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 crom-molypden được sử dụng rộng rãi, được thiết kế cho các chi tiết chịu áp suất và hoạt động ở nhiệt độ cao như ống nồi hơi, ống góp và đường ống. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa độ bền/khả năng chống rão, khả năng hàn, độ dai và chi phí khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn mác thép phù hợp cho hoạt động ở nhiệt độ cao (độ rão so với chi phí), xác định các phương pháp gia nhiệt trước và PWHT (khả năng hàn và nguy cơ nứt hydro), và tối ưu hóa chi phí vòng đời cho các khoảng thời gian thay thế.

Đặc điểm thiết kế phân biệt chính giữa hai loại thép này là chiến lược hợp kim của chúng: P22 chứa hàm lượng crom và molypden cao hơn P11. Sự khác biệt về thành phần này giúp P22 có độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão cao hơn, đồng thời tăng khả năng tôi và các yếu tố cần xem xét khi hàn/gia nhiệt trước so với P11. Vì cả hai đều được sử dụng cho các ứng dụng đường ống và bình chịu áp lực tương tự, nên việc so sánh thường xuyên được thực hiện trong quá trình lựa chọn vật liệu cho nhà máy điện, nhà máy lọc dầu và thiết bị hóa dầu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và tên gọi chung:
• ASME/ASTM: ASME SA335 / ASTM A335 (ống thép hợp kim ferritic liền mạch): P11, P22.
• EN: Các ký hiệu tương đương đôi khi được đưa ra là họ 1,0–1,25Cr–0,5Mo và 2,25Cr–1Mo; số EN cụ thể thay đổi tùy theo sản phẩm và phương pháp xử lý nhiệt.
• JIS / GB: Các tiêu chuẩn khu vực có thể liệt kê các cấp độ tương ứng (tham khảo các bảng tiêu chuẩn cụ thể để biết thông tin tham chiếu chính xác).
• Lớp vật liệu:
• Cả P11 và P22 đều là thép hợp kim (thép ferit crom-molypden) dùng cho ứng dụng nhiệt độ cao. Chúng không phải là thép không gỉ, thép dụng cụ hay thép HSLA theo nghĩa thông thường.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau tóm tắt mức độ tương đối của các thành phần chung thay vì tỷ lệ phần trăm tuyệt đối; điều này tránh việc trình bày các giá trị số cụ thể phụ thuộc vào thông số kỹ thuật và nhà cung cấp chính xác.

Yếu tố	P11 (mức độ tương đối)	P22 (mức độ tương đối)
C	Thấp–Trung bình	Thấp–Trung bình
Mn	Thấp–Trung bình	Thấp–Trung bình
Si	Thấp–Trung bình	Thấp–Trung bình
P	Theo dõi / Kiểm soát	Theo dõi / Kiểm soát
S	Theo dõi / Kiểm soát	Theo dõi / Kiểm soát
Cr	Trung bình (thấp hơn)	Cao hơn (cao hơn đáng kể)
Ni	Dấu vết / Thấp	Dấu vết / Thấp
Mo	Trung bình (thấp hơn)	Cao hơn (cao hơn đáng kể)
V	Dấu vết / Có thể có hợp kim vi mô	Dấu vết / Có thể có hợp kim vi mô
Nb (Nb/Ta)	Thông thường không được thêm vào	Thông thường không được thêm vào
Ti	Theo dõi / Kiểm soát	Theo dõi / Kiểm soát
B	Không được chỉ định thông thường	Không được chỉ định thông thường
N	Mức độ thấp được kiểm soát	Mức độ thấp được kiểm soát

Giải thích: - P11 được pha chế với hàm lượng crôm và molypden vừa phải để tăng cường độ bền và khả năng chống biến dạng ở nhiệt độ cao trong khi vẫn duy trì khả năng hàn tương đối tốt. Hợp kim của nó được chế tạo theo phương pháp bảo tồn. - P22 làm tăng hàm lượng crom và molypden để tăng độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa và khả năng chống rão; những sự gia tăng này cũng làm tăng khả năng làm cứng và có thể làm cho quá trình hàn và xử lý nhiệt trở nên khó khăn hơn. - Các nguyên tố khác như Mn và Si có mặt ở mức tương tự, được kiểm soát trong cả hai loại và chủ yếu ảnh hưởng đến quá trình khử oxy, độ bền và độ dẻo dai. - Mức tạp chất rất thấp và được kiểm soát chặt chẽ (P, S, N) rất quan trọng đối với độ dẻo dai và hiệu suất nhiệt độ cao ở cả hai loại.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom và molypden làm tăng khả năng làm cứng, độ bền ở nhiệt độ cao và hiệu suất chống nứt; crom cũng góp phần chống oxy hóa. - Cacbon làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu quá nhiều. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ bền kéo dài thông qua quá trình gia cường kết tủa khi có chủ đích.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và hành vi xử lý nhiệt: - Cấu trúc vi mô nền sau khi thường hóa và ram: Cả hai loại đều phát triển cấu trúc vi mô martensitic hoặc ferritic bainit ram tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và hàm lượng hợp kim. Chuẩn hóa thích hợp sẽ tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó; ram làm giảm độ cứng đồng thời phục hồi độ dai. - P11: Với hàm lượng hợp kim thấp hơn, P11 thường tạo thành martensite hoặc bainit ram với phản ứng ram tương đối dễ dàng. Nó chấp nhận các chu trình chuẩn hóa và ram tiêu chuẩn được sử dụng cho thép Cr-Mo hợp kim thấp và dễ gia công trong các cửa sổ xử lý nhiệt. - P22: Hàm lượng Cr và Mo cao hơn làm tăng khả năng tôi cứng và làm chậm quá trình chuyển đổi bainit/martensit; khi làm nguội nhanh, cấu trúc vi mô sau khi tôi có thể cứng hơn và mang tính martensit hơn. Việc ram là cần thiết để khôi phục độ dai và điều chỉnh các đặc tính rão; P22 có thể cần xử lý nhiệt được kiểm soát chặt chẽ hơn để tránh ram quá mức hoặc giữ lại các gradient độ cứng. - Xử lý nhiệt cơ: Thông thường, không có loại nào được xử lý bằng TMCP mạnh đối với các tấm thép có độ bền cao dùng trong kết cấu thép; đối với các bộ phận, phương pháp tiêu chuẩn là gia công nóng có kiểm soát sau đó là chuẩn hóa và ram là phương pháp tạo ra cấu trúc vi mô ram đáng tin cậy. - Cân nhắc về độ rão: Hợp kim P22 hỗ trợ độ bền đứt-rão cao hơn ở nhiệt độ cao; tính ổn định của cacbua (cacbua giàu Cr và Mo) và sự phân bố của chúng sau khi ram là chìa khóa cho hiệu suất lâu dài.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp các mô tả so sánh định tính; giá trị thực tế phụ thuộc vào thông số kỹ thuật và xử lý nhiệt.

Tài sản	P11 (điển hình)	P22 (điển hình)
Độ bền kéo	Vừa phải	Cao hơn
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt	Tốt đến giảm nhẹ
Độ bền va đập	Tốt (đặc biệt là sau khi bình tĩnh)	Tốt khi được tôi luyện đúng cách; có thể nhạy cảm hơn với xử lý nhiệt
Độ cứng (sau khi xử lý nhiệt)	Vừa phải	Cao hơn (có thể cao hơn trước khi tôi luyện)

Giải thích: - P22 thường đạt được độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn cũng như khả năng chống rão vượt trội ở nhiệt độ cao do hàm lượng Cr–Mo cao hơn và pha cacbua ổn định hơn. - P11 thường dễ đạt được độ dẻo dai hơn một chút, có khả năng làm cứng thấp hơn một chút và do đó ít phức tạp hơn trong việc hàn/xử lý nhiệt trong nhiều môi trường xưởng. - Cả hai loại đều có thể được sản xuất để đáp ứng các mục tiêu về độ bền và va đập cụ thể thông qua quá trình chuẩn hóa và ram thích hợp; tính chất cuối cùng phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chịu ảnh hưởng của đương lượng cacbon và độ tôi. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là tương đương cacbon IIW và Pcm toàn diện hơn:

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

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

Giải thích định tính: - P22, với hàm lượng crom và molypden cao hơn, tạo ra sự đóng góp cao hơn vào các điều khoản về khả năng tôi luyện trong $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$; do đó, các vùng hàn dễ hình thành martensite cứng hơn và cần kiểm soát cẩn thận hơn (gia nhiệt trước, nhiệt độ giữa các đường hàn và xử lý nhiệt sau hàn — PWHT). - P11 thường có hàm lượng cacbon tương đương được tính toán thấp hơn từ Cr và Mo, giúp hàn dễ dàng hơn bằng các quy trình tiêu chuẩn; mức độ nung nóng trước/PWHT thấp hơn thường có thể thực hiện được. - Cả hai vật liệu này thường yêu cầu PWHT trong các ứng dụng bình chịu áp suất và đường ống để giảm ứng suất dư và tôi luyện bất kỳ cấu trúc vi mô cứng nào hình thành trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ). - Nứt nguội do hydro gây ra: vì P22 có khả năng làm cứng cao hơn nên dễ bị nứt HAZ hơn nếu hydro và sự kiềm chế không được kiểm soát; cần có các quy trình nghiêm ngặt về làm nóng trước, lựa chọn vật tư tiêu hao và kiểm soát hydro. - Vật tư tiêu hao: lựa chọn kim loại hàn phù hợp hoặc vượt trội với hàm lượng hợp kim thích hợp để đáp ứng các yêu cầu về độ bền và nhiệt độ cao; việc lựa chọn vật liệu hàn phải xem xét đến khả năng tương thích PWHT và hiệu suất chống rão.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả P11 và P22 đều không phải là hợp kim không gỉ; chúng phụ thuộc vào lớp phủ, sơn, mạ kẽm (nếu có thể sử dụng ở nhiệt độ thấp) hoặc lớp ốp cho môi trường ăn mòn.
• Hàm lượng crom cao hơn trong P22 mang lại khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao tốt hơn so với P11, nhưng không tương đương với khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ.
• Đối với sự ăn mòn do nước hoặc các dòng quy trình có tính ăn mòn cao, cần phải có lớp phủ bằng thép không gỉ hoặc dung sai ăn mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) được sử dụng cho các hợp kim thép không gỉ và không áp dụng cho các loại thép Cr–Mo hợp kim thấp này, nhưng để rõ ràng hơn, công thức PREN là:

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

• Vì PREN dành cho thép không gỉ nên không nên sử dụng để đánh giá P11/P22; hiệu suất chống ăn mòn của chúng phải được thiết kế bằng cách lựa chọn hệ thống bảo vệ, vật liệu ốp hoặc dung sai chống ăn mòn dựa trên môi trường.

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 tốt trong điều kiện chuẩn hóa và ram, nhưng P22 có thể mài mòn và cứng hơn nếu các thông số cắt không được tối ưu hóa do có khả năng làm cứng và hàm lượng cacbua cao hơn.
• Khả năng tạo hình/ uốn cong:
• P11 thường dễ tạo hình nguội và uốn cong hơn mà không cần nung nóng trước nhiều so với P22 do hàm lượng hợp kim thấp hơn; tuy nhiên, cả hai thường được tạo hình ở điều kiện chuẩn hóa hoặc bằng quy trình uốn nóng có kiểm soát.
• Hoàn thiện bề mặt và trang trí:
• Hàm lượng hợp kim và cacbua cao hơn trong P22 có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ trong quá trình hoàn thiện; hãy chỉ định dụng cụ và cấp liệu phù hợp.
• Khuyến nghị:
• Tiến hành tạo hình và gia công ở trạng thái chuẩn hóa/rau củ, không ở trạng thái cứng khi cán hoặc hàn.
• Sử dụng chất làm mát, chất lỏng cắt và vật liệu dụng cụ thích hợp (cacbua phủ hoặc gốm cho các vết cắt hợp kim cao).

8. Ứng dụng điển hình

P11 — Công dụng điển hình	P22 — Công dụng điển hình
Đường ống, ống góp và phụ kiện áp suất thấp hoặc nhiệt độ trung bình, trong đó chi phí và khả năng hàn là ưu tiên hàng đầu	Đường ống hơi nước nhiệt độ cao, các bộ phận chịu áp suất và các thành phần đòi hỏi khả năng chống oxy hóa và độ bền kéo dài vượt trội
Ống trao đổi nhiệt và các thành phần có khả năng chống rão ở mức độ vừa phải là đủ	Đường ống hơi chính, ống góp quá nhiệt/nung nóng lại và các thành phần trong các ứng dụng nhà máy điện nhiệt độ trung bình đến cao
Phụ tùng thay thế tiết kiệm khi nhiệt độ hoạt động không quá cao	Các thành phần quan trọng của bình chịu áp suất và đường ống trong các nhà máy chu trình hóa thạch hoặc chu trình kết hợp, nơi cần tuổi thọ kéo dài hơn
Ống thép hợp kim đa năng dùng trong dịch vụ hóa dầu với yêu cầu nhiệt độ ít khắc nghiệt hơn	Các thành phần yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ hoặc độ dày giảm đối với cùng ứng suất thiết kế

Cơ sở lựa chọn: - Chọn P22 khi cần độ bền lâu dài ở nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa và tuổi thọ cao. - Chọn P11 khi ưu tiên chi phí thấp hơn, chế tạo/hàn dễ dàng hơn và yêu cầu về nhiệt độ/độ rão ở mức khiêm tốn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• P22 thường có giá vật liệu cao hơn P11 do hàm lượng Cr và Mo tăng lên và quy trình xử lý chặt chẽ hơn để có hiệu suất ở nhiệt độ cao.
• P11 thường tiết kiệm hơn và được dự trữ rộng rãi trong nhiều kho hàng ống và phụ kiện.
• Hình thức sản phẩm và tình trạng sẵn có:
• Cả hai loại này thường có dạng ống liền mạch, ống hàn, phụ kiện, mặt bích và tấm bình chịu áp suất; tuy nhiên, thời gian giao hàng đối với P22 có thể lâu hơn đối với độ dày tấm chuyên dụng hoặc các thành phần rèn.
• Tính khả dụng có thể khác nhau tùy theo khu vực; các kỹ sư mua sắm phải xác nhận thời gian giao hàng cho dạng sản phẩm yêu cầu và bất kỳ điều kiện xử lý nhiệt nào được chỉ định.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	Trang 11	Trang 22
Khả năng hàn	Dễ dàng hơn (mức độ làm nóng trước/PWHT thấp hơn điển hình)	Yêu cầu khắt khe hơn (nhiệt độ nung nóng trước/PWHT cao hơn; nguy cơ nứt HAZ)
Độ bền – Độ dẻo dai (nhiệt độ cao)	Độ bền vừa phải, độ dẻo dai tốt	Độ bền và khả năng chống rão cao hơn, độ dẻo dai phụ thuộc vào xử lý nhiệt
Trị giá	Chi phí vật liệu thấp hơn	Chi phí vật liệu cao hơn

Kết luận và hướng dẫn thực tế: - Chọn P11 nếu: - Nhiệt độ thiết kế và tuổi thọ cần thiết ở mức trung bình, chi phí và khả năng chế tạo/hàn dễ dàng là những hạn chế đáng kể. - Bạn muốn một quy trình hàn dễ thực hiện hơn với mức độ gia nhiệt trước/PWHT thấp hơn tại xưởng hoặc ngoài hiện trường. - Dự án cho phép sử dụng vật liệu có hàm lượng Cr/Mo thấp hơn và ứng suất cho phép ở nhiệt độ thấp hơn tương ứng.

• Chọn P22 nếu:
• Ứng dụng này đòi hỏi độ bền nhiệt độ cao hơn, tuổi thọ kéo dài hơn hoặc khả năng chống oxy hóa tốt hơn ở nhiệt độ sử dụng.
• Bạn có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát hàn, gia nhiệt trước và PWHT chặt chẽ hơn và chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn để kéo dài tuổi thọ hoặc giảm độ dày của tiết diện.
• Các quy định thiết kế hoặc yêu cầu về ứng suất cho phép chỉ định mức nhiệt độ cao hơn phù hợp với hiệu suất của P22.

Lưu ý cuối cùng: Cả P11 và P22 đều là những vật liệu đã được kiểm chứng, am hiểu sâu sắc với hàng thập kỷ ứng dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất điện và quy trình. Quyết định nên dựa trên các yêu cầu về nhiệt độ thiết kế và tuổi thọ, khả năng hàn và chế tạo, mô hình hóa chi phí vòng đời và các yêu cầu cụ thể của quy phạm/hợp đồng. Khi còn nghi ngờ, hãy thực hiện đánh giá kỹ thuật chuyên sâu, bao gồm các đường cong ứng suất/nhiệt độ cho phép, thẩm định quy trình hàn và xác minh khả năng xử lý nhiệt của nhà cung cấp để đảm bảo loại thép đã chọn đáp ứng các kỳ vọng về dịch vụ lâu dài.