SPA-H против SPA-C – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Инженеры и команды по закупкам, выбирающие стали для сосудов под давлением или конструкционных плит, часто сталкиваются с компромиссом между прочностью, ударной вязкостью и стоимостью. Типичные контексты принятия решений включают спецификацию плит для котлов и сосудов под давлением, выбор материалов для резервуаров холодного обслуживания или выбор более тяжелых секций, где предпочтительнее использовать более тонкие листы для экономии веса. SPA‑C и SPA‑H часто сравниваются, поскольку они представляют две разные проектные философии: одна акцентирует внимание на более низком содержании углерода и высокой ударной вязкости и свариваемости, в то время как другая подчеркивает большую закаливаемость и более высокую достигаемую прочность за счет состава и термообработки.

Практическое различие между этими марками сосредоточено на легировании и стратегии углерода/закаливаемости: формулы SPA‑C оптимизированы для пластичности, ударной вязкости и хорошей свариваемости за счет максимальной прочности, в то время как формулы SPA‑H содержат более высокую закаливаемость и содержание легирующих элементов, чтобы обеспечить более высокую прочность и/или лучшую сохранность прочности при повышенных температурах, но могут требовать более точного контроля термообработки и сварки.

1. Стандарты и обозначения

• Общие стандарты, в которых встречается номенклатура типа SPA: списки материалов ASME/ASTM и каталоги плит для сосудов под давлением; однако точное использование варьируется в зависимости от поставщика и региона. Всегда подтверждайте точную спецификацию и сертификат (например, ASTM Axxx или EN xxxx) перед закупкой.
• Другие стандарты, которые следует учитывать при сравнении аналогичных сталей: EN (европейские нормы), JIS (японские), GB (национальные стандарты Китая).
• Классификация по семейству сталей:
• SPA‑C: Обычно углеродная или низколегированная углеродная сталь, предназначенная для работы в условиях сосудов под давлением (семейство углеродных сталей).
• SPA‑H: Обычно сталь с высокой закаливаемостью или низколегированная сталь (по-прежнему часто классифицируется как углеродная/легированная сталь, а не нержавеющая или инструментальная сталь), предназначенная для приложений с высокой прочностью (семейство низколегированных/углеродных сталей).
• Примечание: Номенклатура с префиксом SPA иногда используется в каталогах поставщиков или старых списках материалов; основная стандартизированная спецификация (ASTM/EN/JIS/GB) определяет точный химический состав и механические требования.

2. Химический состав и стратегия легирования

Таблица ниже дает ориентировочные, типичные диапазоны состава (в.%). Это представительные диапазоны, используемые в инженерной практике для иллюстрации композиционной стратегии — точные значения должны быть взяты из контролирующей спецификации или сертификата завода.

Элемент	Типичный SPA‑C (в.%) — ориентировочно	Типичный SPA‑H (в.%) — ориентировочно
C	0.06 – 0.20	0.15 – 0.35
Mn	0.3 – 0.9	0.5 – 1.2
Si	0.10 – 0.40	0.10 – 0.50
P	≤ 0.025 – 0.035	≤ 0.030 – 0.040
S	≤ 0.025 – 0.035	≤ 0.030 – 0.040
Cr	≤ 0.30	0.20 – 1.00
Ni	≤ 0.30	0.20 – 1.50
Mo	≤ 0.10	0.05 – 0.60
V	≤ 0.05	0.02 – 0.20
Nb (Cb)	следы – 0.02	следы – 0.06
Ti	следы – 0.02	следы – 0.05
B	следы (часто отсутствуют)	следы (уровни в ppm при использовании)
N	≤ 0.012	≤ 0.012

Как легирование влияет на свойства - Углерод: основной контроль закаливаемости и прочности; более высокий углерод увеличивает достигаемую прочность и твердость, но снижает пластичность и свариваемость. - Марганец: увеличивает закаливаемость, прочность на растяжение и дегазацию; высокий Mn способствует прочности, но может немного снизить ударную вязкость, если его слишком много. - Кремний: дегазатор, небольшое упрочнение твердого раствора. - Хром, молибден, никель, ванадий, ниобий, титан: легирующие добавки, которые увеличивают закаливаемость, прочность после закалки/отпуска и прочность при высоких температурах (Mo, Cr). Микролегирование (V, Nb, Ti) улучшает структуру зерна и баланс прочности/ударной вязкости за счет упрочнения осаждением и упрочнения зерна. - Бор (ppm): очень небольшие добавки могут значительно увеличить закаливаемость при контролируемых уровнях.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры - SPA‑C: В состоянии прокатки или нормализации обычно демонстрирует микроструктуру феррит-перлита (или мелкого феррита/перлита). Низкое содержание углерода и ограниченное легирование приводят к грубой или мелкой перлитной структуре в зависимости от истории охлаждения; ударная вязкость достигается за счет ограничения углерода и контроля чистоты и размера зерна. - SPA‑H: С более высоким содержанием углерода и легирующих элементов стали SPA‑H могут развивать bainitic или martensitic структуры после соответствующей закалки или контролируемого охлаждения. В нормализованном или закаленном и отпущенном состоянии они показывают отпущенный мартенсит или отпущенный байнит с более высокой прочностью.

Ответ на термообработку - Нормализация: обе марки реагируют на нормализацию с улучшением размера зерна и повышением ударной вязкости; SPA‑C получает больше преимуществ из-за более низкой закаливаемости. - Закалка и отпуск: SPA‑H предназначена для закалки и отпуска, чтобы достичь высокой прочности и контролируемой ударной вязкости; SPA‑C может реже закаливаться в мартенсит из-за более низкого содержания углерода и меньшего легирования (реакция на закалку ограничена). - Термомеханическая обработка: микролегированные варианты обеих марок (с Nb, V) хорошо реагируют на контролируемую прокатку для получения мелкозернистых феррит-перлитных или байнитных структур, которые обеспечивают улучшенный баланс прочности и ударной вязкости.

4. Механические свойства

Типичные диапазоны механических свойств — только ориентировочно; используйте контролирующую спецификацию для закупки.

Свойство	SPA‑C (типичный диапазон)	SPA‑H (типичный диапазон)
Прочность на растяжение (МПа)	380 – 550	500 – 900
Предельная прочность (0.2% смещение) (МПа)	230 – 350	350 – 700
Удлинение (%)	18 – 30	8 – 20
Ударная вязкость (Charpy V‑notch)	Часто ≥ 27 Дж при указанной температуре; хорошая ударная вязкость при низких температурах	Переменная; может быть хорошей, если правильно отверждена, но обычно ниже, чем у SPA‑C в поставленном состоянии
Твердость (HB)	~120 – 200	~160 – 320

Интерпретация - SPA‑H может достигать более высоких уровней прочности благодаря более высокому содержанию углерода и легирования, а также термообработке, но это часто снижает пластичность и ударную вязкость по сравнению с SPA‑C. - SPA‑C обычно более пластична и имеет лучшую ударную вязкость и свариваемость в состоянии после обработки, что делает ее подходящей для холодных или чувствительных к ударам условий.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит от углеродного эквивалента и закаливаемости, а не только от названия. Два часто используемых эмпирических индекса — это углеродный эквивалент IIW и Pcm Международного института сварки. Примеры:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация - SPA‑C: более низкое содержание углерода и меньшее количество легирующих элементов приводят к более низким $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$; это переводится в лучшую свариваемость, меньшие требования к предварительному нагреву и меньший риск трещин, вызванных водородом, если используются правильные практики сварки. - SPA‑H: более высокое содержание углерода и легирующих элементов увеличивает $CE_{IIW}$/$P_{cm}$, повышая риск закаленных термически пораженных зон и холодных трещин. SPA‑H может требовать предварительного нагрева, контролируемых температур межпрохода, термообработки после сварки (PWHT) и низководородных расходных материалов. - Микролегирование: такие элементы, как Nb и V, могут немного повысить $P_{cm}$, улучшая размер зерна и прочность; их влияние на свариваемость должно контролироваться через спецификацию сварочной процедуры (WPS).

6. Коррозия и защита поверхности

• Обе марки SPA‑C и SPA‑H являются углеродными/низколегированными сталями, не являющимися нержавеющими; равномерная защита от коррозии зависит от покрытий и катодной защиты.
• Общие защитные меры: горячее цинкование (подходит для многих углеродных сталей, но учитывайте температурные ограничения и толщину), эпоксидные/уретановые системы покраски, металлизация и жертвенные аноды для погруженного обслуживания.
• Для сред с высоким содержанием хлора или где требуется пассивность необходимы нержавеющие стали; PREN (эквивалентный номер сопротивления к образованию коррозии) не применим к углеродным сталям. Для справки, PREN:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Выбор стратегии защиты зависит от условий эксплуатации (атмосферные, погруженные, кислые условия), температуры и допустимого обслуживания.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Резка: более высокая твердость и прочность SPA‑H увеличивают износ инструмента и могут требовать более медленных скоростей резки и более прочных инструментов. SPA‑C обрабатывается легче.
• Формование/гиб: SPA‑C более формуемая из-за более низкой предельной прочности и большей пластичности; SPA‑H может требовать больших радиусов изгиба или термически вспомогательного формования.
• Сварка/обработка: SPA‑C обычно допускает более агрессивные практики обработки; SPA‑H требует контролируемого предварительного нагрева, межпроходного и, возможно, PWHT для критической обработки. Управление остаточными напряжениями и деформацией более важно для SPA‑H из-за более высоких градиентов прочности.
• Обработка поверхности: обе марки реагируют на шлифовку, дробеструйную обработку и обработки поверхности, но SPA‑H может проявлять эффекты упрочнения или отпуска, если подвергается высокоэнергетической отделке.

8. Типичные применения

SPA‑C — Типичные применения	SPA‑H — Типичные применения
Корпуса котлов и сосудов под давлением, где необходимы высокая ударная вязкость и хорошая свариваемость (обслуживание при низких температурах).	Компоненты давления и конструкционные части, где требуется более высокая прочность или более тонкие секции (когда проект требует более высоких допустимых напряжений).
Резервуары и трубопроводы для умеренного давления и окружающих/низких температур.	Сосуды под высоким давлением, более толстые сечения, требующие глубокой закалки, и закаленные и отпущенные компоненты.
Общая конструкционная плита, где приоритетом являются ударная вязкость и пластичность.	Компоненты тяжелой техники, кованые детали и приложения, требующие высокой стойкости к отпуску.

Обоснование выбора - Выбирайте SPA‑C, когда приоритетами являются ударная вязкость при низких температурах, сопротивляемость ударам в процессе эксплуатации и простота сварки. - Выбирайте SPA‑H, когда проект требует более высоких допустимых напряжений, более тонких секций для той же нагрузки или когда компонент будет закален и отпущен для достижения определенной прочности.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: SPA‑H обычно имеет надбавку по сравнению с SPA‑C из-за более высокого содержания легирующих элементов, дополнительной обработки (контролируемая прокатка, закалка/отпуск) и более строгого контроля термообработки. SPA‑C обычно более экономична для больших плит, где достаточно высокой ударной вязкости и свариваемости.
• Доступность: обе марки обычно доступны в виде плит, но варианты SPA‑C более распространены в стандартных запасах плит для сосудов под давлением. SPA‑H может производиться по заказу в определенных толщинах и состояниях (нормализованная, закаленная и отпущенная), поэтому сроки поставки могут быть длиннее для необычных размеров или сертифицированных термообработок.
• Формы продукции: плита, рулон и иногда прутки; SPA‑H чаще указывается для термообработанных плит и кованых изделий.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное)

Атрибут	SPA‑C	SPA‑H
Свариваемость	Высокая (меньший предварительный нагрев, более простая WPS)	Умеренная до низкой (вероятно, предварительный нагрев/PWHT)
Баланс прочности и ударной вязкости	Хорошая ударная вязкость, умеренная прочность	Достижимая высокая прочность, ударная вязкость зависит от обработки
Стоимость	Ниже	Выше

Рекомендации - Выбирайте SPA‑C, если: - Ваш проект требует превосходной ударной вязкости в состоянии после обработки и минимальной сложности сварки. - Рабочая температура низкая или устойчивость к ударам является ключевым контролем режима отказа. - Стоимость и простота обработки являются доминирующими требованиями.

• Выбирайте SPA‑H, если:
• Вам нужны более высокие допустимые напряжения, более тонкие секции для экономии веса или пространства, или детали, которые будут закалены и отпущены для достижения определенных уровней прочности.
• Вы можете принять более строгие требования к сварке (предварительный нагрев, PWHT) и потенциально более высокие затраты на закупку и обработку.

Заключительная заметка: Этикетки в стиле SPA могут охватывать диапазон химических составов и условий у разных поставщиков. Всегда указывайте контролирующий стандарт или сертификат испытаний завода, требуемую термообработку (нормализованную, закаленную и отпущенную или в состоянии после прокатки), требования Charpy‑V при регулируемой температуре и квалификации сварочной процедуры. Для критических проектов запрашивайте полные результаты химического состава и механических испытаний, а также проводите предварительные сварочные испытания и испытания PWHT для проверки производительности в предполагаемой среде обработки и эксплуатации.