P91 против X10CrMoVNb9-1 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Выбор между P91 и X10CrMoVNb9-1 является распространенной дилеммой для инженеров и команд по закупкам, работающих с высокотемпературными системами давления, трубопроводами электростанций и компонентами паровых циклов. Решения обычно принимаются на основе стандартов и ограничений по закупкам (ASME против EN), а также компромиссов между прочностью при высоких температурах, свариваемостью и стоимостью жизненного цикла.
Хотя обе стали содержат 9% хрома и являются низколегированными ферритными сталями, предназначенными для работы при повышенных температурах, основное практическое различие заключается в их нормативных системах спецификаций и соответствующих ожиданиях по термообработке, инспекции и документации — что может повлиять на закупки, квалификацию и процессы производства.
1. Стандарты и обозначения
- P91
- Общие стандарты: ASME/ASTM (например, ASME SA-213 T91, ASME SA-335 P91), ссылки API в некоторых контекстах.
- Классификация: Низколегированная ферритная жаропрочная сталь (часто указана в кодах для сосудов под давлением и трубопроводов).
- X10CrMoVNb9-1
- Общие стандарты: EN/ISO (например, EN 10216-2 / 1.4903; часто упоминается в европейских нормах и документации, соответствующей PED).
- Классификация: Низколегированная ферритная жаропрочная сталь (обозначение EN для семейства 9%Cr – 1%Mo).
Категория: обе стали являются легированными сталями, предназначенными для высокотемпературных, усталостно-стойких приложений (не нержавеющие стали в смысле коррозионной стойкости).
2. Химический состав и стратегия легирования
В таблице ниже приведены типичные диапазоны состава, используемые для спецификации и закупок. Показанные значения являются представительными диапазонами из общих технических листов и нормативных пределов; точные пределы зависят от конкретного стандарта и сертификата завода.
| Элемент | P91 (типичный диапазон, вес%) | X10CrMoVNb9-1 (типичный диапазон, вес%) |
|---|---|---|
| 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 | ≤ 0.025 – 0.03 | ≤ 0.025 – 0.03 |
| S | ≤ 0.01 – 0.02 | ≤ 0.01 – 0.02 |
| Cr | 8.0 – 9.5 | 8.5 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.85 – 1.05 | 0.90 – 1.05 |
| V | 0.18 – 0.25 | 0.18 – 0.25 |
| Nb (Ta) | 0.06 – 0.12 (Nb) | 0.06 – 0.12 (Nb) |
| Ti | ≤ 0.02 (следы) | ≤ 0.02 (следы) |
| B | ≤ 0.001 (следы, если присутствуют) | ≤ 0.001 (следы, если присутствуют) |
| N | 0.03 – 0.06 (тип.) | 0.03 – 0.06 (тип.) |
Как легирование влияет на характеристики: - Хром и молибден увеличивают прочность при высоких температурах, стойкость к ползучести и закаливаемость. - Ванадий и ниобий образуют стабильные карбиды/нитриды, которые уточняют размер зерна предшествующего аустенита и стабилизируют мартенситную микроструктуру, улучшая стойкость к ползучести. - Углерод контролирует прочность через образование мартенсита/закаленного мартенсита, но должен быть ограничен для балансировки свариваемости. - Минорные элементы (Ti, B, N) контролируют осадки и рост зерна; азот связывает углерод и образует нитриды, которые влияют на прочность.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - Оба сорта предназначены для формирования закаленной мартенситной микроструктуры после соответствующей аустенитизации (нормализации/закалки), за которой следует отпуск. Матрица закаленного мартенсита с мелкими карбидными/нитридными осадками (типы M23C6, MX, M6C в зависимости от химического состава) обеспечивает прочность при высоких температурах и стойкость к ползучести. - В состоянии после сварки может образоваться незакаленный мартенсит с пиками твердости и высокими остаточными напряжениями, особенно вблизи зоны термического влияния (HAZ).
Эффект обработки: - Нормализация: растворяет крупные карбиды и дает уточненный размер зерна предшествующего аустенита; типичные температуры нормализации для сталей 9%Cr находятся в диапазоне ~1000–1100°C, но конкретные стандарты предписывают точные значения. - Закалка и отпуск (Q&T): закалка производит мартенсит; контролируемый отпуск (например, диапазон 730–780°C в зависимости от кода и требуемых свойств) снижает твердость, стабилизирует осадки и обеспечивает желаемое сочетание прочности и прочности на удар. - Термомеханическая обработка: контролируемая прокатка и ускоренное охлаждение могут привести к улучшенным мелкозернистым структурам и превосходной прочности; обе стали выигрывают от такой обработки, когда это указано. - Долговременное старение/ползучесть: увеличение размера осадков в течение срока службы снижает прочность; стали типа P91 спроектированы для обеспечения приемлемого срока службы при ползучести до определенных температурных/временных пределов (часто до около 600–620°C при осторожном проектировании).
4. Механические свойства
Значения ниже являются типичными диапазонами после стандартной нормализации и отпуска; фактические свойства зависят от точной термообработки, толщины сечения и квалификации поставщика.
| Свойство | P91 (типичный, комнатная температура) | X10CrMoVNb9-1 (типичный, комнатная температура) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | ~550 – 700 | ~550 – 700 |
| Предельная прочность (0.2% доказательство, МПа) | ~400 – 600 | ~400 – 600 |
| Удлинение (% всего) | ~12 – 20 | ~12 – 20 |
| Ударная вязкость (Charpy V, Дж, RT) | Обычно ≥ 40 Дж (зависит от спецификации/термообработки) | Обычно ≥ 40 Дж (зависит от спецификации/термообработки) |
| Твердость (HB) | ~170 – 260 HB | ~170 – 260 HB |
Интерпретация: - Оба сорта показывают очень схожие прочности на растяжение и предельные прочности при комнатной температуре, когда обрабатываются до одного и того же состояния отпуска; небольшие различия возникают из-за допустимых составных допусков и конкретных термообработок. - Устойчивость контролируется уточнением зерна, температурой отпуска и контролем микроаллоев; обе стали могут соответствовать сопоставимым требованиям к ударной вязкости, когда производятся в соответствии с соответствующим стандартом ASME или EN. - В заключение, ни один из сортов не является категорически более прочным во всех условиях; баланс прочности и устойчивости достигается путем указания условий отпуска и требований к испытаниям в соответствующем стандарте.
5. Свариваемость
Свариваемость является критически важным практическим отличием, поскольку эти высоколегированные низкоуглеродистые стали обладают высокой закаливаемостью.
Соответствующие формулы для качественной оценки: - Углеродный эквивалент (IIW) для общего понимания свариваемости: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Ito-Bessyo) как более консервативный индекс для оценки восприимчивости к холодным трещинам: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Оба P91 и X10CrMoVNb9-1 имеют умеренное содержание углерода и значительные добавки Cr/Mo/V/Nb, что повышает $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ по сравнению с обычными углеродными сталями; это указывает на более высокую закаливаемость и большую склонность к мартенситу HAZ и риску холодных трещин, если сварка не контролируется. - Рекомендации по сварке для обеих сталей обычно включают предварительный подогрев, контролируемую температуру межпрохода и обязательную термообработку после сварки (PWHT) для отпуска мартенсита HAZ и снятия остаточных напряжений. Температуры PWHT около 730–780°C обычно указываются в зависимости от толщины и кода. - Практические различия: различия в основном процедурные — например, квалификации сварочных процедур ASME P91 и критерии приемки PWHT могут отличаться по формулировке от спецификаций X10CrMoVNb9-1 на основе EN. На практике сварочные процедуры должны быть квалифицированы в соответствии с применимым стандартом и формой продукта.
6. Коррозия и защита поверхности
- Коррозионное поведение: Оба материала являются ферритными низколегированными сталями с примерно 9% Cr, но не являются нержавеющими сталями в пассивном, водном коррозионном смысле. Они не обеспечивают коррозионную стойкость класса нержавеющей стали и будут корродировать во влажной среде, если не защищены.
- Типичные стратегии защиты: защитные покрытия (лакокрасочные системы), внутренние покрытия, контролируемая среда или катодная защита в зависимости от условий эксплуатации. Гальванизация возможна для некоторых форм продукта, но менее распространена для высокотемпературных трубопроводов, где стабильность налета и покрытия является проблемой.
- PREN (эквивалентный номер стойкости к питтингу) не применим для этих ферритных жаропрочных сталей в смысле нержавеющей стали, но формула для оценки нержавеющей стали: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Для этих сталей PREN не имеет смысла для выбора коррозионной стойкости, поскольку их коррозионная стойкость определяется легированием, состоянием поверхности и рабочей средой, а не стабильностью пассивной пленки.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: твердость после отпуска и микроструктура влияют на обрабатываемость. Оба сорта труднее обрабатывать, чем низкоуглеродистые стали; инструменты, скорости резания и подачи должны быть скорректированы. Предварительные термообработки иногда используются для тяжелой обработки.
- Сгибание/формование: холодное формование ограничено из-за низкой пластичности по сравнению с мягкими сталями; радиусы сгибания должны быть больше и часто выполняются после промежуточного отжига или с использованием горячих формовочных технологий. Горячее формование и контролируемое охлаждение могут использоваться для сложных форм.
- Обработка поверхности: шлифовка и подготовка поверхности должны учитывать твердые осадки; полировка и инспекция для компонентов, чувствительных к усталости, часто требуются.
8. Типичные применения
| P91 | X10CrMoVNb9-1 |
|---|---|
| Паровые коллекторы, трубы супернагревателей и повторных нагревателей в угольных и комбинированных циклах электростанций (системы, указанные в ASME) | Трубы котлов, трубопроводы и коллекторы в европейских электростанциях и системах рекуперации тепла (системы, указанные в EN) |
| Высокотемпературные трубопроводы и сосуды под давлением, подверженные ползучести до ~600°C | Высокотемпературные трубопроводы и сосуды под давлением для аналогичных температурных диапазонов под юрисдикцией EN/PED |
| Компоненты, требующие отслеживаемости материалов ASME и квалификации (проекты США/международные, требующие ASME) | Компоненты, требующие соответствия EN или документации цепочки поставок в Европе |
| Корпуса турбин, роторы и критические компоненты, отремонтированные сваркой, где используются процедуры сварки ASME | Компоненты турбин и котлов, где указаны процедуры сварки и инспекции EN |
Обоснование выбора: - Используйте любой сорт, где проектные температуры и требования к ползучести соответствуют семейству 9Cr–1Mo. Выбирайте на основе действующего кода и требуемого режима квалификации/инспекции. Металлургия и область применения очень схожи; решающим фактором обычно является соответствие стандартам, возможности поставщика и правила закупок проекта.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: Стоимость сырья P91 и X10CrMoVNb9-1 схожа, поскольку химические составы сопоставимы; однако затраты на закупку различаются в зависимости от географии. P91 может иметь премиальную цену в регионах, где сертифицированных заводов ASME меньше, а X10CrMoVNb9-1 может быть более экономичным в Европе, где преобладают заводы EN.
- Доступность: Оба сорта широко доступны для общих форм продукта (труб, трубок, кованых изделий, плит), но конкретные формы, размеры и состояния термообработки могут иметь сроки поставки. Долгосрочные позиции и компоненты с толстыми стенками требуют планирования на заводе и документов QA; указывайте требуемое состояние доставки (нормализованное и закаленное) и сертификаты испытаний, чтобы избежать задержек.
10. Резюме и рекомендации
Сводная таблица (качественная)
| Метрика | P91 | X10CrMoVNb9-1 |
|---|---|---|
| Свариваемость (относительная) | Требует контролируемого предварительного подогрева/PWHT; аналогично эквиваленту EN | Требует контролируемого предварительного подогрева/PWHT; аналогично эквиваленту ASME |
| Баланс прочности и устойчивости | Прочность при высоких температурах и устойчивость закаленного мартенсита при правильной термообработке | Прочность при высоких температурах и устойчивость закаленного мартенсита при правильной термообработке |
| Стоимость и закупка | Конкурентоспособная; может быть предпочтительной, где требуется код ASME | Конкурентоспособная; может быть предпочтительной, где требуется документация EN/PED |
Заключительные рекомендации: - Выберите P91, если ваш проект регулируется кодами ASME/ASTM или если вам требуются сертификаты материалов и процедуры сварки, квалифицированные по ASME, распространенные в США и многих международных проектах. Ссылки на P91 в закупках и квалификации сварки часто упрощают соблюдение спецификаций на основе ASME. - Выберите X10CrMoVNb9-1, если проект указан по европейским (EN) стандартам, соответствию PED, или если вы закупаете у европейских заводов, где формы продуктов, документация и режимы инспекции EN являются стандартными. Это упростит закупку и снизит накладные расходы на квалификацию в проектах, ориентированных на EN.
Заключительная практическая заметка: металлургически обе стали принадлежат к одной и той же семье 9Cr–1Mo–V–Nb и обеспечивают сопоставимые характеристики при термообработке и инспекции в соответствии с соответствующим кодом. Решающим фактором в большинстве решений по закупкам является система спецификаций (ASME против EN), требуемая отслеживаемость и квалификации сварки, а также доступность цепочки поставок для конкретной формы продукта и состояния термообработки.