичные диапазоны содержания элементов для P91 и P92 в мас. %. Эти данные отражают коммерческие спецификации нормализованного и отпущенного материала; фактические значения зависят от конкретных подмарок и стандартов.
| Элемент | P91 (типичный диапазон, мас. %) | P92 (типичный диапазон, мас. %) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.60 | 0.20–0.60 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.0–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.50 | ≤0.50 |
| Mo | 0.85–1.05 | 0.20–0.50 |
| W | следы–0.3 | 1.7–2.0 |
| V | 0.15–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | ≤0.01 | ≤0.01 |
| B | 0.0005–0.003 | 0.0005–0.005 |
| N | 0.03–0.07 | 0.03–0.07 |
Влияние легирования на свойства - Хром обеспечивает устойчивость к окислению и коррозии при высоких температурах и образует карбиды типа M23C6, влияющие на поведение при ползучести и отпуске. - Молибден (Mo) увеличивает упрочнение твердым раствором и способствует формированию стабильных карбидов; традиционно Mo является ключевым элементом, повышающим прочность при ползучести P91. - Вольфрам (W) в P92 используется как частичный заместитель Mo: W формирует более стабильные карбиды с медленным ростом зерен, что способствует повышению долговременной прочности при ползучести при очень высоких температурах. - Ванадий (V) и ниобий (Nb) образуют мелкодисперсные MX карбонитриды, которые закрепляют межзеренные границы, препятствуют восстановлению и рекристаллизации, улучшая сопротивление разрушению при ползучести. - Очень низкие добавки бора улучшают прочность при ползучести, скапливаясь на границах зерен предаустенита и замедляя кавитацию при длительном термическом воздействии.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичная микроструктура - Обе стали P91 и P92 образуют отпущенную мартенситную микроструктуру после стандартного цикла термообработки (нормализация выше температуры Ac3 с последующим закаливанием и отпуском). - Отпущенная микроструктура состоит из игловатого мартенсита с равномерно распределенными карбидами и карбонитридами: M23C6 (богатыми Cr) вдоль границ зерен предаустенита и границ иголок, а также осадков MX (V,Nb) внутри иголок.
Влияние легирования и термообработки - P91: с более высоким содержанием Mo и немного меньшим W распределение карбидов оптимально для требуемой прочности при ползучести в исходном температурном диапазоне (обычно до 600–620 °C). Mo способствует упрочнению матрицы и стабильности осадков, но карбиды с высоким содержанием Mo могут со временем коагулировать. - P92: частичная замена Mo на W приводит к карбидам и интерметаллидам с замедленной коагуляцией при высоких температурах. После правильного отпуска у P92 формируется более мелкодисперсная и стабильная дисперсия карбидов, что обеспечивает лучшую долговременную устойчивость к ползучести при более высоких температурах пара и большей долговечности. - Термо-механические обработки: обе марки реагируют на нормализацию с отпуском и специальные термомеханические обработки, которые уменьшают размер зерен предаустенита и способствуют формированию желаемого распределения осадков. Температура отпуска регулирует компромисс между вязкостью и прочностью.
4. Механические свойства
В таблице приведены типичные характеристики нормализованного и отпущенного материала в поставленном состоянии. Фактические значения зависят от точного химического состава, термообработки, толщины/формы и испытательных стандартов.
| Свойство | P91 (примерно) | P92 (примерно) |
|---|---|---|
| Предел текучести (0,2%, МПа) | ~415 (типичная нижняя граница) — до ~500–600 в зависимости от отпуска | выше: ~500–650 (широкий диапазон зависит от отпуска) |
| Временное сопротивление разрыву (МПа) | ~550–700 | ~650–800 |
| Относительное удлинение (%) | ~18–25 | ~12–20 (часто чуть ниже, чем у P91) |
| Ударная вязкость по Шарпи с V-образным надрезом (комнатная температура, Дж) | средняя до хорошей (зависит от термообработки; обычно ≥40–60 Дж) | немного ниже или сопоставима, зависит от отпуска; более чувствительна к термообработке |
| Твердость (HB) | ~180–260 (типичное состояние нормализации и отпуска) | ~200–300 (может быть выше из-за состава и обработки) |
Интерпретация - Прочность: P92 обычно обеспечивает более высокую прочность при ползучести и более высокое временное сопротивление/предел текучести во многих коммерческих схемах термообработки благодаря содержанию W и более стабильной дисперсии осадков. - Вязкость и пластичность: P91, как правило, более пластична и проще в обработке; P92 может быть менее пластичной и требует более строгого контроля термообработки и последующего термообработки после сварки (PWHT) для обеспечения вязкости. - Твердость: P92 чаще демонстрирует более высокую твердость в сопоставимых условиях, что улучшает прочность при высоких температурах, но может повысить склонность к образованию трещин при сварке при недостаточном контроле.
5. Свариваемость
Особенности свариваемости обеих марок связаны с эквивалентом углерода/закаливаемостью, микроэлементами и требованиями к последующей термообработке после сварки (PWHT).
Типичные формулы для оценки необходимости подогрева и PWHT: - Углеродный эквивалент IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Международный 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 - Оба сплава P91 и P92 обладают значительной закаливаемостью (Cr, Mo/W, V, Nb, B), что ведёт к высокому риску образования твёрдого мартенсита в зоне термического влияния (ЗТИ) при сварке без должного подогрева и PWHT. - Более высокое содержание W и иное соотношение легирующих элементов в P92 увеличивает закаливаемость, поэтому для него чаще требуются более строгие меры подогрева, PWHT и подбор сварочных материалов, соответствующих химии P92. - PWHT (обычно 700–760 °C для данных сталей, в зависимости от толщины и кода) обязательна для отпуска мартенсита в ЗТИ и снятия остаточных напряжений. Контроль водорода, управление температурой между проходами и применение низководородных сварочных материалов обязательны. - Выбор сварочной проволоки: используйте расходные материалы, сертифицированные для P91 или P92 соответственно (совместимые или одобренные с перекрывающимся классом прочности). Для сварки P92 чаще применяют специализированные проволоки и процедуры для минимизации микроструктурных несовпадений и предотвращения трещин типа IV в зонах длительной ползучести.
6. Коррозионная стойкость и защита поверхности
- Ни P91, ни P92 не являются нержавеющими сталями; обе марки обеспечивают устойчивость к окислению при высоких температурах за счёт легирования, а не за счёт общей коррозионной стойкости в водных средах.
- В водных или коррозионных средах обычно требуется защита поверхности: покраска, металлизация, облицовка или соответствующие покрытия. Для атмосферной защиты применяются промышленные покрытия или горячее цинкование (если это допустимо по условиям эксплуатации), однако цинкование может быть неприемлемо для эксплуатации в условиях высокотемпературного пара.
- PREN (Pitting Resistance Equivalent Number, эквивалентный индекс стойкости к питтинговой коррозии) определяется как: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс применим к нержавеющим сталям и локальной коррозионной стойкости, но не имеет смысла для марок P91/P92, поскольку их химические составы и сфера применения ориентированы на высокотемпературные механические характеристики, а не на устойчивость к питтинговой коррозии от хлоридов.
- Высокотемпературное окисление: содержание хрома (≈9%) обеспечивает некоторую стойкость к окислению с стороны пара, но необходимо учитывать долгосрочные оксидные слои и процессы карбюризации; P92 часто предпочтительнее при более высоких температурах пара, поскольку карбиды с содержанием вольфрама замедляют рост оксидных слоев и дольше сохраняют механическую целостность.
7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: обе стали уступают углеродистым сталям по обрабатываемости из-за легирующих элементов и твёрдости. Более высокая закаливаемость и потенциально большая твёрдость P92 снижают ресурс режущего инструмента и требуют увеличенных усилий резания.
- Формуемость/гибка: холодная деформация ограничена; применяются горячая штамповка/прессование и контролируемый отпуск. Обе марки плохо переносят интенсивную холодную деформацию без последующей термообработки.
- Отделка поверхности и шлифовка: более твёрдый P92 требует более агрессивного инструментария и шлифовальных материалов. Важно контролировать остаточные напряжения и избегать пережигания во время финишной обработки.
- Термообработка после изготовления: необходимы правильные циклы нормализации и отпуска или термообработка после сварки для достижения заданных свойств и предотвращения хрупкости.
8. Типичные области применения
| Типичные области применения P91 | Типичные области применения P92 |
|---|---|
| Паровые коллекторы, трубопроводы и трубы в субкритических и ранних сверхкритических котлах (рабочая температура ≤ ~600 °C) | Паропроводы и коллекторы в паровых котлах с повышенной температурой и ультра-сверхкритических параметрах (среды с повышенными требованиями к ползучести) |
| Трубки теплообменников, компоненты сосудов под давлением для пара средних температур | Компоненты высокого давления и высокой температуры в электростанциях, рассчитанные на более высокие температуры пара и увеличенный срок службы (утилизаторы тепла, перегреватели) |
| Трубопроводы для нефтехимии, где требуется высокая прочность при повышенной температуре, но важна экономия | Условия эксплуатации с приоритетом на длительный ресурс по ползучести и повышенную долговременную стабильность, несмотря на более высокую стоимость материала и обработки |
| Корпуса клапанов и фитинги для работы при повышенных температурах | Критически важные компоненты, требующие максимальной ползучестной прочности для продления срока службы конструкции |
Обоснование выбора - Выбирайте P91, если необходима проверенная ползучестная прочность при умеренно повышенных температурах, с хорошей доступностью и сравнительно более простой технологией изготовления. - Выбирайте P92, если расчетная температура и требуемый ресурс по ползучести превышают возможности P91, или если эксплуатационники стремятся к более длительным интервалам обслуживания и более высоким допускаемым напряжениям при рабочей температуре.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: P92 обычно дороже P91 из-за более высокого содержания легирующих элементов (в частности, вольфрама), специализированных режимов плавки и более ограниченного спроса и предложения. Технологии изготовления и сварки P92 также могут увеличивать стоимость монтажа.
- Доступность: P91 имеет долгую историю широкого применения и чаще встречается на складе в различных формах выпуска (труба, лист, кованое изделие). Наличие P92 зависит от регионального рынка и производственных возможностей завода; сроки поставки могут быть дольше, особенно для крупных сечений и специальных фасонных изделий.
10. Итоги и рекомендации
| Характеристика | P91 | P92 |
|---|---|---|
| Свариваемость (практическая) | Хорошая при использовании стандартных технологий сварки для P91; менее требовательна, чем P92 | Более требовательна — высокая закаливаемость требует строгого подогрева/термообработки после сварки и подбора соответствующих присадочных материалов |
| Прочность и вязкость при комнатной температуре | Сбалансированная — хорошая вязкость и достаточная прочность | Повышенная прочность и стойкость к ползучести, но часто несколько сниженная пластичность/вязкость без оптимизации |
| Ползучие характеристики при высоких температурах | Отличные в пределах расчетного диапазона (~до 600–620 °C) | Превосходная долговременная сопротивляемость ползучести при более высоких температурах и длительном сроке службы |
| Стоимость и наличие | Более экономичная и широко доступная | Выше стоимость материала и обработки; наличие более ограничено |
Выводы — выбирайте в зависимости от условий эксплуатации: - Выберите P91, если требуется проверенная, экономичная и устойчивая к ползучести сталь для эксплуатации при умеренно повышенных температурах в традиционном диапазоне P91, с более простой технологией изготовления и сварки, а также приоритетом на доступность и снижение стоимости закупки и производства. - Выберите P92, если приложение требует превосходной долговременной прочности при высокотемпературном паре (или увеличенных интервалах обслуживания), если расчетный срок службы или более высокие допускаемые напряжения оправдывают более высокие затраты на материал и обработку, и если технологическая база предприятия способна обеспечивать более строгий контроль сварочных режимов и квалификаций.
Практическое замечание: успех эксплуатации любой из марок зависит не столько от условного обозначения, сколько от корректной верификации химического состава, утвержденных процедур сварки, строгого контроля термообработки/термообработки после сварки и обеспечения качества (НК, механические испытания и прослеживаемость). При переходе с P91 на P92 следует ожидать корректировок в технологиях сварки, подборе присадочных материалов и, возможно, увеличения сроков поставки и стоимости.