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

Giới thiệu

P11 và P22 là hai loại thép hợp kim Cr-Mo được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận chịu áp suất, đặc biệt là đường ống, ống góp và ống nồi hơi trong các nhà máy điện và hóa dầu. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường cân nhắc giữa độ bền cao hơn và khả năng chịu nhiệt độ cao so với chi phí, khả năng hàn và độ bền khi lựa chọn.

Đặc điểm phân biệt chính là hàm lượng crom và molypden trong P22 cao hơn so với P11, điều này làm tăng hiệu suất theo hướng tăng cường độ bền, khả năng chống rão và khả năng tôi cứng, nhưng lại làm giảm khả năng hàn và tăng chi phí vật liệu. Do nằm liền kề trên phổ hợp kim Cr-Mo, các mác thép này thường được so sánh khi thiết kế các hệ thống áp suất ở nhiệt độ trung bình (lên đến vài trăm °C).

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung:
• ASTM/ASME: SA/SAE A335 P11, P22 (ống thép hợp kim ferritic liền mạch), A/SA 335 được chỉ định cho dịch vụ nhiệt độ cao.
• EN: Các họ cấp Cr–Mo tương đương trong các tiêu chuẩn EN (ví dụ, loạt EN 10216/10222 có các họ sản phẩm Cr–Mo tương tự).
• JIS/GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc bao gồm các loại thép Cr–Mo có thành phần hóa học và tính chất tương tự.
• Phân loại:
• Cả P11 và P22 đều là thép hợp kim (cấp ferritic crom-molypden), không phải thép không gỉ hay thép dụng cụ. Chúng không được phân loại là HSLA theo nghĩa chặt chẽ mà là thép bình chịu áp suất hợp kim thấp được thiết kế để chịu được nhiệt độ cao và chống rão.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: phạm vi thành phần danh nghĩa điển hình (wt%, đại diện cho các thông số kỹ thuật chung và thông lệ thương mại)

Yếu tố	P11 (điển hình)	P22 (điển hình)
C	0,05–0,15	0,05–0,15
Mn	0,25–0,60	0,25–0,60
Si	0,10–0,50	0,10–0,50
P	≤0,03	≤0,03
S	≤0,03	≤0,03
Cr	~0,9–1,4 (≈1,0–1,25)	~2,0–2,6 (≈2,25)
Mo	~0,4–0,6 (≈0,5)	~0,8–1,15 (≈1,0)
Ni	≤0,40	≤0,40
V, Nb, Ti, B, N	Có dấu vết/không có (tùy thuộc vào nhà sản xuất)	Có dấu vết/không có (tùy thuộc vào nhà sản xuất)

Ghi chú: - Các giá trị hiển thị là phạm vi danh nghĩa điển hình từ thông số kỹ thuật của bình chịu áp lực/ống, chứ không phải giới hạn kiểm soát độ chính xác cho tất cả các dạng sản phẩm. Cần tham khảo các chứng nhận và tiêu chuẩn cụ thể của nhà máy cho các dự án quan trọng theo hợp đồng. - Chiến lược hợp kim chủ chốt là P22 có hàm lượng Cr và Mo bổ sung đáng kể so với P11. Điều này làm tăng khả năng tôi cứng, độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa/ăn mòn trong một số môi trường, trong khi P11 có cấu trúc hóa học đơn giản hơn, khả năng hàn tốt hơn và chi phí vật liệu thấp hơn.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom làm tăng khả năng chống oxy hóa, khả năng làm cứng và độ bền ở nhiệt độ cao; nó cũng thúc đẩy sự hình thành cacbua giúp ổn định độ bền ở nhiệt độ cao. - Molypden tăng cường ma trận ferit, cải thiện khả năng chống rão và tăng khả năng tôi luyện, cải thiện khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ cao. - Carbon, Mn và Si thiết lập độ bền cơ bản và khả năng làm cứng; hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu không được kiểm soát.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện thường hóa và ram, cả hai loại đều thể hiện cấu trúc vi mô ram martensite hoặc ram bainit ram tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và hàm lượng hợp kim. P22, với hàm lượng Cr và Mo cao hơn, tạo điều kiện hình thành martensite/bainit và độ tôi cao hơn trong cùng một chu kỳ nhiệt so với P11. - Các cấu trúc vi mô được cán cho cả hai đều là perlit/ferit tôi luyện với hợp kim cacbua (cacbua Cr–Mo) được phân tán.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ phía trên A3) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra cấu trúc vi mô đồng nhất. P22 thường yêu cầu nhiệt độ ram cao hơn để đạt được độ dẻo dai tương đương do khả năng tôi luyện được cải thiện. - Làm nguội và ram: Cả hai loại đều có thể được làm nguội và ram; P22 sẽ đạt mức độ bền cao hơn sau khi làm nguội như nhau do hàm lượng Cr–Mo, nhưng phải điều chỉnh lịch trình ram để khôi phục độ dẻo dai và giảm độ cứng còn lại. - Xử lý nhiệt cơ học: Cán có kiểm soát sau đó ram giúp cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống rão; nếu có, việc bổ sung hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) sẽ làm mịn hơn nữa kích thước hạt và khả năng ghim trật khớp.

Những cân nhắc thực tế: - Khả năng làm cứng cao hơn của P22 có nghĩa là các phần dày hơn và bộ tản nhiệt thô có thể tạo thành các cấu trúc vi mô cứng hơn (nguy cơ nứt nguội ở vùng HAZ của mối hàn nếu không được làm nóng trước). - Quá trình tôi luyện rất quan trọng để cân bằng độ bền và độ dẻo dai cho cả hai loại, đặc biệt là ở nhiệt độ hoạt động mà hiện tượng rão là mối quan tâm.

4. Tính chất cơ học

Bảng: so sánh định tính (điều kiện sản phẩm chuẩn hóa và tôi luyện điển hình)

Tài sản	Trang 11	Trang 22
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Nói chung là cao hơn	Thấp hơn một chút
Độ bền va đập (ở nhiệt độ phòng)	Tốt khi được điều chỉnh đúng cách	Tốt nhưng có thể nhạy cảm hơn với xử lý nhiệt
Độ cứng (khi giao hàng)	Thấp hơn	Cao hơn

Giải thích: - P22 có xu hướng đạt được độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn, chủ yếu nhờ hàm lượng Cr và Mo cao, giúp tăng cường độ bền và khả năng tôi cứng. P11 thường dẻo hơn và dễ dàng đạt được vùng HAZ cứng hơn sau khi hàn. - Độ bền va đập của cả hai loại vật liệu này đều có thể tuyệt vời khi được chuẩn hóa và ram đúng cách; tuy nhiên, khả năng làm cứng cao hơn của P22 có nghĩa là việc kiểm soát nhiệt không đúng cách có thể làm giảm độ bền ở các phần dày hoặc mối hàn kém. - Sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai có thể điều chỉnh thông qua quá trình tôi luyện; thiết kế phải chỉ rõ năng lượng va đập và xử lý nhiệt cần thiết để đảm bảo tuân thủ.

5. Khả năng hàn

Trình điều khiển khả năng hàn: - Tương đương cacbon và khả năng tôi cứng là những chỉ số chính về khả năng bị tôi cứng HAZ và nứt nguội. Cả hai loại thép đều yêu cầu xử lý nhiệt trước và sau hàn (PWHT) cho các ứng dụng chịu áp lực, nhưng P22 thường yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn. - Sử dụng công thức tính cacbon tương đương để đánh giá khả năng hàn một cách định tính.

Chỉ số chung (chỉ để giải thích): - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Thông số của Viện Hàn 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 P22 có hàm lượng Cr và Mo cao hơn nên giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ của P22 sẽ cao hơn so với P11 mặc dù có thành phần hóa học tương tự, cho thấy khả năng làm cứng cao hơn và nguy cơ làm cứng vùng HAZ và nứt nguội cao hơn. - Hậu quả thực tế: tăng nhiệt độ trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp và PWHT ở nhiệt độ quy định quan trọng hơn đối với P22, đặc biệt là ở các phần dày hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả P11 và P22 đều không gỉ; khả năng chống ăn mòn trong môi trường ẩm ướt hoặc môi trường hóa học khắc nghiệt bị hạn chế. Khả năng hình thành crom cải thiện theo hàm lượng Cr, do đó P22 có khả năng chống oxy hóa tốt hơn một chút ở nhiệt độ cao và có thể tạo thành lớp oxit bảo vệ tốt hơn trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao.
• Đối với ăn mòn khí quyển hoặc nước nói chung, cần bảo vệ bề mặt: sơn, phủ epoxy hoặc mạ kẽm (nếu phù hợp) là những phương pháp phổ biến. Đối với ứng dụng chôn ngầm hoặc dưới biển, lớp phủ epoxy và bảo vệ catốt là phổ biến.
• PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ này; để hiểu rõ hơn, PREN là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Việc sử dụng PREN chỉ có ý nghĩa đối với các loại thép không gỉ chứa nhiều niken và nitơ; đối với P11/P22, hàm lượng crom và molypden thấp so với thép không gỉ, do đó, việc lập kế hoạch chống ăn mòn phải dựa vào lớp phủ, chất ức chế và lựa chọn vật liệu.

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

• Khả năng gia công: Cả hai đều có thể gia công ở điều kiện chuẩn hóa/rau tôi; độ bền và độ cứng cao hơn của P22 có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ và yêu cầu các thông số gia công nặng hơn so với P11.
• Khả năng tạo hình/uốn: Tạo hình nguội dễ dàng hơn với P11 do độ dẻo cao hơn và năng suất thấp hơn. P22 khó uốn cong ở những chỗ hẹp và có thể yêu cầu bán kính uốn lớn hơn hoặc các thông số uốn/tạo hình ở nhiệt độ cao hơn.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều đáp ứng tốt với các thao tác hoàn thiện tiêu chuẩn; mài và đánh bóng rất dễ dàng khi được tôi luyện ở độ cứng vừa phải.
• Thực hành hàn: Đối với hệ thống áp suất, cả hai đều yêu cầu kim loại hàn đủ tiêu chuẩn tương thích với quá trình tôi và PWHT để tránh giòn; P22 thường cần lựa chọn vật liệu hàn khó hơn và quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn.

8. Ứng dụng điển hình

P11 (sử dụng điển hình)	P22 (sử dụng điển hình)
Ống nồi hơi, ống góp và đường ống ở nhiệt độ thấp đến trung bình, nơi chi phí và khả năng hàn được ưu tiên	Đường ống dịch vụ nhiệt độ cao hơn, đường ống hơi, ống góp quá nhiệt/nung nóng lại và ống dẫn nơi cần độ bền nhiệt độ cao
Các thành phần cấu trúc trong nhà máy điện có khả năng chống biến dạng vừa phải là đủ	Các thành phần tiếp xúc với nhiệt độ và áp suất hơi nước cao hơn, trong đó khả năng chống biến dạng và oxy hóa là quan trọng
Bộ trao đổi nhiệt và bình chịu áp suất trong dịch vụ hóa dầu với nhiệt độ/áp suất vừa phải	Các thành phần và đường ống quan trọng của bình chịu áp suất trong các nhà máy lọc dầu và nhà máy điện đòi hỏi độ bền cao hơn và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao tốt hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn P11 khi cần cân bằng giữa chi phí, dễ chế tạo và hiệu suất nhiệt độ cao chấp nhận được trong điều kiện sử dụng trung bình. - Chọn P22 khi dịch vụ liên quan đến nhiệt độ cao hơn, ứng suất thiết kế cao hơn hoặc khi khả năng chống biến dạng và hiệu suất oxy hóa được cải thiện biện minh cho chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: P22 thường đắt hơn P11 do hàm lượng crom và molypden cao hơn và yêu cầu xử lý/xử lý nhiệt khắt khe hơn. Molypden là một phụ gia hợp kim tương đối tốn kém.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều phổ biến trong các dòng sản phẩm ống liền mạch và ống hàn; P11 và P22 được dự trữ rộng rãi cho thị trường điện và hóa dầu. Tính khả dụng theo dạng sản phẩm (ống, tấm, rèn) phụ thuộc vào hàng tồn kho của nhà máy và nguồn cung khu vực. Thời gian giao hàng cho P22 có thể lâu hơn trong thời điểm thị trường molypden khan hiếm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: tóm tắt so sánh (định tính)

Thuộc tính	Trang 11	Trang 22
Khả năng hàn	Tốt hơn (độ cứng thấp hơn)	Yêu cầu khắt khe hơn (độ cứng cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo tốt	Độ bền cao hơn, có thể kém dẻo hơn nếu không được tôi luyện đúng cách
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn P11 nếu: - Bạn cần hợp kim Cr–Mo tiết kiệm chi phí cho hệ thống áp suất nhiệt độ vừa phải. - Ưu tiên hàng đầu là dễ hàn, chế tạo và độ dẻo. - Nhiệt độ và ứng suất làm việc nằm trong khả năng của P11 và độ rão không phải là tiêu chí thiết kế kiểm soát. - Chọn P22 nếu: - Ứng dụng này đòi hỏi độ bền ở nhiệt độ cao hơn, khả năng chống rão tốt hơn hoặc khả năng chống oxy hóa tốt hơn ở nhiệt độ hơi nước/khí cao hơn. - Bạn có thể thực hiện các biện pháp kiểm soát hàn chặt chẽ hơn, gia nhiệt trước/PWHT và chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn để cải thiện hiệu suất lâu dài.

Lưu ý cuối cùng: Ghi rõ yêu cầu xử lý nhiệt, năng lượng va đập, gia nhiệt sơ bộ và PWHT trong hồ sơ mua sắm; tham khảo chứng chỉ thử nghiệm nhà máy để biết thông số hóa học và cơ học thực tế của từng lô. Đối với các thiết kế bình chịu áp suất quan trọng hoặc nhiệt độ cao, hãy xác minh lựa chọn bằng dữ liệu biến dạng, đặc tính dài hạn và tuân thủ quy định liên quan.