A335 P11 so với P22 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A335 P11 và P22 là hai loại thép hợp kim crom-molypden được sử dụng rộng rãi cho các chi tiết chịu áp suất nhiệt độ cao như đường ống, ống góp và ống nồi hơi. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, độ bền chịu nhiệt độ cao, khả năng hàn và khả năng chống rão dài hạn khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc kết hợp độ bền và độ dẻo dai của vật liệu với nhiệt độ sử dụng, quy trình hàn để chế tạo và cân bằng chi phí vòng đời với giá mua ban đầu.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa các loại thép này là hàm lượng hợp kim crom và molypden: P22 chứa nhiều crom và molypden hơn đáng kể so với P11, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tôi, độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa. Vì cả hai loại thép đều là hợp kim ferritic Cr-Mo được thiết kế để sử dụng ở nhiệt độ cao, nên chúng thường được so sánh trong quá trình lựa chọn vật liệu cho nồi hơi, đường ống hơi quá nhiệt và bình chịu áp lực.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (Ống thép hợp kim ferritic liền mạch dùng cho môi trường nhiệt độ cao)
• Lớp P11 (thường được ghi là 1,25Cr–0,5Mo danh nghĩa)
• Lớp P22 (thường được ghi là 2,25Cr–1Mo danh nghĩa)
• EN: Các loại thép tương đương có sẵn trong hệ thống tiêu chuẩn EN (ví dụ: P11 ≈ 13CrMo4-5 hoặc các họ thép tương tự; thép tôi P22 ≈ 2,25Cr–1Mo)
• JIS/GB: Các tiêu chuẩn quốc gia cung cấp thép tôi Cr–Mo tương đương được sử dụng cho đường ống và bình chứa chịu nhiệt độ cao.
• Phân loại: Cả P11 và P22 đều là thép hợp kim (thép ferritic Cr–Mo), không phải thép không gỉ hoặc thép dụng cụ; chúng được sử dụng cho các bộ phận chịu áp suất ở nhiệt độ cao và không phải là HSLA theo nghĩa hiện đại.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây liệt kê các phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình (wt%) được sử dụng trong thực tế công nghiệp cho A335 P11 và P22. Các giá trị được hiển thị dưới dạng phạm vi đại diện thay vì giá trị tối thiểu/tối đa chính xác được đảm bảo từ thông số kỹ thuật mua hàng cụ thể.

Yếu tố	A335 P11 (điển hình, wt%)	A335 P22 (điển hình, wt%)
C	0,08 – 0,15	0,08 – 0,15
Mn	0,25 – 0,60	0,25 – 0,60
Si	0,10 – 0,50	0,10 – 0,50
P	≤ 0,025	≤ 0,025
S	≤ 0,025	≤ 0,025
Cr	~0,90 – 1,30	~2,00 – 2,50
Ni	≤ 0,40 (vết)	≤ 0,40 (vết)
Mo	~0,40 – 0,65	~0,85 – 1,05
V	thường theo dõi	thường theo dõi
Nb (Cb)	thường theo dõi	thường theo dõi
Ti	thường theo dõi	thường theo dõi
B	thường theo dõi	thường theo dõi
N	dấu vết	dấu vết

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom: cải thiện khả năng chống oxy hóa/ăn mòn ở nhiệt độ cao và góp phần tăng khả năng tôi cứng và độ bền ở nhiệt độ cao. Hàm lượng Cr cao hơn trong P22 giúp tăng khả năng chống đóng cặn và cải thiện khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ sử dụng. - Molypden: tăng cường ferit ở nhiệt độ cao, cải thiện độ bền rão và tăng khả năng tôi luyện. Hàm lượng Mo cao hơn của P22 mang lại khả năng rão và độ bền nhiệt độ cao tốt hơn so với P11. - Cacbon và mangan: thành phần chính tạo nên độ bền và khả năng làm cứng; cả hai loại đều duy trì hàm lượng cacbon vừa phải để cân bằng khả năng hàn và độ bền. - Các nguyên tố phụ và hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) có thể có mặt ở dạng vết và có thể tinh chỉnh cấu trúc hạt và tăng cường kết tủa cho ma trận trong quá trình xử lý cụ thể.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Theo chế tạo và chuẩn hóa: cả hai loại nói chung đều cho thấy cấu trúc vi mô martensite/ferrite tôi luyện Bainit sau các chu kỳ chuẩn hóa và tôi luyện thường được chỉ định cho các bộ phận chịu áp suất. - Sau khi làm nguội và ram (nếu áp dụng cho các phần nặng hoặc rèn): cấu trúc martensitic ram với kết tủa cacbua (cacbua giàu Cr/Mo) mang lại độ bền cao và khả năng chống rão. - Xử lý nhiệt cơ: cán có kiểm soát có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại, mặc dù hàm lượng hợp kim kiểm soát khả năng tinh chỉnh.

Hiệu quả của xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa tiếp theo là ram giúp tinh chỉnh kích thước hạt, chuyển đổi các cấu trúc vi mô khi cán thành ma trận martensite/bainit ram đồng nhất và kết tủa các cacbua Cr–Mo góp phần tạo nên độ bền ở nhiệt độ cao. - Hàm lượng Cr và Mo cao hơn trong P22 thúc đẩy tỷ lệ thể tích lớn hơn của hợp kim cacbua và làm mềm chậm ở nhiệt độ cao; thông thường cần chế độ tôi luyện phù hợp để cân bằng độ cứng và độ dẻo dai cho các phần dày hơn. - P11 ít hợp kim hơn và do đó dễ đạt được độ dẻo dai thích hợp hơn sau các chu kỳ chuẩn hóa/rau luyện tiêu chuẩn, nhưng có độ bền lâu dài thấp hơn ở nhiệt độ rất cao so với P22.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là các phạm vi tính chất tiêu biểu cho điều kiện chuẩn hóa và ram thường được sử dụng trong thiết kế. Tính chất thực tế được đảm bảo phụ thuộc vào dạng sản phẩm và phương pháp xử lý nhiệt cụ thể.

Bất động sản (nhiệt độ phòng trừ khi có ghi chú)	A335 P11 (điển hình)	A335 P22 (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~415 – 550	~415 – 620
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	~240 – 360	~260 – 400
Độ giãn dài (%)	~20 – 25	~18 – 22
Tác động Charpy V-notch (J, chuẩn hóa)	Thông thường tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; giữ được độ dẻo dai khi xử lý nhiệt thích hợp	Độ dẻo tương đương hoặc thấp hơn một chút đối với cùng độ bền do hợp kim cao hơn
Độ cứng (HB hoặc HRC)	Trung bình (ví dụ: phạm vi HB 150–220 tùy thuộc vào xử lý nhiệt)	Cao hơn một chút đối với quá trình tôi luyện tương đương do hợp kim

Giải thích: - P22 thường có độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão cao hơn do có hàm lượng Cr và Mo cao hơn; điều này thường chuyển thành khả năng hoạt động an toàn ở nhiệt độ cao hơn hoặc với độ dày thành ống giảm trong một thời gian thiết kế nhất định. - P11 có xu hướng dẻo hơn và dễ xử lý nhiệt hơn để tăng độ dẻo dai ở một số độ dày nhất định, nhưng độ bền lâu dài của nó thấp hơn ở nhiệt độ cao.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương, khả năng tôi và hợp kim vi mô. Hai thước đo thực nghiệm được sử dụng rộng rãi là lượng cacbon tương đương IIW và Pcm:

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

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

Giải thích định tính: - P22 có hàm lượng Cr và Mo cao hơn, làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ so với P11, ngụ ý khả năng bị cứng hóa cao hơn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt và nhu cầu làm nóng trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn lớn hơn. - Cả hai loại thép này đều thường được hàn trong công nghiệp; các biện pháp được khuyến nghị bao gồm điện cực hydro thấp, quy trình gia nhiệt sơ bộ (và đôi khi là xử lý nhiệt sau hàn — PWHT) và quy trình hàn đạt chuẩn. P22 thường yêu cầu chế độ gia nhiệt sơ bộ/PWHT thận trọng hơn cho các tiết diện dày hơn do khả năng tôi cứng cao hơn. - Kiểm soát hydro, nhiệt độ giữa các lớp hàn và PWHT là rất quan trọng để tránh nứt do hydro và làm giảm độ cứng của vùng HAZ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả P11 và P22 đều không phải thép không gỉ; cả hai đều sẽ bị ăn mòn nếu tiếp xúc với nước hoặc môi trường khắc nghiệt. Việc lựa chọn được quyết định bởi đặc tính oxy hóa cơ học và nhiệt độ cao hơn là khả năng chống ăn mòn nói chung.
• Đối với bảo vệ bên ngoài hoặc trong khí quyển: có thể áp dụng hệ thống mạ kẽm, sơn/phủ hoặc lớp phủ phun nhiệt tùy thuộc vào dịch vụ.
• Để bảo vệ bên trong trong các luồng quy trình ăn mòn: các chiến lược điển hình là bọc (ví dụ, lớp phủ mối hàn bằng hợp kim chống ăn mòn), lót hoặc thiết kế dung sai ăn mòn.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) được sử dụng cho hợp kim thép không gỉ và không áp dụng cho thép ferritic Cr-Mo. Đối với hợp kim thép không gỉ, người ta sẽ sử dụng:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

Nhưng chỉ số này không liên quan đến A335 P11 và P22 vì hàm lượng Cr của chúng thấp hơn ngưỡng thép không gỉ và không có hàm lượng N và Ni cao thường thấy ở các loại thép không gỉ.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều gia công ở mức trung bình trong điều kiện thường hóa/ram. P22 có thể cứng hơn một chút đối với dụng cụ cắt do hàm lượng hợp kim cao hơn và tạo ra các cacbua cứng kết tủa. Các nguyên tố tạo cacbua (Cr, Mo) làm tăng độ mài mòn của dụng cụ.
• Khả năng định hình: Cả hai loại thép này đều kém khả năng định hình hơn thép cacbon thông thường khi nguội; việc định hình thường được thực hiện trong điều kiện thường hóa hoặc ủ, chú ý đến bán kính uốn. Đối với các hình dạng ống và ống dẫn, việc định hình là thông thường, nhưng cần cân nhắc đến độ đàn hồi và nguy cơ nứt ở những vùng gia công nguội mạnh.
• Hoàn thiện bề mặt: Mài, tiện và hàn là tiêu chuẩn; cần chú ý đến ứng suất dư và tránh quá nhiệt trong quá trình gia công trên P22 để ngăn ngừa độ cứng cục bộ tăng lên.

8. Ứng dụng điển hình

A335 P11 – Công dụng điển hình	A335 P22 – Công dụng điển hình
Đường ống hơi, ống góp và phụ kiện có nhiệt độ từ thấp đến trung bình, trong đó yếu tố nhạy cảm về chi phí và nhiệt độ ở mức vừa phải	Đường ống hơi nước nhiệt độ cao, ống siêu nhiệt/nóng lại và bình chịu áp suất cần độ bền kéo dài và khả năng chống oxy hóa cao hơn
Lò hơi và bộ trao đổi nhiệt ở vùng nhiệt độ cao ít khắc nghiệt hơn	Đường ống hơi chính của nhà máy điện, đường ống gia nhiệt nóng và các bộ phận phục vụ cho nhiệt độ thiết kế cao hơn
Đường ống nhà máy dầu khí và hóa chất cho nhiệt độ vừa phải	Máy gia nhiệt quy trình hóa dầu công suất cao và các thành phần giữ áp suất ở nhiệt độ cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn P11 cho các ứng dụng ưu tiên nhiệt độ làm việc tối đa thấp hơn, chi phí vật liệu thấp hơn và chế tạo dễ dàng hơn. - Chọn P22 khi ứng dụng đòi hỏi độ bền kéo dài cao hơn, khả năng duy trì các đặc tính cơ học tốt hơn ở nhiệt độ cao hoặc khả năng chống đóng cặn/oxy hóa tốt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Tính khả dụng: Cả hai loại này thường được lưu kho dưới dạng ống liền mạch và hàn, phụ kiện và một số sản phẩm rèn; P11 và P22 là các loại tiêu chuẩn trong nhiều chuỗi cung ứng cho các nhà máy phát điện và chế biến.
• Chi phí: P22 thường đắt hơn P11 do hàm lượng Cr và Mo cao hơn. Chi phí gia tăng có thể được biện minh bằng tuổi thọ cao hơn, khả năng thiết kế thành mỏng hơn hoặc giảm thiểu bảo trì.
• Hình thức sản phẩm: Cả hai đều có sẵn ở dạng ống, ống và tấm bình chịu áp suất; thời gian giao hàng thường ngắn đối với các kích thước tiêu chuẩn nhưng có thể dài hơn đối với các sản phẩm rèn lớn hoặc xử lý nhiệt đặc biệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Diện mạo	A335 P11	A335 P22
Khả năng hàn	Tốt hơn (hàm lượng hợp kim thấp hơn → CE thấp hơn)	Đòi hỏi cao hơn một chút (Cr/Mo cao hơn → CE cao hơn; cần nhiều nhiệt độ nung nóng trước/PWHT hơn)
Sức mạnh-Độ dẻo dai ở RT	Độ bền vừa phải, độ dẻo tốt	Độ bền cao hơn ở nhiệt độ, độ dẻo tương đương hoặc thấp hơn một chút ở độ bền tương đương
Khả năng chịu nhiệt độ cao / Chống biến dạng	Phù hợp với nhiệt độ cao vừa phải	Vượt trội ở nhiệt độ cao hơn và tuổi thọ dài hơn
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn P11 nếu bạn cần hợp kim Cr–Mo tiết kiệm chi phí cho ứng dụng nhiệt độ cao vừa phải, không yêu cầu PWHT rộng rãi hoặc khả năng chống rão ở nhiệt độ cao mạnh, và có lợi thế là độ dẻo nguội tốt hơn một chút và quy trình hàn dễ dàng hơn. - Chọn P22 nếu thiết kế yêu cầu độ bền lâu dài cao hơn và khả năng chống biến dạng ở nhiệt độ cao, khả năng chống đóng cặn được cải thiện hoặc khả năng tạo thành vách mỏng hơn trong một thời gian thiết kế nhất định — và bạn có thể đáp ứng các yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn và hàn nghiêm ngặt hơn cũng như chi phí vật liệu cao hơn một chút.

Lưu ý kết luận: Đối với các thành phần chịu áp suất quan trọng, hãy luôn xác nhận thông số kỹ thuật vật liệu, xử lý nhiệt cần thiết và quy trình hàn với nhà luyện kim hoặc cơ quan có thẩm quyền về quy chuẩn (ASME) của dự án để đảm bảo khả năng tương thích với nhiệt độ thiết kế, ứng suất cho phép và các hạn chế chế tạo.