P91 против P92 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженерам и специалистам по закупкам, выбирающим стали для высокотемпературных энергетических и технологических применений, необходимо сбалансировать прочность, сопротивление ползучести, свариваемость и стоимость жизненного цикла. P91 и P92 — две широко применяемые жаропрочные стали с 9% хрома, разработанные для парогенераторных и высоконапорных трубопроводных систем; выбор между ними обычно сводится к компромиссу между долговременной работой при высоких температурах и затратами на изготовление и контроль.

Основное металлургическое отличие заключается в том, что P92 развивает классическую семью 9Cr–1Mo благодаря смещению части стратегии упрочнения в сторону более интенсивного рефрактерного упрочнения (вольфрам и оптимизированное микролегирование), что улучшает сопротивляемость ползучести при повышенных температурах. За счёт такого направленного изменения легирования P92 обычно обеспечивает большую долговременную прочность и устойчивость к разрушению под нагрузкой при высоких температурах, но требует более строгих требований к сварке и изготовлению по сравнению с P91.

1. Стандарты и обозначения

• Основные стандарты и спецификации, где встречаются P91 и P92:
• ASME/ASTM: обычно применяются как P91 и P92 в SA-335 (бесшовные ферритные легированные стальные трубы) и связанных с ними нормах для котельного и трубопроводного оборудования.
• EN: данные стали доступны под европейскими обозначениями и в рамках детализированных стандартов продукции для труб и фитингов.
• GB (Китай): широко выпускаются по соответствующим маркам GB/T для жаропрочных сталей.
• JIS: японские стандарты иногда ссылаются на эквивалентные 9Cr стали для высокотемпературных применений.
• Классификация: обе марки P91 и P92 являются низколегированными, жаропрочными ферритно-мартенситными сталями (не нержавеющими и не инструментальными). Их целесообразно классифицировать как высокопрочные, устойчивые к ползучести легированные стали (тип HSLA для работы при повышенных температурах).

2. Химический состав и стратегия легирования

В таблице приведены типичные диапазоны состава (приблизительные, округлённые для отражения распространённых спецификаций и промышленной практики). Точные допустимые значения определены в соответствующем материальном стандарте или техническом паспорте поставщика.

Элемент	P91 (типичные диапазоны, мас.%)	P92 (типичные диапазоны, мас.%)
C	0.08–0.12	0.08–0.12
Mn	0.3–0.6	0.2–0.6
Si	0.2–0.5	0.2–0.6
P	≤0.02	≤0.02
S	≤0.01	≤0.01
Cr	8.0–9.5	8.5–9.5
Ni	≤0.40	≤0.40
Mo	~0.85–1.05	~0.4–0.7
W	следы – 0.5	~1.7–2.5
V	0.18–0.25	0.18–0.25
Nb (Cb)	0.06–0.12	0.06–0.12
Ti	≤0.02	≤0.02
B	очень низкие ppm-уровни	очень низкие ppm-уровни
N	0.02–0.07	0.03–0.07

Примечания: - В P92 снижено общее содержание Mo и введён целенаправленный вольфрам (W) для увеличения упрочнения за счёт твёрдого раствора и осадков при повышенной температуре. Микролегирование ванадием (V) и ниобием (Nb) сохраняется и оптимизируется в обеих марках для стабилизации мелких карбидов/нитридов, контролирующих ползучесть. - Бор на уровне частей на миллион часто используется для улучшения прокаливаемости; азот контролируется для стабилизации карбидов/нитридов и влияния на поведение при отпуске. - Диапазоны приведены ориентировочно; всегда проверяйте по сертификатам завода-изготовителя и требованиям соответствующих кодов.

Влияние легирующих элементов на свойства: - Хром обеспечивает устойчивость к окислению и стабильность матрицы при высоких температурах. - Мо и W играют ключевую роль в упрочнении твёрдым раствором и формировании устойчивых карбидов/комплексных выделений, замедляющих ползучесть; замена части Mo на W сдвигает температурно-прочностное равновесие в пользу лучшей долговременной устойчивости к ползучести. - V и Nb образуют мелкие MX (карбонитридные) выделения, которые фиксируют дислокации и границы зерен, улучшая прочность при ползучести и контролируя отпускную хрупкость при правильном балансе. - Углерод контролирует твердость и прочность, но повышает прокаливаемость и склонность к образованию мартенсита — поэтому требуется строгий контроль и правильная термообработка.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичная микроструктура: - Обе марки получают после нормализации и отпуска в виде отпущенного мартенсита/феррита. После нормализации структура представляет собой пакеты мартенситных пластинок с границами бывших аустенитных зёрен; отпуск формирует отпущенный мартенсит с разнообразными карбидами и карбонитридами (M23C6, MX-тип выделений). - Микроструктура P92 обычно демонстрирует повышенную стабильность выделений при рабочих температурах за счёт карбидов, содержащих W, и более мелкого распределения карбонитридов Nb/V (разработаны для замедления коагуляции).

Схемы термообработки: - Нормализация: нагрев до температуры аустенитизации для растворения карбидов сплава с последующим воздушным охлаждением для формирования мартенсита; температуры задаются нормативными документами и обязательны для соблюдения с целью контроля геометрии и метталургических свойств. - Закалка не типична — эти стали нормализуют, а затем отпускают, а не закаливают в традиционном смысле, как инструментальные стали. - Отпуск: проводится для снижения хрупкости, снятия внутренних напряжений и выделения упрочняющих карбидов. Температура и продолжительность отпуска существенно влияют на сопротивление ползучести, вязкость и твердость. - Термомеханическая обработка: для некоторых видов продукции (плиты, поковки) применяют контролируемую прокатку и ускоренное охлаждение для измельчения предыдущего аустенитного зерна и более равномерного распределения выделений.

Различия в эффектах: - Выделения с содержанием вольфрама и немного изменённое соотношение Nb/V в P92 уменьшают коагуляцию выделений при рабочих температурах, что даёт превосходную долговременную прочность при ползучести по сравнению с P91. Параметры отпуска и циклы послесварочного термообработки (PWHT) необходимо тщательно подбирать и контролировать, чтобы избежать переотпуска или недостаточного отпуска в обеих марках.

4. Механические свойства

Таблица — качественные и типичные диапазоны (после правильной нормализации и отпуска; конкретные значения зависят от точной термообработки и требований нормативных документов):

Свойство	P91 (типично)	P92 (типично)
Временное сопротивление разрыву (Rm)	~600–750 MPa (комнатная температура)	~650–800 MPa (комнатная температура)
Предел текучести (Rp0.2)	~415–520 MPa	~480–560 MPa
Относительное удлинение (A%)	~18–25%	~15–25% (сопоставимая пластичность)
Ударная вязкость (по Шарпи с V-образным надрезом)	Средняя до хорошей (зависит от отпуска)	Хорошая, сопоставимая, но чувствительная к термообработке
Твёрдость (HRC/HBW)	Обычно ~180–250 HB	Обычно ~190–260 HB

Интерпретация: - P92, как правило, предназначена для обеспечения более высокой прочности на разрыв и устойчивости к ползучести, особенно при повышенных температурах и длительных сроках эксплуатации. - Пластичность и ударная вязкость могут быть схожими при комнатной температуре при правильной термообработке, однако обе марки требуют тщательного подбора режимов отпуска для поддержания необходимой вязкости, особенно в зоне сварных соединений. - Твёрдость сопоставима; различия определяются температурой отпуска и конечной микроструктурой.

5. Свариваемость

Особенности свариваемости: - Оба сплава, P91 и P92, свариваются, но требуют контролируемого подогрева перед сваркой, ограничения температуры между проходами и обязательной послесварочной термообработки (PWHT) для отпуска мартенситного шва и зоны термического влияния (ЗТВ). - Более высокое содержание легирующих элементов и прокаливаемость делают их восприимчивыми к упрочнению ЗТВ и холодным трещинам при несоблюдении требований к процедурам сварки.

Полезные формулы (только качественная интерпретация): - Углеродный эквивалент (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Повышенное $CE_{IIW}$ указывает на большую прокаливаемость и повышенный риск образования мартенсита в ЗТВ и трещин; как у P91, так и у P92 значения относительно высоки по сравнению с малоуглеродистыми сталями. - Pcm (параметр свариваемости):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ помогает оценить восприимчивость к холодным трещинам; микроэлементы и бор в P91/P92 могут повышать этот индекс.

Практические выводы: - Повышенное содержание вольфрама в P92 (и скорректированное содержание молибдена) несколько увеличивает закаливаемость по сравнению с P91, поэтому требования к сварке становятся более критичными (более высокий подогрев, тщательный контроль межслойных температур и режимов послесплавного термообработки, использование компенсирующих сварочных материалов). - Требуются сварочные материалы с идентичными или повышенными механическими свойствами, строгий контроль содержания водорода и квалифицированные сварочные процедуры. Послесварочная термообработка необходима для достижения требуемых механических свойств, снижения остаточных напряжений и мартенситной твёрдости. - При восстановлении сварных соединений и при многослойной сварке необходимо особо внимательно соблюдать температурно-временные параметры послесплавного отпуска, указанные в нормативных документах или сварочных процедурах производителя.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни P91, ни P92 не являются нержавеющими сталями; их коррозионная стойкость обусловлена содержанием Cr (~9%), которое повышает окислительную стойкость при высоких температурах, но не обеспечивает устойчивость к коррозии во влажной или хлоридсодержащей среде.
• Для общего атмосферного, водного или агрессивного химического воздействия применяются стандартные методы защиты поверхности: покрытия, краски, термонапыление или оцинковка могут использоваться при необходимости (однако оцинковка для компонентов высокотемпературного обслуживания не является типичной).
• Показатель PREN (pitting resistance equivalent number, эквивалентная устойчивость к точечной коррозии) не применим для этих немарганцовистых жаропрочных ферритных сталей; для справки, PREN рассчитывается по формуле:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3{,}3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ но данный индекс используется при выборе нержавеющих сплавов и не характеризует P91/P92.

Практические рекомендации: - Для длительного окисления на стороне пара и внутренней коррозии топки, барабанов и поверхностей в перегревателях, выбор материала (P91 или P92) должен основываться на рабочей температуре и ожидаемом поведении отложений/окисления с учётом применения покрытий и контроля химического состава воды.

7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: обе марки труднее обрабатывать механически по сравнению с низколегированными сталями из-за повышенной прочности и закаливаемости; P92 может быть несколько более сложной в обработке из-за содержания вольфрама и стабильности карбидов. Рекомендуется использовать острое режущее оборудование, жёсткие установки и корректировать режимы резания.
• Формуемость/гибка: холодная деформация ограничена; обычно формовка производится в нормализованном или отожженном состоянии. Радиусы гибки и методы должны соответствовать рекомендациям поставщика и учитывать последующую термообработку.
• Шлифование, сверление и финишная обработка требуют контроля выделения тепла, чтобы избежать отпуска или наклёпа поверхности.
• Изготовление сварных конструкций требует квалифицированных процедур и персонала, знакомого с требованиями послесплавной термообработки (PWHT).

8. Типичные применения

P91 — типичные области применения	P92 — типичные области применения
Основной паропровод, коллекторы, трубки перегревателей, секции подогревателей в традиционных и субкритических установках (рабочие температуры ~600–620°C в зависимости от срока службы)	Высоконапорные системы для ультранадкритических котлов и турбин, усовершенствованные трубки перегревателей и подогревателей, компоненты, требующие повышенной прочности на ползучесть для длительной эксплуатации и более высоких температур (обычно верхний диапазон семейства 9Cr)
Котельные трубы и фитинги в теплоэлектростанциях	Толстостенные компоненты или изделия, требующие улучшенной длительной прочности и сниженных скоростей ползучести
Толстостенные сосуды давления, где важны разумная стоимость и хорошо изученное поведение материала	Новые установки или модернизации с повышенными требованиями к сроку службы при более высоких температурах металла, оправдывающие увеличенные затраты на материал и изготовление

Обоснование выбора: - Выбор осуществляется с учётом требуемой расчетной температуры, необходимого срока службы по ползучести и разрыву, толщины (W-элемент усиливает прочность в толстостенных деталях) и приемлемой стратегии сварки/изготовления.

9. Стоимость и доступность

• P92 обычно дороже P91 из-за дополнительного вольфрама и более строгих технологических требований; сроки поставки могут быть дольше, а ассортимент продукции и размеры — более ограниченными.
• P91 широко доступна во всем мире в виде труб, фитингов, листов и поковок и часто служит базовым материалом для компонентов, одобренных нормативами.
• Наличие материалов зависит от рыночных циклов, возможностей прокатных и кузнечных заводов и региона; при закупке следует уточнять сроки поставки бесшовных и сварных труб, поковок и фитингов.

10. Итоги и рекомендации

Сводная таблица (качественная оценка):

Показатель	P91	P92
Свариваемость (сложность процедуры)	Хорошая — требуется стандартная послесплавная термообработка	Более требовательная — повышенная закаливаемость, строгий контроль
Прочность и вязкость (при комнатной температуре)	Высокая прочность, хорошая вязкость	Более высокая прочность, сопоставимая вязкость при правильной обработке
Устойчивость к ползучести (длительное время, высокие температуры)	Хорошая до типичных предельных температур эксплуатации	Лучшее сопротивление ползучести при более высоких температурах и длительном сроке службы
Стоимость и доступность	Ниже стоимость, более широкий ассортимент	Выше стоимость, ограниченная доступность в отдельных номенклатурных позициях

Рекомендации: - Выбирайте P91, если: - Применение находится в рамках традиционных температурных условий и срока службы для семейства 9Cr–1Mo, - В приоритете скорость изготовления, стоимость и легкодоступность материала, - Предпочтительна проверенная нормативами практика и существующие сварочные процедуры.

• Выбирайте P92, если:
• Требуется повышенная длительная прочность на ползучесть, работа при верхних пределах температур для 9Cr или более длительный срок гарантированной эксплуатации под давлением и паром,
• Проект допускает более строгие требования к сварке, большую стоимость материала и потенциально более длительные сроки поставки,
• Ключевым фактором является повышение эксплуатационных характеристик в толстостенных деталях или в условиях агрессивного высокотемпературного нагружения ползучестью.

Заключение: выбор материала должен всегда подтверждаться проектными данными по ползучести и разрыву, протоколами квалификации сварочных процедур, корректными режимами термообработки, а также консультациями с поставщиками материалов и изготовителями изделий. Следует проверить точный химический состав и гарантированные свойства по протоколу заводских испытаний и соблюдать нормативные требования (ASME/EN/GB/JIS) в части проектирования, сварки и контроля качества.