AH36 so với DH36 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

AH36 và DH36 là thép đóng tàu hợp kim thấp, cường độ cao (HSLA) được chỉ định cho các thành phần kết cấu thân tàu và các bộ phận ngoài khơi. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với bài toán cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai ở nhiệt độ vận hành, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn giữa các mác thép này. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc liệu một kết cấu có thể hoạt động trong môi trường lạnh hay không, liệu có cần các tiết diện dày hay mối hàn phức tạp hay không, và mức độ thử nghiệm và thẩm định sau chế tạo được chấp nhận là bao nhiêu.

Sự khác biệt thực tế chính giữa AH36 và DH36 nằm ở khả năng chịu va đập: DH36 được chứng nhận có khả năng chịu va đập cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn AH36. Vì cả hai loại thép đều có chiến lược hóa học và mức độ bền tương tự, nên việc so sánh thường tập trung vào độ bền khi sử dụng, quy trình hàn để duy trì độ bền đó, và các thử nghiệm hoặc quy trình xử lý bổ sung mà DH36 có thể yêu cầu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và tên gọi chung:
• ASTM/ASME: ASTM A131 / A131M — "Thép đóng tàu" (bao gồm AH36, DH36, EH36).
• EN: Họ EN 10025 không trực tiếp sử dụng danh pháp AH/DH; các thuật ngữ tương đương được tìm kiếm thông qua các yêu cầu về cơ học và tác động.
• JIS/GB: Các tiêu chuẩn quốc gia có thể cung cấp các cấp tàu HSLA tương tự; các tên gọi địa phương nên được tham chiếu chéo.

• Các tổ chức phân loại (ABS, DNV, LR, v.v.) công bố tiêu chí chấp nhận tham chiếu đến cấp ASTM A131.

• Lớp luyện kim:

• AH36 và DH36 là thép cacbon HSLA được sử dụng cho các ứng dụng kết cấu (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ).
• Chúng được chỉ định chủ yếu dựa trên độ bền và độ cứng hơn là khả năng chống ăn mòn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Cả AH36 và DH36 đều được sản xuất bằng cách sử dụng hàm lượng carbon thấp với việc bổ sung có kiểm soát các nguyên tố hợp kim và vi hợp kim để đạt được độ bền và độ dẻo dai cần thiết. Giới hạn thành phần chính xác được quy định bởi tiêu chuẩn quản lý và chứng nhận nhà máy; bảng dưới đây cung cấp các nguyên tố quan tâm tiêu biểu và sự hiện diện điển hình của chúng trong các loại thép này. Luôn kiểm tra chứng nhận nhà máy cho các lô cụ thể.

Bảng: Các nguyên tố hợp kim điển hình và vai trò của chúng

Yếu tố	Sự hiện diện điển hình / kiểm soát (đại diện)	Vai trò luyện kim chính
C (Cacbon)	Thấp (được kiểm soát để hạn chế khả năng làm cứng)	Độ bền (dung dịch rắn), ảnh hưởng đến khả năng hàn và độ cứng HAZ
Mn (Mangan)	Trung bình (nguyên tố hợp kim chính)	Độ bền, khả năng làm cứng, khả năng khử oxy
Si (Silic)	Thấp đến trung bình (khử oxy)	Khử oxy hóa, góp phần tăng cường sức mạnh
P (Phốt pho)	Hạn chế nghiêm ngặt (dấu vết)	Làm giảm độ dẻo dai nếu cao
S (Lưu huỳnh)	Hạn chế nghiêm ngặt (dấu vết)	Giảm độ dẻo và độ dai
Cr, Ni, Mo	Thường thấp để theo dõi (không phải hợp kim số lượng lớn)	Độ cứng và độ bền khi có; thường bị hạn chế
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Thường có mặt với số lượng nhỏ	Tăng cường lượng mưa, kiểm soát kích thước hạt, độ dẻo dai
B (Bo)	Có thể có trong ppm	Cải thiện khả năng làm cứng trong một lượng nhỏ
N (Nitơ)	Được kiểm soát	Tương tác với các nguyên tố hợp kim vi mô (Ti, Nb)

Giải thích: Chiến lược hợp kim hóa trong AH36 và DH36 tập trung vào việc giữ hàm lượng cacbon ở mức thấp để duy trì khả năng hàn và độ bền HAZ, đồng thời sử dụng mangan được kiểm soát và hợp kim vi lượng (Nb, V, Ti) để đạt được giới hạn chảy thông qua tinh luyện hạt và gia cường kết tủa. Đối với DH36, quy trình sản xuất tại nhà máy và kiểm soát nhiệt cơ học có thể được thắt chặt để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về va đập ở nhiệt độ thấp.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình:
• Thép đóng tàu HSLA được cán và chuẩn hóa thể hiện ma trận ferit-pearlit hoặc bainit với ferit hình kim mịn tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và hợp kim vi mô.

• Thép hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) tạo ra các cacbua/nitrit mịn và hạn chế sự phát triển của hạt, cải thiện độ bền và độ dẻo dai.

• Tác động của các tuyến xử lý:

• Chuẩn hóa: Tạo ra cấu trúc ferit-pearlit/bainit tinh chế và cải thiện độ dẻo dai so với làm nguội chậm; thường được sử dụng cho độ dày vừa phải.
• Làm nguội và ram: Không điển hình đối với AH36/DH36 — các loại thép này thường được giao ở trạng thái cán (kiểm soát nhiệt cơ học) hoặc trạng thái chuẩn hóa thay vì được làm nguội và ram.

• Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): Được sử dụng rộng rãi để tạo ra cấu trúc vi mô hạt mịn và độ dẻo dai cao ở nhiệt độ thấp. TMCP đặc biệt hữu ích để đạt được hiệu suất va đập ở nhiệt độ thấp của DH36 mà không cần hàm lượng cacbon/độ cứng cao.

• Ý nghĩa thực tiễn:

• DH36 thường đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ hơn về cán và làm nguội để đảm bảo cấu trúc vi mô cung cấp năng lượng hấp thụ cao ở nhiệt độ thấp hơn. Điều này có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn máy cán và thời gian giao hàng.

4. Tính chất cơ học

Cả hai loại thép này đều được thiết kế để mang lại độ bền kéo và độ chảy cao cho việc đóng tàu. Các con số dưới đây là các phạm vi điển hình được sử dụng để so sánh kỹ thuật; hãy kiểm tra các báo cáo thử nghiệm theo hợp đồng và tại nhà máy để đảm bảo mức tối thiểu.

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học đại diện (đại diện — kiểm tra tiêu chuẩn và chứng chỉ nhà máy)

Tài sản	AH36 (điển hình)	DH36 (điển hình)
Cường độ chịu lực tối thiểu	~355 MPa	~355 MPa
Độ bền kéo (phạm vi)	~490–620 MPa	~490–620 MPa
Độ giãn dài (A%)	~18–24%	~18–24%
Độ bền va đập (Charpy V‑notch)	Đạt tiêu chuẩn ở nhiệt độ thử nghiệm cao hơn DH36	Đạt tiêu chuẩn ở nhiệt độ thử nghiệm thấp hơn (độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp cao hơn)
Độ cứng	Trung bình (thích hợp để hàn)	Tương tự như AH36 khi được xử lý tương tự

Giải thích: Độ bền của AH36 và DH36 rất giống nhau; sự khác biệt này xuất phát từ yêu cầu về độ bền va đập ở nhiệt độ quy định (DH36 vẫn giữ được độ bền ở nhiệt độ thấp hơn). Độ giãn dài và độ cứng tương đương nhau và phần lớn phụ thuộc vào độ dày và quy trình gia công.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phải được xem xét ở hai khía cạnh: xu hướng hình thành các cấu trúc vi mô HAZ cứng, giòn và khả năng đáp ứng các yêu cầu về độ bền sau khi hàn.

• Cacbon và khả năng làm cứng:
• Hàm lượng carbon thấp và hợp kim hạn chế làm giảm nguy cơ làm cứng vùng HAZ; các nguyên tố hợp kim vi mô được sử dụng một cách tiết kiệm để tránh khả năng làm cứng quá mức.
• Để đánh giá khả năng hàn, các kỹ sư thường sử dụng chỉ số tương đương cacbon. Một công thức phổ biến: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Một công thức dự đoán chi tiết hơn là: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

• Giải thích:

• Cả AH36 và DH36 thường có giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp so với thép hợp kim cao hơn, cho thấy khả năng hàn tốt.
• Yêu cầu về độ dẻo dai chặt chẽ hơn của DH36 ở nhiệt độ thấp hơn có nghĩa là phải xác minh quy trình hàn, làm nóng trước, kiểm soát đường hàn và xử lý nhiệt sau hàn (nếu có chỉ định) để duy trì độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp — đặc biệt là ở các phần dày hoặc khi sử dụng đầu vào nhiệt cao.
• Lời khuyên thực tế: Đối với DH36, hãy giảm thiểu quá trình làm cứng HAZ bằng cách kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, chọn kim loại hàn phù hợp có độ dẻo dai tương ứng và sử dụng các quy trình tránh tốc độ làm nguội quá mức và cấu trúc vi mô martensitic.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này là thép cacbon không gỉ và không có khả năng chống ăn mòn nội tại vượt trội hơn thép cacbon thông thường.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Lớp phủ bề mặt: sơn lót, sơn epoxy và sơn phủ hàng hải.
• Mạ kẽm: áp dụng cho một số thành phần (kiểm tra độ dày và trình tự chế tạo).

• Bảo vệ catốt: thường được sử dụng cho các công trình ngầm hoặc ngoài khơi.

• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép cacbon không gỉ; công thức PREN chỉ áp dụng cho hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

• Làm rõ: Vì AH36 và DH36 chứa ít Cr và Mo hoặc N không đáng kể nên khả năng chống ăn mòn phải được cung cấp bằng lớp phủ, bảo trì lớp phủ hoặc bảo vệ hy sinh.

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

• Cắt và đốt: Cả hai loại thép này đều được cắt và cắt nhiệt (oxyfuel, plasma) tương tự như các loại thép cacbon thấp khác; các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt ở cạnh phải được loại bỏ hoặc gia công nếu cần thiết để tăng độ bền mỏi hoặc bám dính lớp phủ.
• Khả năng gia công: Trung bình; thép HSLA điển hình gia công tốt với dụng cụ tiêu chuẩn nhưng có thể cứng hơn thép cacbon thấp thông thường do có tạp chất mịn. Điều chỉnh tốc độ và dụng cụ cho phù hợp.
• Khả năng định hình và uốn cong: Độ dẻo tốt cho phép uốn cong và định hình trong giới hạn tiêu chuẩn. Đối với bán kính uốn hẹp hoặc uốn sâu, hãy kiểm tra bán kính uốn và thực hiện các thử nghiệm — việc tập trung vào độ dẻo dai của DH36 không cải thiện khả năng định hình nhưng đảm bảo hiệu suất ở nhiệt độ thấp.
• Chế tạo hàn: Đối với các tấm dày hơn DH36, nên kiểm soát hàn chặt chẽ hơn và xác minh độ bền khía trong mối hàn và vùng HAZ.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình theo từng loại

AH36	DH36
Vỏ tàu nói chung và các thành phần kết cấu cho dịch vụ lạnh từ ôn đới đến nhẹ	Vỏ tàu, kết cấu trên mặt nước và dưới biển dành cho khí hậu lạnh hơn hoặc nơi có độ bền ở nhiệt độ thấp là rất quan trọng
Sàn và khung nơi hiệu suất tác động tiêu chuẩn là đủ	Tàu Bắc Cực và vĩ độ cao, cấu trúc hỗ trợ LNG yêu cầu độ bền va đập ở nhiệt độ thấp đã được xác minh
Sà lan, tàu thủy nội địa và các công trình phụ trợ	Áo phao, ống đứng và thiết bị ngoài khơi tiếp xúc với điều kiện môi trường dưới 0 độ
Chế tạo hàng hải nói chung trong đó chi phí và tính khả dụng là mối quan tâm chính	Các chi tiết hàn quan trọng cần hiệu suất HAZ ở nhiệt độ thấp đã được xác minh

Cơ sở lựa chọn: Chọn AH36 khi độ bền tiêu chuẩn của tàu biển là đủ và chi phí/tính khả dụng là những hạn chế chính. Chọn DH36 khi yêu cầu vận hành hoặc quy định đòi hỏi độ bền đã được chứng minh ở nhiệt độ hoạt động thấp hơn hoặc khi việc ngăn ngừa gãy giòn ở nhiệt độ thấp là rất quan trọng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Chi phí vật liệu cơ bản cho AH36 và DH36 tương đương nhau vì chúng được sản xuất từ ​​các quy trình sản xuất thép tương tự. DH36 có thể có chi phí cao hơn một chút khi cần kiểm soát TMCP chặt chẽ hơn, kiểm soát hợp kim vi mô bổ sung hoặc thử nghiệm bổ sung để đáp ứng các tiêu chí tác động ở nhiệt độ thấp.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi tại các nhà máy cán thép tấm và nhà cung cấp với độ dày tiêu chuẩn dùng trong đóng tàu. Thép tấm rất dày hoặc điều kiện sản xuất đặc biệt cho DH36 có thể yêu cầu thời gian giao hàng lâu hơn hoặc lựa chọn nhà máy cán thép có khả năng TMCP phù hợp.
• Hình thức sản phẩm: Dạng tấm và dạng cuộn là phổ biến; độ dày và kích thước có sẵn khác nhau tùy theo nhà máy và thị trường.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Thuộc tính	AH36	DH36
Khả năng hàn	Tốt (thực hành tàu tiêu chuẩn)	Tốt, nhưng đòi hỏi quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn để có độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao với tiêu chuẩn kiểm định va đập	Độ bền cao với khả năng chịu va đập ở nhiệt độ thấp được cải thiện
Trị giá	Trung bình (thường thấp hơn một chút)	Trung bình đến cao hơn một chút (có thể có phí xử lý/kiểm tra)

Kết luận và hướng dẫn lựa chọn: - Chọn AH36 nếu: - Cấu trúc hoạt động trong môi trường ôn đới, nơi có đủ tiêu chuẩn về khả năng chịu va đập. - Bạn ưu tiên chi phí vật liệu thấp hơn một chút và tính khả dụng rộng rãi. - Các quy trình chế tạo thông thường và quy trình hàn tiêu chuẩn có thể đáp ứng mà không cần thêm điều kiện kiểm tra nhiệt độ thấp.

• Chọn DH36 nếu:
• Ứng dụng sẽ trải qua nhiệt độ môi trường hoặc nhiệt độ sử dụng thấp hoặc các yêu cầu phân loại/quy định yêu cầu độ bền đã được chứng minh ở nhiệt độ thấp hơn.
• Bạn cần có sự đảm bảo chắc chắn hơn về hiện tượng gãy giòn ở vùng HAZ và kim loại cơ bản trong điều kiện lạnh.
• Bạn có thể chấp nhận lựa chọn nhà máy chặt chẽ hơn, kiểm soát quy trình hàn và mức phí bảo hiểm biên có thể có cho vật liệu hoặc thử nghiệm.

Lưu ý cuối cùng: AH36 và DH36 là hai loại thép đóng tàu HSLA có mối quan hệ mật thiết; yếu tố quyết định là độ bền va đập đã được kiểm chứng ở nhiệt độ vận hành hoặc nhiệt độ thử nghiệm. Luôn xác nhận phiên bản tiêu chuẩn hiện hành, xem xét báo cáo thử nghiệm tại nhà máy và chứng chỉ thử nghiệm va đập, đồng thời xác nhận quy trình hàn theo đúng độ dày và chi tiết mối hàn được chỉ định trong dự án.