A106 Gr.B so với A53 Gr.B – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A106 Cấp B và ASTM A53 Cấp B là hai loại ống thép cacbon được quy định rộng rãi mà các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường gặp. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường xoay quanh các yếu tố đánh đổi như nhiệt độ làm việc so với ngân sách, nhu cầu vật liệu liền mạch so với khả năng chấp nhận ống hàn, và độ bền cần thiết cho tải trọng va đập hoặc tải trọng tuần hoàn so với mục đích sử dụng kết cấu đơn giản. Các quyết định điển hình phát sinh trong đường ống dẫn dầu khí, đường ống phát điện, hệ thống cơ khí và khung kết cấu.

Sự khác biệt thực tế giữa hai loại này là A106 Cấp B được sản xuất và chỉ định chủ yếu cho các ứng dụng nhiệt độ và áp suất cao (dùng cho đường ống và nồi hơi) và thường được cung cấp dưới dạng ống liền mạch, trong khi A53 Cấp B là loại ống đa năng hơn, được cung cấp dưới dạng ống liền mạch hoặc hàn/ERW và thường được sử dụng cho các ứng dụng kết cấu và áp suất ở nhiệt độ từ thấp đến trung bình. Do hai loại ống này có đặc tính hóa học và cơ học tương tự nhau, chúng thường được so sánh khi người mua phải cân nhắc giữa chi phí, tính khả dụng và các điều kiện vận hành cần thiết.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính:
• ASTM/ASME: ASTM A106 (ống thép cacbon liền mạch dùng cho nhiệt độ cao); ASTM A53 (ống thép cacbon, đen và nhúng nóng, mạ kẽm, hàn và liền mạch).
• ASME: ASME SA106 và SA53 (tên gọi tương đương cho đường ống chịu áp suất và vật liệu nồi hơi).
• EN / JIS / GB: Có các cấp EN và JIS/GB có thể so sánh được một cách lỏng lẻo (ví dụ: EN 10216 cho ống liền mạch, EN 10255/10217 cho ống hàn và các cấp GB/T tương đương của Trung Quốc), nhưng việc lập bản đồ trực tiếp một-một đòi hỏi phải kiểm tra sự phù hợp về mặt hóa học và cơ học.
• Phân loại theo loại thép:
• Cả A106 Gr.B và A53 Gr.B đều là thép cacbon (không phải thép không gỉ, không phải thép hợp kim và không phải HSLA theo tiêu chuẩn hợp kim vi mô hiện đại, mặc dù một số nhà máy có thể thêm các nguyên tố hợp kim vi mô nhỏ).
• Chúng không phải là thép dụng cụ hoặc thép không gỉ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Cả hai loại thép này đều là thép cacbon thấp với hàm lượng mangan và silic thấp, cùng giới hạn tạp chất thấp. Chúng được thiết kế để dễ gia công (tạo hình, hàn) và có độ bền phù hợp ở nhiệt độ trung bình hoặc cao, thay vì để đạt độ cứng cao hoặc khả năng chống ăn mòn.

Bảng: Đặc điểm thành phần điển hình (tham khảo tiêu chuẩn ASTM kiểm soát và chứng chỉ thử nghiệm nhà máy để biết giới hạn chính xác)

Yếu tố	A106 Gr. B (điển hình/thông số kỹ thuật)	A53 Gr. B (điển hình/thông số kỹ thuật)
Cacbon (C)	Lên đến ~0,30% (thiết kế ít carbon để duy trì khả năng hàn và độ bền)	Lên đến ~0,30% (phương pháp tiếp cận low-C tương tự)
Mangan (Mn)	Thông thường là ~0,3–1,0% (tăng cường và khử oxy)	Thông thường là ~0,3–1,0% (chức năng tương tự)
Silic (Si)	Nói chung là ~0,1–0,4% (chất khử oxy)	Nói chung là ~0,1–0,4%
Phốt pho (P)	Thấp, thường ≤0,035% (kiểm soát độ dẻo dai ở nhiệt độ cao)	Được kiểm soát nhưng thường có giới hạn cho phép cao hơn A106 (thường là ≤0,04–0,05%)
Lưu huỳnh (S)	Thấp, thường ≤0,035% (kiểm soát độ dẻo và độ dai)	Được kiểm soát; thường có giới hạn cho phép cao hơn một chút so với A106 (thường là ≤0,04–0,05%)
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	Thông thường không được cố ý thêm vào với số lượng đáng kể; có thể có dấu vết nhỏ hoặc hợp kim vi mô tùy thuộc vào thực hành của nhà máy	Tương tự—không có sự hợp kim hóa cố ý để tăng khả năng tôi luyện; có thể xuất hiện hiện tượng hợp kim hóa vi mô

Ghi chú: - Giới hạn và phạm vi cho phép chính xác được quy định trong thông số kỹ thuật ASTM. Bảng này trình bày các thành phần thực tế điển hình và quy tắc chung là A106 thường có kiểm soát P/S nghiêm ngặt hơn và được thiết kế cho ứng dụng ở nhiệt độ cao. - Chiến lược hợp kim hóa: hợp kim hóa tối thiểu giúp duy trì khả năng hàn và độ dẻo dai ở nhiệt độ sử dụng yêu cầu; độ bền chủ yếu được tạo ra bởi carbon và mangan cùng với quá trình xử lý nhiệt cơ học được kiểm soát khi áp dụng.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan làm tăng độ bền nhưng cũng làm tăng khả năng tôi cứng và nguy cơ nứt nguội ở vùng HAZ của mối hàn; do đó duy trì hàm lượng cacbon thấp. - Silic chủ yếu là chất khử oxy và không làm thay đổi đáng kể các tính chất cơ học ở mức độ này. - Hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh cao hơn làm giảm độ dẻo dai và do đó được giữ ở mức thấp hơn trong các loại thép dành cho các ứng dụng chịu nhiệt độ cao và va đập.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình (khi sản xuất, chuẩn hóa hoặc cán): ferit và peclit. Cả hai loại thép này chủ yếu thể hiện cấu trúc vi mô ferit-peclit đặc trưng của thép cacbon thấp.
• Cấp A106 B: Vì được chỉ định cho ứng dụng nhiệt độ cao, nên thép này thường được cung cấp ở trạng thái chuẩn hóa (tùy thuộc vào quy trình sản xuất) để cải thiện độ dẻo dai và tạo ra cấu trúc ferit-perit đồng nhất. Quá trình chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ cao.
• Cấp A53 B: thường được cung cấp dưới dạng cán hoặc hàn; thường không có quy định xử lý nhiệt. Cấu trúc vi mô của nó vẫn là ferit-perit nhưng có thể có hạt thô hơn nếu không được chuẩn hóa.
• Phản ứng với xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa: tinh chỉnh hạt và cải thiện độ bền va đập cho cả hai; thường được áp dụng cho A106 để đáp ứng các yêu cầu khắt khe hơn về độ bền và khả năng chống biến dạng ở nhiệt độ cao.
• Làm nguội và ram: thường không áp dụng cho các loại thép này vì chúng không phải là loại thép được tôi và ram; việc cố gắng làm nguội/ram có thể tạo ra martensite cứng không mong muốn và làm giảm độ dẻo dai trừ khi được kiểm soát cẩn thận.
• Xử lý nhiệt cơ học: các tuyến cán hiện đại có thể đạt được sự cân bằng độ bền-độ dẻo dai tốt hơn thông qua cán có kiểm soát cho cả hai loại, nhưng các máy cán A106 có thể thường xuyên sử dụng chuẩn hóa hơn do kỳ vọng về dịch vụ.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của các loại thép này phụ thuộc vào dạng sản phẩm, độ dày thành, quy trình sản xuất và phiên bản tiêu chuẩn áp dụng. Các giá trị dưới đây chỉ mang tính chất so sánh định tính: luôn kiểm tra giá trị tối thiểu trên bảng ASTM/ASME hoặc chứng chỉ thử nghiệm nhà máy áp dụng.

Bảng: So sánh hành vi cơ học (định tính)

Tài sản	A106 Lớp B	A53 Lớp B
Độ bền kéo	Trung bình — được chỉ định để đáp ứng nhu cầu dịch vụ áp suất/nhiệt độ; thường tương tự như A53 nhưng đôi khi có sự kiểm soát chặt chẽ hơn	Trung bình — tương đương với A106 trong nhiều trường hợp về độ dày thành và lộ trình sản xuất tương tự
Sức chịu lực	Trung bình — phù hợp với đường ống chịu áp lực; có thể tương tự hoặc cao hơn một chút nếu được chuẩn hóa/cuộn có kiểm soát	Trung bình — năng suất danh nghĩa tương tự, nhưng thay đổi tùy theo dạng sản phẩm hàn so với dạng sản phẩm liền mạch
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt — điều kiện chuẩn hóa cải thiện độ dẻo và độ dai	Tốt — nói chung là đủ cho các ứng dụng tạo hình và kết cấu
Độ bền va đập	Thông thường được kiểm soát tốt hơn đối với A106 (đặc biệt khi được chuẩn hóa và chỉ định cho nhiệt độ/áp suất cao hơn)	Biến đổi; có thể thấp hơn A106 chuẩn hóa nếu P/S không được kiểm soát chặt chẽ hoặc nếu không được chuẩn hóa
Độ cứng	Thấp đến trung bình (tương đương với thép ít cacbon)	Thấp đến trung bình

Giải thích: - Cấp A106 B thường được chỉ định khi cần độ bền và độ đồng đều ở nhiệt độ cao tốt hơn một chút; Cấp A53 B là cấp thép đa dụng tiết kiệm chi phí. Đối với nhiều ứng dụng đường ống ở nhiệt độ môi trường, hiệu suất cơ học tương đương; đối với đường ống nhiệt độ cao hoặc ứng dụng quan trọng, A106 thường được ưu tiên.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép cacbon thấp nhìn chung là tốt, nhưng khả năng nứt nguội do hydro và cứng HAZ phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (không cần thay thế số ở đây): - Đương lượng cacbon (dạng IIW) thường dùng: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức PCM cho nguy cơ nứt nguội HAZ: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả hai loại đều có hàm lượng cacbon và hợp kim thấp, mang lại giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thuận lợi cho các quy trình hàn thông thường. - A106 Gr. B: do kiểm soát tạp chất chặt chẽ hơn và chuẩn hóa chung, nên thép này thường có khả năng hàn tốt khi chế tạo đường ống hoạt động ở nhiệt độ cao. - A53 Gr. B: cũng có thể hàn được, đặc biệt là khi không yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn (PWHT); tuy nhiên, A53 hàn có giới hạn P và S cao hơn hoặc ứng suất dư có thể cần chú ý nhiều hơn đến việc gia nhiệt trước hoặc kiểm soát hydro đối với các phần dày hoặc dịch vụ ở nhiệt độ thấp. - Đối với đường ống quan trọng, hãy tuân thủ các thông số kỹ thuật về quy trình hàn (WPS), yêu cầu gia nhiệt trước/PWHT và phiếu kiểm tra; luôn tham khảo dữ liệu hóa học thực tế và sử dụng các công thức trên để sàng lọc nguy cơ nứt.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả A106 Gr.B và A53 Gr.B đều không phải thép không gỉ; cả hai đều cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường ăn mòn.
• Các phương pháp bảo vệ điển hình: hệ thống sơn và phủ (epoxy, polyurethane), phun nhiệt, chất ức chế ăn mòn và mạ kẽm khi cần thiết (A53 thường được mạ kẽm để sử dụng cho kết cấu/ngoại thất).
• Đối với môi trường yêu cầu khả năng chống ăn mòn cao (môi trường clorua, axit hoặc biển), hãy chỉ định thép không gỉ hoặc hợp kim chống ăn mòn thay vì dựa vào lớp phủ.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép cacbon không gỉ này. Để tham khảo, PREN là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng điều này chỉ áp dụng cho các loại thép không gỉ có hàm lượng Cr, Mo và N đáng kể.

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

• Khả năng gia công: cả hai loại đều dễ dàng gia công bằng dụng cụ tiêu chuẩn; hàm lượng carbon thấp giúp tránh mài mòn dụng cụ quá mức. Khả năng gia công của cả hai loại đều tương tự nhau, với một số khác biệt nhỏ tùy thuộc vào vi hợp kim và hình dạng sản phẩm.
• Khả năng định hình/uốn cong: độ dẻo tốt cho phép uốn và định hình nguội đối với cả hai loại; đối với các phần có thành dày hơn hoặc các sản phẩm hàn, độ đàn hồi và bán kính uốn cong cần thiết phải tuân theo thông lệ tiêu chuẩn.
• Ren và nối: cả hai đều phù hợp để hàn ren, hàn ổ cắm và hàn đối đầu; ống A53 hàn có thể có các hạn chế về đường nối đối với một số điều kiện dịch vụ nhất định (ví dụ: hướng đường nối dọc so với định mức áp suất).
• Hoàn thiện: cả hai đều chấp nhận xử lý bề mặt thông thường và thử nghiệm không phá hủy (UT, RT, MPI) khi cần thiết.

8. Ứng dụng điển hình

A106 Hạng B (sử dụng phổ biến)	A53 Hạng B (sử dụng phổ biến)
Đường ống hơi nhiệt độ cao, ống nồi hơi và đường ống lọc dầu/hóa dầu nơi cần có đặc tính nhiệt độ cao và kết cấu liền mạch	Ống dẫn cơ khí và kết cấu thông dụng, phân phối nước và khí đốt, hàng rào/lan can và ống dẫn cơ khí; có sẵn dạng hàn hoặc liền mạch
Đường ống truyền tải và dây chuyền xử lý nơi vật liệu liền mạch chuẩn hóa được chỉ định	Các dự án nhạy cảm về chi phí, trong đó ống hàn được chấp nhận và áp dụng biện pháp bảo vệ chống ăn mòn (mạ kẽm/sơn)
Dịch vụ yêu cầu hiệu suất nhiệt độ cao đồng đều và kiểm soát độ bền chặt chẽ hơn	Hệ thống kết cấu và áp suất nhiệt độ thấp đến trung bình, giàn giáo và chế tạo chung

Cơ sở lựa chọn: - Chọn A106 khi nhiệt độ, áp suất và độ bền làm việc là yếu tố quan trọng và cần vật liệu liền mạch, được chuẩn hóa. Chọn A53 khi chi phí, tính khả dụng và hiệu suất sử dụng chung cho đường ống nhiệt độ môi trường hoặc kết cấu là mối quan tâm hàng đầu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Thép A53 loại B thường được sử dụng rộng rãi hơn và thường có giá thành thấp hơn, đặc biệt là vì nó được sản xuất ở cả dạng hàn (ERW) và dạng liền mạch và thường được dự trữ ở nhiều khu vực.
• A106 Cấp B thường được sản xuất theo dạng liền mạch và có thể tốn kém hơn cho mỗi foot tuyến tính, đặc biệt đối với đường kính lớn hơn hoặc vật liệu chuẩn hóa có dung sai chặt chẽ.
• Tính khả dụng phụ thuộc vào sản lượng và hàng tồn kho tại nhà máy; thời gian giao hàng cho thép A106 liền mạch có thể lâu hơn đối với các kích thước hoặc độ dày thành đặc biệt. Bộ phận mua sắm nên kiểm tra hàng tồn kho hiện tại của nhà phân phối và yêu cầu báo cáo thử nghiệm nhà máy (MTR) để xác minh thành phần hóa học và xử lý nhiệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh (định tính)

Hệ mét	A106 Lớp B	A53 Lớp B
Khả năng hàn	Rất tốt (hóa học được chuẩn hóa/kiểm soát)	Rất tốt (nhưng hãy kiểm tra P/S và mối hàn để tìm sản phẩm ERW)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Được tối ưu hóa cho dịch vụ áp suất nhiệt độ cao; kiểm soát độ bền chặt chẽ hơn	Phù hợp cho đường ống thông thường và sử dụng kết cấu; thay đổi tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm
Trị giá	Cao hơn (liền mạch, thường được chuẩn hóa)	Thấp hơn (có nhiều lựa chọn hàn và liền mạch)

Khuyến nghị: - Chọn A106 Hạng B nếu: - Bạn cần ống liền mạch để phục vụ cho nhu cầu nhiệt độ cao hoặc áp suất cao. - Độ dẻo dai và tính đồng nhất ở nhiệt độ cao là rất quan trọng. - Thông số kỹ thuật của dự án yêu cầu ASTM A106/ASME SA106 và bạn phải đáp ứng các bảng dịch vụ nhiệt độ cao cụ thể. - Chọn A53 Hạng B nếu: - Bạn cần một loại ống có giá thành phải chăng, đa năng cho nhiệt độ môi trường xung quanh đến nhiệt độ trung bình. - Sản phẩm hàn hoặc ERW được chấp nhận và mong muốn có sẵn nhanh hơn hoặc chi phí thấp hơn. - Ứng dụng cho đường ống kết cấu hoặc đường ống không quan trọng trong đó hiệu suất A53 đáp ứng được yêu cầu thiết kế.

Lưu ý cuối cùng: cả hai cấp độ đều được hiểu rõ và được quy định rộng rãi. Việc lựa chọn phù hợp luôn phải được xác nhận dựa trên quy chuẩn thiết kế hiện hành, chứng chỉ thử nghiệm nhà máy thực tế, quy trình NDE và hàn bắt buộc, cũng như môi trường làm việc (nhiệt độ, áp suất, ăn mòn). Khi nghi ngờ về khả năng chịu áp suất hoặc nhiệt độ cao, hãy chỉ định cấp độ và quy trình xử lý nhiệt cần thiết, đồng thời yêu cầu kiểm tra MTR và bất kỳ bài kiểm tra va đập/độ bền nào cần thiết để đủ điều kiện.