A106 Gr.B so với A106 Gr.C – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Tiêu chuẩn ASTM A106 mô tả ống thép cacbon liền mạch, chủ yếu dùng cho ứng dụng nhiệt độ cao. Trong nhóm này, Cấp B và Cấp C là hai cấp phổ biến nhất, và các kỹ sư thường phải đối mặt với tình thế tiến thoái lưỡng nan khi lựa chọn: ưu tiên chi phí thấp hơn và khả năng hàn tốt hơn, hay ưu tiên độ bền cao hơn và định mức nhiệt độ/áp suất cho phép cao hơn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm đường ống áp lực dùng cho ứng dụng hơi nước và hydrocarbon, nơi các lựa chọn phụ thuộc vào độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và hiệu suất lâu dài ở nhiệt độ cao.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa A106 Cấp B và Cấp C là Cấp C được chỉ định để đạt được độ bền cao hơn và khả năng chịu nhiệt độ thường cao hơn, đạt được thông qua hàm lượng carbon và mangan cao hơn một chút cùng với các điều chỉnh luyện kim liên quan. Điều này dẫn đến sự đánh đổi: tăng độ bền và độ cứng so với giảm khả năng hàn và độ nhạy va đập.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính: ASTM A106 / ASME SA106 — ống thép cacbon liền mạch dùng cho môi trường nhiệt độ cao.
• Tiêu chuẩn tương đương quốc tế và các tiêu chuẩn liên quan: API 5L (ống dẫn; không giống hệt nhau nhưng có các trường hợp sử dụng chồng chéo), EN (nhiều tiêu chuẩn về kết cấu và ống chịu áp lực), tiêu chuẩn JIS và GB cho ống thép cacbon — mỗi tiêu chuẩn có thành phần và yêu cầu cơ học khác nhau.
• Phân loại vật liệu: cả A106 Gr.B và Gr.C đều là thép cacbon thông thường (không phải thép không gỉ, không phải thép hợp kim theo nghĩa chặt chẽ và không phải HSLA theo định nghĩa hợp kim vi mô hiện đại), được sử dụng làm thép cacbon chịu nhiệt cho đường ống chịu áp suất.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng so sánh định tính các nguyên tố hợp kim có liên quan. Giới hạn và phạm vi chính xác được quy định trong tiêu chuẩn ASTM và có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất và lô nhiệt; bảng này chỉ ra các mức độ tương đối điển hình và vai trò.

Yếu tố	A106 Hạng B (tương đối điển hình)	A106 Hạng C (tương đối điển hình)	Vai trò / Bình luận
C (Cacbon)	Vừa phải	Cao hơn một chút	Tăng cường độ bền và khả năng làm cứng; giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu tăng
Mn (Mangan)	Vừa phải	Cao hơn một chút	Chất tăng cường, chống giòn do lưu huỳnh, tăng khả năng tôi cứng
Si (Silic)	Thấp	Thấp	Chất khử oxy; tác dụng cường độ nhỏ
P (Phốt pho)	Thấp (được kiểm soát)	Thấp (được kiểm soát)	Tạp chất; hàm lượng P cao làm giảm độ dẻo dai
S (Lưu huỳnh)	Thấp (được kiểm soát)	Thấp (được kiểm soát)	Tạp chất; ảnh hưởng đến khả năng gia công và có thể tạo thành sunfua
Cr (Crom)	Dấu vết	Dấu vết	Không cố ý pha trộn với số lượng đáng kể
Ni (Niken)	Dấu vết	Dấu vết	Nói chung là thấp; không phải là một thành phần hợp kim thiết kế ở đây
Mo (Molypden)	Dấu vết / không có	Dấu vết / không có	Không điển hình; sẽ chỉ ra một loại thép hợp kim nếu đáng kể
V, Nb, Ti	Dấu vết / hợp kim vi mô không điển hình	Dấu vết	Không đáng kể trong tiêu chuẩn A106; nhiệt dung riêng có thể bao gồm hợp kim vi mô để tăng cường độ
B, N	Dấu vết	Dấu vết	Nitơ được kiểm soát; bo không được sử dụng trong tiêu chuẩn A106

Giải thích: - Hợp kim loại C thường được phép chứa hàm lượng carbon và mangan cao hơn một chút so với hợp kim loại B để đáp ứng các yêu cầu về độ bền/nhiệt độ cao hơn. Các nguyên tố hợp kim khác thường có hàm lượng thấp và không nhằm mục đích tăng khả năng chống ăn mòn hoặc hiệu suất hợp kim cao. - Vì cả hai về cơ bản đều là thép cacbon nên độ bền và khả năng làm cứng được kiểm soát thông qua cacbon và mangan, trong khi quá trình xử lý (xử lý nhiệt và tốc độ làm nguội) ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô kết quả.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

• Cấu trúc vi mô điển hình (khi sản xuất, chuẩn hóa hoặc cán): cấu trúc vi mô ferit + peclit chiếm ưu thế ở cả hai loại. Thành phần peclit (xi măngit dạng phiến + ferit) tăng khi hàm lượng cacbon tăng, mang lại độ bền và độ cứng cao hơn.
• Cấp B: có hàm lượng carbon thấp hơn một chút, cấu trúc vi mô là ferit thô hơn với ít perlit hơn — mang lại độ dẻo dai và độ bền tốt hơn ở nhiệt độ môi trường.
• Cấp C: hàm lượng cacbon và mangan tăng lên thúc đẩy nhiều perlit hơn và tăng khả năng làm cứng, giúp tăng cường độ bền kéo và độ cứng nhưng có xu hướng làm giảm độ dẻo dai khi va đập (đặc biệt là ở vùng chịu nhiệt sau khi hàn).

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí sau khi austenit hóa) làm mịn kích thước hạt và giảm hiệu ứng phân tách, cải thiện tính đồng nhất và độ dẻo dai ở cả hai cấp. - Quá trình tôi và ram thường không được sử dụng cho thép A106 tiêu chuẩn trong sản xuất ống thông thường vì đây không phải là thép hợp kim được thiết kế cho các đường dẫn martensitic; tuy nhiên, quá trình tôi cục bộ có thể được áp dụng cho các ứng dụng đặc biệt. Tôi có thể tạo ra martensitic ở nhiệt độ cao hơn và cần phải ram tiếp theo để phục hồi độ dẻo dai. - Cán nhiệt cơ học (cán có kiểm soát) có thể cải thiện độ bền và độ dẻo dai bằng cách tinh chỉnh cấu trúc hạt; phương pháp này đôi khi được sử dụng trong quá trình nung có thông số kỹ thuật cao hơn nhưng không được áp dụng rộng rãi trong toàn bộ quá trình sản xuất A106.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây tóm tắt các kỳ vọng về đặc tính cơ học tương đối. Các giá trị đảm bảo chính xác phải được lấy từ thông số kỹ thuật mua hàng và báo cáo thử nghiệm tại nhà máy.

Tài sản	A106 Hạng B	A106 Hạng C	Bình luận
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn	Lớp C thường đạt được độ bền kéo cuối cùng cao hơn do hàm lượng C và Mn cao hơn
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Cao hơn	Năng suất cao hơn một chút ở loại C
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt hơn (cao hơn)	Thấp hơn (giảm)	Hàm lượng perlit cao hơn làm giảm độ dẻo
Độ bền va đập	Tốt hơn (đặc biệt là HAZ)	Thấp hơn (nhạy cảm hơn)	Cấp C nhạy cảm hơn với độ dai của khía và độ giòn HAZ
Độ cứng	Thấp hơn	Cao hơn	Tương quan với hàm lượng cacbon/perlite tăng lên

Giải thích: - Cấp C có độ bền cao hơn nhưng lại giảm độ dẻo và độ bền va đập, đặc biệt quan trọng ở nhiệt độ làm việc thấp hoặc trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ hàn. Cấp B là lựa chọn dễ uốn và dễ gia công hơn cho chế tạo và hàn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn là một yếu tố quan trọng cần cân nhắc đối với hệ thống đường ống. Hai biện pháp thực nghiệm thường được sử dụng để đánh giá rủi ro nứt nguội và ảnh hưởng của khả năng tôi là hệ số tương đương cacbon IIW và công thức Pcm.

Công thức ví dụ: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm quốc tế: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Vì loại C thường chứa nhiều cacbon và mangan hơn loại B một chút nên $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ được tính toán của loại này sẽ cao hơn một chút, cho thấy khả năng làm cứng cao hơn và nguy cơ nứt nguội do hydro hỗ trợ sau khi hàn cao hơn. - Ý nghĩa thực tiễn: quá trình gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) có nhiều khả năng là bắt buộc hoặc được khuyến nghị đối với Cấp C ở các phần dày hơn và trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ thấp. - Đối với đường ống thành mỏng và điều kiện hàn thông thường trong xưởng, cả hai loại đều được hàn thành công, nhưng các biện pháp kiểm soát kỹ thuật và trình độ hàn phải phản ánh những rủi ro cụ thể của từng loại.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép A106 loại B và loại C đều là thép cacbon không gỉ và không có khả năng chống ăn mòn vượt trội so với thép cacbon thông thường.
• Các phương pháp bảo vệ bề mặt điển hình:
• Hệ thống sơn hoặc phủ (lớp phủ epoxy, polyurethane, bitum).
• Mạ kẽm (lớp phủ kẽm) — được sử dụng trong nhiều ứng dụng ngoài trời hoặc trong khí quyển, nhưng việc mạ kẽm đường ống dịch vụ nhiệt độ cao có thể bị hạn chế bởi các điều kiện dịch vụ.
• Lớp phủ hoặc lớp lót (ví dụ: lớp phủ hàn, lớp lót polyme) cho chất lỏng bên trong có tính ăn mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các vật liệu này vì PREN áp dụng cho hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Tóm lại: hãy lựa chọn phương pháp bảo vệ chống ăn mòn phù hợp, không phụ thuộc vào cấp độ; việc lựa chọn giữa B và C không nên dựa trên các cân nhắc về khả năng chống ăn mòn (về cơ bản chúng giống nhau) mà dựa trên nhu cầu về cơ khí và chế tạo.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Khả năng gia công: Độ cứng và thành phần perlit cao hơn của thép cấp C sẽ làm giảm tuổi thọ dụng cụ và có thể làm chậm quá trình cắt một chút so với thép cấp B. Áp dụng quy trình gia công tiêu chuẩn cho ống cacbon; nên lựa chọn thép dụng cụ và tốc độ cho phù hợp.
• Khả năng định hình và uốn nguội: Cấp B, dẻo hơn, thường dễ uốn và tạo hình nguội hơn mà không cần quy trình tạo hình ở nhiệt độ cao. Cấp C có thể yêu cầu bán kính uốn lớn hơn hoặc kiểm soát cẩn thận hơn để tránh nứt, đặc biệt đối với các mối uốn có bán kính hẹp.
• Ren, bích và ghép hạt: cả hai loại này thường được chế tạo thành phụ kiện tiêu chuẩn. Việc thẩm định và kiểm tra quy trình hàn (ví dụ: NDT) nên nghiêm ngặt hơn đối với loại C khi độ dày hoặc các hạn chế về mối nối làm tăng nguy cơ vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

8. Ứng dụng điển hình

A106 Hạng B — Công dụng điển hình	A106 Cấp C — Công dụng điển hình
Đường ống phân phối hơi nước, dịch vụ nhiệt độ cao nói chung, nơi có độ bền vừa phải và độ dẻo cao được ưu tiên	Đường ống nhiệt độ cao và áp suất cao hơn, nơi cần ứng suất cho phép cao hơn và sử dụng các phần dày hơn
Đường ống tiện ích của nhà máy lọc dầu, bình chịu áp suất trong đó hàn thường xuyên và độ bền được ưu tiên	Dây chuyền xử lý áp suất cao trong đó cường độ cao hơn bù đắp cho các biện pháp kiểm soát chế tạo bổ sung
Đường ống nhà máy điện ở nhiệt độ vừa phải	Dịch vụ có yêu cầu về nhiệt độ/áp suất hơi cao khi nhà cung cấp chứng nhận hiệu suất Cấp C

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Cấp B khi tần suất hàn, độ bền (đặc biệt là HAZ) và độ nhạy về chi phí là những mối quan tâm chính. - Chọn Cấp C khi điều kiện sử dụng đòi hỏi độ bền cao hơn hoặc khi quy định thiết kế cho phép tận dụng độ bền cao hơn để giảm độ dày thành hoặc đáp ứng ứng suất cho phép cao hơn — với điều kiện là các biện pháp kiểm soát chế tạo bù đắp cho khả năng hàn/độ bền giảm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Loại B thường là loại được sản xuất và chỉ định phổ biến hơn, do đó thường có chi phí giao hàng thấp hơn so với Loại C ở nhiều thị trường. Loại C có thể có giá cao hơn nếu yêu cầu chứng nhận cường độ cao hơn hoặc kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều có sẵn rộng rãi ở các kích thước ống liền mạch tiêu chuẩn, nhưng loại B thường có lượng hàng tồn kho lớn hơn. Các kích thước đặc biệt, độ dày thành ống, hoặc vật liệu loại C được chứng nhận với các thử nghiệm bổ sung có thể có thời gian giao hàng lâu hơn.

Các hình thức sản phẩm: - Vật liệu ASTM A106 thường được cung cấp dưới dạng ống liền mạch. Các yêu cầu về thông số kỹ thuật và báo cáo thử nghiệm tại nhà máy phải xác nhận cấp độ, điều kiện xử lý nhiệt (nếu có) và các đặc tính cơ học.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Tiêu chí	A106 Hạng B	A106 Hạng C
Khả năng hàn	Tốt hơn (FPQ dễ hơn, ít phải làm nóng trước hơn)	Yêu cầu khắt khe hơn (nguy cơ nung nóng trước/PWHT cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo dai/độ bền cao hơn	Độ bền cao hơn, độ dẻo/độ dai thấp hơn
Chi phí và tính khả dụng	Nói chung chi phí thấp hơn, có sẵn nhiều hơn	Chi phí cao hơn một chút, đôi khi ít hàng hơn

Kết luận: - Chọn A106 Cấp B nếu bạn cần vật liệu ống carbon cân bằng, tiết kiệm chi phí với khả năng hàn vượt trội, độ dẻo tốt hơn và độ bền khía chắc chắn hơn cho đường ống nhiệt độ cao thông thường và các hoạt động hàn thường xuyên. - Chọn A106 Cấp C nếu bạn yêu cầu độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn cho dịch vụ ở nhiệt độ cao hoặc áp suất cao hơn và sẵn sàng thực hiện các biện pháp kiểm soát hàn nghiêm ngặt hơn, có thể gia nhiệt trước/PWHT và xác minh độ dẻo dai bảo thủ hơn, đặc biệt là ở các phần dày hơn hoặc môi trường nhiệt độ thấp.

Lưu ý cuối cùng: Luôn kiểm tra các yêu cầu cụ thể về hóa chất và cơ học với thông số kỹ thuật mua hàng và chứng nhận thử nghiệm tại nhà máy. Đối với các ứng dụng quan trọng, hãy thực hiện kiểm định quy trình hàn, kiểm soát hydro và thử nghiệm NDT và độ bền phù hợp với cấp độ và điều kiện sử dụng đã chọn.