A333 Gr6 so với A106 Gr.B – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A333 Cấp 6 và ASTM A106 Cấp B là hai loại ống thép cacbon thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp đường ống áp lực, dầu khí và quy trình công nghiệp nói chung. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường so sánh các loại ống này với nhau khi lựa chọn ống hoặc tấm cho các hệ thống cân bằng giữa chi phí, khả năng hàn, hiệu suất cơ học và nhiệt độ làm việc. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm lựa chọn cho ứng dụng nhiệt độ thấp hoặc đông lạnh so với vận chuyển ở nhiệt độ cao hơn, và các ưu tiên như độ bền va đập được đảm bảo so với tính kinh tế của quá trình chế tạo.

Sự khác biệt thực tế chính là hiệu suất chịu va đập ở nhiệt độ thấp được đảm bảo của A333 Cấp 6 so với mục đích chung, tập trung vào nhiệt độ cao của A106 Cấp B. Vì cả hai đều là thép cacbon thông thường/hợp kim thấp có mức độ bền tương tự, nên việc so sánh tập trung vào độ dẻo dai ở nhiệt độ, tiêu chí thử nghiệm và chấp nhận được chỉ định, cũng như những tác động tiếp theo đối với các biện pháp hàn, kiểm tra và bảo vệ.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• A333 Cấp 6 — “Ống thép hàn liền mạch dùng cho ứng dụng nhiệt độ thấp”. Thường được sử dụng cho các ứng dụng nhiệt độ thấp hoặc nhiệt độ cực thấp, trong đó yêu cầu độ bền va đập ở nhiệt độ thấp quy định.
• A106 Cấp B — “Ống thép cacbon liền mạch dùng cho dịch vụ nhiệt độ cao”. Thường dùng cho đường ống lọc dầu, hóa dầu và quy trình chế biến, nơi mà độ bền ở nhiệt độ cao và tính kinh tế là những yếu tố được cân nhắc hàng đầu.
• EN (Châu Âu): Có những tiêu chuẩn tương đương nhưng không giống hệt nhau trong các tiêu chuẩn EN (ví dụ: họ P265/275/355) — việc lựa chọn yêu cầu phải tham chiếu chéo các yêu cầu về cơ học và tác động.
• JIS/GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc bao gồm các biến thể nhiệt độ thấp; tính tương đương trực tiếp phải được xác minh bằng các thông số kỹ thuật về cơ học và va đập.
• Phân loại: Cả hai đều là thép cacbon/hợp kim thấp (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ, không phải HSLA theo nghĩa chặt chẽ). A333 Cấp 6 là thép cacbon chịu nhiệt độ thấp, bắt buộc phải thử nghiệm va đập; A106 Cấp B là thép cacbon đa dụng cho ứng dụng ở nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ môi trường.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Hai loại thép này có thành phần hóa học đơn giản: chúng dựa vào carbon và mangan là những nguyên tố chính tạo nên độ bền, với giới hạn chặt chẽ về phốt pho và lưu huỳnh để tránh giòn và các vấn đề liên quan đến hydro. Các nguyên tố hợp kim ngoài C, Mn, Si không có hoặc chỉ có ở dạng vết.

Bảng: Thành phần hóa học điển hình (% khối lượng) — tham khảo báo cáo thử nghiệm nhà máy (MTR) và tiêu chuẩn ASTM hiện hành để biết giá trị hợp đồng. Bảng này thể hiện các giới hạn đại diện thường được trích dẫn trong thực tiễn công nghiệp.

Yếu tố	A333 Gr 6 (giới hạn điển hình)	A106 Gr B (giới hạn điển hình)
C	≤ 0,30 (tối đa)	≤ 0,30 (tối đa)
Mn	≈ 0,30–1,20 (điển hình)	≈ 0,29–1,06 (điển hình)
Si	≤ 0,10–0,35	≤ 0,10–0,35
P	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
S	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
Cr	nói chung là theo dõi	nói chung là theo dõi
Ni	nói chung là theo dõi	nói chung là theo dõi
Mo	nói chung là theo dõi	nói chung là theo dõi
V, Nb, Ti, B, N	không xác định / dấu vết trong hầu hết các chất tan chảy	không xác định / dấu vết trong hầu hết các chất tan chảy

Ghi chú: - Các giá trị mang tính chất giới hạn điển hình và thông lệ của ngành; giới hạn hợp đồng chính xác được xác định theo thông số kỹ thuật ASTM có liên quan và yêu cầu của người mua. - Hóa chất A333 Gr6 được kiểm soát để đảm bảo độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp; điều này thường ngụ ý độ sạch sẽ chặt chẽ hơn một chút và mức độ tạp chất thấp thay vì bổ sung hợp kim đáng kể. - Không có loại nào được thiết kế là thép không gỉ hoặc hợp kim cao; khả năng chống ăn mòn phải đạt được bằng cách phủ lớp, lót hoặc lựa chọn hợp kim thép không gỉ nếu cần.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon làm tăng độ bền và độ cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu hàm lượng quá cao. - Mangan góp phần tăng độ cứng và độ bền kéo, đồng thời giúp chống lại tác dụng giòn của lưu huỳnh bằng cách tạo thành mangan sulfua. - Silic là chất khử oxy và có thể làm tăng độ bền một chút. - Các nguyên tố hợp kim như Cr, Ni, Mo nếu có sẽ làm tăng khả năng tôi cứng và độ bền nhiệt độ cao; chúng không đáng kể trong các loại thép cơ bản này.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại thép này thường được cung cấp ở dạng cán hoặc dạng thường hóa để gia công đường ống. Cấu trúc vi mô chủ yếu là ferit-pearlit để gia công cán thông thường. - Thép A333 Cấp 6 thường được chuẩn hóa hoặc xử lý/kiểm soát nhiệt trong quá trình sản xuất để đảm bảo cấu trúc ferit-perit hạt mịn có độ bền va đập tốt ở nhiệt độ thấp. - Thép A106 Cấp B thường được cung cấp dưới dạng chuẩn hóa hoặc cán, nhằm mục đích có độ bền nhiệt độ cao hơn và độ ổn định kích thước hơn là độ dẻo dai ở nhiệt độ cực thấp.

Tác dụng của xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện độ dẻo dai và làm cho các tính chất cơ học đồng đều hơn; cả hai loại đều được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa. - Làm nguội và ram không phải là tiêu chuẩn đối với các loại thép này, nhưng thông qua quá trình hợp kim hóa cao hơn và xử lý nhiệt có kiểm soát, độ bền có thể tăng lên nhưng độ dẻo và độ dai sẽ giảm; điều này không điển hình đối với ống thép được chỉ định theo tiêu chuẩn A106 hoặc A333. - Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát) có thể tăng cường độ bền và độ dẻo dai của cả hai loại thép bằng cách tinh luyện hạt và kiểm soát kết tủa, và phổ biến hơn khi vật liệu được chỉ định có độ bền cao hơn và độ dẻo dai hơn.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là phạm vi đặc tính cơ học tiêu biểu của các dạng sản phẩm thương mại điển hình (ống). Luôn kiểm tra bảng ASTM hiện hành để biết giá trị tối thiểu theo hợp đồng và giá trị MTR.

Tài sản	A333 Gr 6 (điển hình)	A106 Gr B (điển hình)
Độ bền kéo (UTS)	~415–550 MPa (phạm vi điển hình)	~415–550 MPa (phạm vi điển hình)
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	~240–350 MPa (tùy thuộc vào thành/độ dày)	~240–350 MPa (tùy thuộc vào thành/độ dày)
Độ giãn dài (2 in / 50 mm)	≥ 20–30% (thay đổi tùy theo kích thước)	≥ 20–30% (thay đổi tùy theo kích thước)
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	Nhiệt độ tối thiểu được chỉ định ở nhiệt độ thấp (ví dụ: -29°C đến -46°C tùy thuộc vào thông số kỹ thuật)	Thông thường không có yêu cầu về tác động ở nhiệt độ thấp được đảm bảo (đã thử nghiệm ở nhiệt độ môi trường xung quanh nếu có)
Độ cứng	Trung bình (phạm vi HB thấp/cao điển hình của HRC)	Vừa phải

Giải thích: - Về mặt độ bền kéo/giới hạn chảy, cả hai loại đều có dải tương tự nhau; không loại nào được thiết kế là tấm hợp kim siêu nhỏ có độ bền cao. - A333 Gr 6 được chỉ định để duy trì độ dẻo dai chấp nhận được ở nhiệt độ thấp được chỉ định; đây là lợi thế cơ học xác định của nó so với A106 Gr B. - A106 Gr B không có khả năng chịu va đập ở nhiệt độ thấp bắt buộc; độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp không được đảm bảo nếu không có thử nghiệm hoặc thông số kỹ thuật bổ sung.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương (CE) và khả năng kiểm soát nhiệt đầu vào của quy trình. Đối với thép cacbon thông thường như A333 Gr6 và A106 GrB, khả năng hàn nhìn chung tốt khi hàn nóng chảy tiêu chuẩn với quy trình và quá trình gia nhiệt trước phù hợp, nhưng khi hàn ở nhiệt độ thấp, cần kiểm soát chặt chẽ hơn để tránh nứt nguội và mất độ dẻo dai ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích: - Lượng cacbon tương đương IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $P_{cm}$ bảo thủ hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả hai loại này thường có hàm lượng carbon thấp và mangan vừa phải, tạo ra giá trị CE vừa phải, ngụ ý rằng có thể thực hiện hàn thông thường bằng vật tư tiêu hao tiêu chuẩn. - Đối với A333 Gr6 (dịch vụ nhiệt độ thấp), quá trình gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và kiểm soát nhiệt sau hàn thường được chỉ định để bảo vệ độ bền HAZ; quy trình hàn phải đạt tiêu chuẩn về hiệu suất va đập ở nhiệt độ thấp theo yêu cầu. - A106 GrB phổ biến và dễ hàn cho các ứng dụng ở nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ cao; tuy nhiên, khi sử dụng trong môi trường nhiệt độ thấp, cần phải thử nghiệm/kiểm soát bổ sung vì độ bền của kim loại cơ bản không được đảm bảo.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép A333 Gr6 và A106 GrB đều không có khả năng chống ăn mòn. Khả năng chống ăn mòn được thực hiện thông qua sơn, lớp phủ, lớp lót, bảo vệ catốt hoặc mạ kẽm nếu cần.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) áp dụng cho các loại thép không gỉ và không liên quan đến các loại thép cacbon sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Khi lựa chọn môi trường ăn mòn, nên cân nhắc nâng cấp lên hợp kim không gỉ hoặc chống ăn mòn; đối với môi trường trung tính là nước hoặc khí quyển, lớp phủ và bảo vệ catốt là các giải pháp tiêu chuẩn.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều có khả năng gia công tương đương nhau vì thành phần hóa học tương đương nhau; khả năng gia công là đặc trưng của thép cacbon thấp. Tốc độ cắt và dụng cụ cắt nên được thiết lập cho thép cacbon có độ bền trung bình.
• Khả năng định hình và uốn cong: Cả hai đều định hình tốt trong điều kiện ủ/cán hoặc chuẩn hóa. Yêu cầu về độ dẻo dai cao hơn của A333 Gr6 đồng nghĩa với việc kiểm soát cán/xử lý nhiệt cẩn thận hơn, nhưng quá trình tạo hình tại hiện trường thì tương đương.
• Hàn, xử lý nhiệt sau hàn (PWHT): PWHT hiếm khi được yêu cầu cho cả hai loại thép, trừ khi được chỉ định cho các điều kiện vận hành (ví dụ: để giảm ứng suất dư hoặc cho vận hành ở nhiệt độ cao). Đối với vận hành ở nhiệt độ thấp với thép A333, việc xác nhận quy trình để duy trì độ bền HAZ là rất quan trọng.

8. Ứng dụng điển hình

A333 Cấp 6	A106 Hạng B
Đường ống và bình chịu áp suất ở nhiệt độ thấp hoặc nhiệt độ cực thấp, trong đó tác động Charpy ở nhiệt độ thấp được chỉ định (ví dụ: đường ống LNG, đường ống cấp lạnh, hệ thống làm lạnh)	Đường ống hơi nhiệt độ cao, đường ống quy trình, đường ống lọc dầu, ống dẫn đa năng cho chất lỏng ở nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ cao
Đường ống ngoài khơi và dưới biển yêu cầu độ bền ở nhiệt độ thấp và khả năng chống gãy giòn	Đường dây truyền tải, ống nồi hơi và đường ống quy trình nơi mà sức mạnh và tính kinh tế ở nhiệt độ cao là ưu tiên hàng đầu
Bất kỳ ứng dụng đường ống nào yêu cầu thử nghiệm va đập ở nhiệt độ thấp theo hợp đồng	Nhiều loại đường ống công nghiệp đáp ứng tiêu chuẩn A106 về tính chất hóa học và cơ học, đáp ứng mục tiêu thiết kế và chi phí

Cơ sở lựa chọn: - Chọn A333 Gr6 khi nhiệt độ thiết kế gần bằng hoặc thấp hơn nhiệt độ chuyển tiếp dẻo-giòn và độ bền va đập ở nhiệt độ thấp phải được đảm bảo theo thông số kỹ thuật và thử nghiệm. - Chọn A106 GrB khi nhiệt độ hoạt động từ môi trường xung quanh đến cao và người mua ưa chuộng loại ống có khối lượng lớn, kinh tế và phổ biến.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Ống thép cacbon liền mạch A106 loại B là một trong những loại ống thép cacbon liền mạch được sản xuất và dự trữ rộng rãi nhất trên toàn cầu; do đó, loại ống này có xu hướng tiết kiệm hơn và dễ mua hơn với nhiều kích cỡ và lịch trình khác nhau.
• Thép A333 Cấp 6 có thể có giá cao hơn do yêu cầu kiểm tra va đập ở nhiệt độ thấp bổ sung và bất kỳ quy trình cán bổ sung nào (chuẩn hóa, cán có kiểm soát, kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt hơn). Tình trạng sẵn có nhìn chung tốt nhưng có thể hạn chế hơn ở các kích thước đặc biệt hoặc thời gian giao hàng ngắn.
• Hình thức sản phẩm rất quan trọng: liền mạch, hàn hay ERW; các mặt cắt có đường kính lớn hoặc thành dày sẽ ảnh hưởng đến thời gian hoàn thành và chi phí cho cả hai loại.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Tiêu chí	A333 Lớp 6	A106 Lớp B
Khả năng hàn	Tốt, nhưng quy trình hàn phải duy trì độ bền HAZ để sử dụng ở nhiệt độ thấp	Tốt cho các ứng dụng chung; quy trình hàn tiêu chuẩn thường đủ
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền kéo/lực kéo tương tự; độ bền nhiệt độ thấp được đảm bảo vượt trội	Độ bền kéo/độ bền chảy tương tự; độ dẻo dai không được đảm bảo ở nhiệt độ thấp
Trị giá	Trung bình — có thể cao hơn do thử nghiệm và xử lý	Nói chung là thấp hơn — có sẵn rộng rãi, tiết kiệm

Sự giới thiệu: - Chọn A333 Cấp 6 nếu ứng dụng của bạn yêu cầu độ bền va đập được đảm bảo ở nhiệt độ thấp, nếu cần giảm thiểu nguy cơ gãy giòn, hoặc nếu nhiệt độ thiết kế quy định nằm trong phạm vi nhiệt độ thấp/đông lạnh. Cũng nên chọn A333 Gr6 khi yêu cầu thử nghiệm ở nhiệt độ thấp theo hợp đồng hoặc tiêu chí chấp nhận độ bền khía là bắt buộc. - Chọn A106 Cấp B nếu bạn cần ống thép cacbon liền mạch tiết kiệm, có sẵn rộng rãi để sử dụng trong môi trường nhiệt độ từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ cao, nơi độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp không phải là yêu cầu chính và các quy trình hàn và chế tạo tiêu chuẩn là đủ.

Lưu ý cuối cùng: Cả ASTM A333 Gr6 và A106 GrB đều là các loại thép cacbon thông dụng. Lựa chọn chính xác không chỉ phụ thuộc vào trị số kéo danh nghĩa mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc thấp hơn yêu cầu, thử nghiệm va đập được chỉ định, tiêu chuẩn quy trình hàn và chiến lược bảo vệ chống ăn mòn trong suốt vòng đời. Luôn tham khảo các bảng ASTM/ASME hiện hành, yêu cầu Báo cáo Thử nghiệm Nhà máy và tiêu chuẩn quy trình hàn khi điều kiện làm việc gần đạt đến giới hạn độ bền của vật liệu.