P22 so với P91 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

P22 và P91 là hai loại thép hợp kim tôi được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận chịu áp suất trong các ngành công nghiệp sản xuất điện, hóa dầu và quy trình công nghiệp nặng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự đánh đổi khi lựa chọn giữa chúng: chi phí vật liệu và chế tạo thấp hơn với độ bền nhiệt độ cao chấp nhận được so với khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng chống rão dài hạn đòi hỏi kiểm soát chế tạo chặt chẽ hơn.

Yếu tố phân biệt chính là hiệu suất thiết kế của chúng trong điều kiện nhiệt độ cao: một loại được tối ưu hóa cho độ bền nhiệt độ cao vừa phải với quy trình gia công đơn giản hơn, trong khi loại còn lại được thiết kế để có khả năng chống rão cao hơn đáng kể ở nhiệt độ hơi nước và nhiệt độ quy trình thông qua việc tăng cường hợp kim và ổn định hợp kim vi mô. Vì cả hai đều xuất hiện trong các thông số kỹ thuật sản phẩm ASME/ASTM tương tự nhau (ống, phụ kiện, linh kiện rèn), việc so sánh thường xuyên được thực hiện khi nâng cấp hệ thống, chỉ định thay thế hoặc thiết kế thiết bị áp suất mới.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM / ASME:
• P22 — ASTM A335 / ASME SA335 P22 (thường được chỉ định là 2,25Cr–1Mo)
• P91 — ASTM A335 / ASME SA335 P91 (9Cr–1Mo–V–Nb, còn được gọi là Cấp 91)
• EN / Châu Âu: các giá trị tương đương thường được đưa ra dưới dạng thép trong nhóm 13Cr và nhóm martensitic 9–12%Cr; các giá trị tương đương trực tiếp không phải là một-một.
• JIS / GB: các tiêu chuẩn quốc gia có thể liệt kê các giá trị chức năng tương đương gần đúng, nhưng phải kiểm tra thông số kỹ thuật về giới hạn hóa chất và xử lý nhiệt.
• Phân loại: cả hai đều là thép hợp kim (không phải thép không gỉ hoặc thép dụng cụ). Chúng là thép hợp kim chịu nhiệt độ cao, được thiết kế để sử dụng ở nhiệt độ cao. P22 là loại thép hợp kim Cr-Mo hàm lượng hợp kim thấp; P91 là hợp kim martensitic hàm lượng crom cao, tăng cường độ bền rão với các chất bổ sung hợp kim vi mô.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình (wt%) được các cơ quan công nghiệp và tiêu chuẩn sử dụng cho P22 và P91. Các giá trị này chỉ mang tính chất đại diện; vui lòng tham khảo thông số kỹ thuật vật liệu hoặc chứng nhận thử nghiệm nhà máy áp dụng để mua hàng.

Yếu tố	P22 (phạm vi điển hình, wt%)	P91 (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,05 – 0,15	0,08 – 0,12
Mn	0,30 – 0,60	0,30 – 0,60
Si	0,10 – 0,50	0,20 – 0,50
P	≤ 0,025	≤ 0,020
S	≤ 0,015	≤ 0,010
Cr	2,0 – 2,6	8,0 – 9,5
Ni	≤ 0,40	≤ 0,40
Mo	0,85 – 1,05	0,85 – 1,05
V	dấu vết – thấp	0,10 – 0,25
Nb (Nb+Ta)	dấu vết – thấp	0,06 – 0,12
Ti	—	≤ 0,02 (nếu được chỉ định)
B	—	≤ 0,001 (hợp kim vi mô)
N	≤ 0,015	0,03 – 0,07

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom và molypden làm tăng độ bền nóng và khả năng làm cứng; tăng Cr từ ~2,3% (P22) lên ~9% (P91) là bước hóa học chính làm tăng độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa. - Vanadi và niobi trong P91 tạo thành cacbua/nitrit ổn định, giữ chặt ranh giới hạt và làm giảm độ giòn, cải thiện độ bền kéo và độ ổn định ở nhiệt độ cao. - Hàm lượng cacbon và nitơ được kiểm soát để cân bằng độ bền và khả năng hàn; hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng lại làm tăng khả năng làm cứng và nguy cơ nứt nguội. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, B) trong P91 được bổ sung đặc biệt để cải thiện khả năng chống rão thông qua quá trình gia cường kết tủa và tinh chỉnh hạt trong quá trình ram.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - P22: Trong điều kiện chuẩn hóa và ram, P22 thường có cấu trúc bainit/ferrit ram với các cacbua phân tán (các cacbua Cr-Mo). Ít có khả năng hình thành cấu trúc vi mô martensite cứng cao trong quá trình gia công thông thường, do đó dễ hàn và xử lý nhiệt hơn. - P91: P91 là thép martensitic sau khi tôi; trạng thái cung cấp thường được chuẩn hóa và ram để phát triển cấu trúc vi mô martensitic ram với các kết tủa M23C6 và MX loại (cacbua/nitrit V/Nb) mịn, phân tán, tạo khả năng chống rão và ổn định ở nhiệt độ cao.

Tác dụng của xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ nhiệt độ austenit hóa đã chỉ định) và ram là cần thiết cho cả hai loại nhưng quan trọng hơn đối với P91 là thu được cấu trúc vi mô martensitic ram theo ý định và kết tủa các cacbua/nitrit gia cường. - Quá trình làm nguội và ram (đối với các bộ phận rèn) phải được kiểm soát cẩn thận đối với P91 để tránh độ cứng quá mức làm giảm khả năng hàn và để đảm bảo đáp ứng các thông số xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). - Xử lý nhiệt cơ học và lão hóa ổn định: P91 được hưởng lợi từ quá trình xử lý và ram có kiểm soát để ổn định các kết tủa chống rão; ram quá mức hoặc PWHT không đúng cách có thể làm giảm độ bền hoặc gây ra hiện tượng giòn ram.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi tính chất cơ học tiêu biểu (nhiệt độ phòng, chuẩn hóa và ram; các giá trị cụ thể phụ thuộc vào dạng sản phẩm và xử lý nhiệt chính xác):

Tài sản	P22 (điển hình)	P91 (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~415 – 585	~620 – 850
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	~250 – 350	~450 – 650
Độ giãn dài (%)	~20 – 25	~15 – 25
Độ bền va đập (Charpy V-notch, J)	vừa phải; giỏi về môi trường xung quanh	nói chung là tốt; được thiết kế để có độ bền ở nhiệt độ cao
Độ cứng (HRC / HB)	~170–220 HB (thay đổi)	~200–300 HB (thay đổi tùy theo tình trạng)

Giải thích: - P91 có độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn đáng kể khi được chuẩn hóa và ram đúng cách; điều này chủ yếu là do hàm lượng Cr và hợp kim vi mô cao hơn. - Độ dẻo (độ giãn dài) tương tự hoặc giảm nhẹ ở P91 so với P22 trong một số điều kiện do có độ bền cao hơn và martensite được tôi luyện. - Độ dẻo dai có thể đạt mức tuyệt vời ở cả hai loại nếu thực hiện xử lý nhiệt và xử lý nhiệt sau hàn phù hợp; P91 phải được xử lý chính xác để tránh vùng martensite giòn.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố về khả năng hàn được xem xét dựa trên tính tương đương cacbon, khả năng tôi và hợp kim vi mô. Các chỉ số thực nghiệm phổ biến được sử dụng để đánh giá định tính.

Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Giải thích định tính: - P22 có hàm lượng cacbon tương đương thấp hơn P91 do hàm lượng Cr và hợp kim vi mô thấp hơn, khiến việc hàn dễ dàng hơn với các yêu cầu về xử lý nhiệt trước và sau hàn (PWHT) ít nghiêm ngặt hơn. - P91 có khả năng tôi cứng cao hơn do hàm lượng Cr và hợp kim vi mô (V, Nb, B) cao hơn. Điều này làm tăng khả năng hình thành các vùng martensitic cứng và/hoặc chưa được tôi trong vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn (HAZ), làm tăng nguy cơ nứt nguội nếu không được nung nóng trước và xử lý nhiệt luyện đúng cách. - Hàn P91 thường yêu cầu các góc vát được kiểm soát, luyện kim đắp phù hợp (ví dụ: vật liệu đắp P91 hoặc các biến thể ổn định), nhiệt độ giữa các lớp hàn chính xác và PWHT để ram martensite và phục hồi độ dẻo và độ bền kéo. Các quy trình phức tạp hơn và thường phải tuân theo các quy trình kiểm định nghiêm ngặt. - Đối với cả hai loại, việc kiểm soát hydro, quy trình hydro thấp và PWHT thích hợp là điều cần thiết để có dịch vụ đáng tin cậy lâu dài.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả P22 và P91 đều là thép hợp kim không gỉ; khả năng chống ăn mòn nói chung trong điều kiện môi trường xung quanh ở mức trung bình nhưng không thể so sánh với hợp kim thép không gỉ. Bảo vệ bề mặt thường được sử dụng:
• Lớp phủ bảo vệ: sơn, epoxy, sơn chịu nhiệt độ cao.
• Lớp phủ kim loại: phun nhiệt (Al/Al-silicat), lớp phủ cho dịch vụ chống ăn mòn mạnh.
• Mạ kẽm nhúng nóng có thể áp dụng cho một số ứng dụng P22 trong điều kiện môi trường xung quanh nhưng không phù hợp với dịch vụ nhiệt độ cao; mạ kẽm không phù hợp với nhiệt độ cao kéo dài.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) được sử dụng cho hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• PREN không áp dụng cho thép P22 và P91 vì chúng không phải là thép không gỉ được thiết kế để tạo lớp màng thụ động giàu crom bảo vệ. Việc quản lý chống ăn mòn của chúng tập trung vào lớp phủ, lớp ốp và lựa chọn vật liệu cho từng môi trường cụ thể (oxy hóa, sunfua hóa, rỗ).

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

• Khả năng gia công:
• P22 dễ gia công hơn P91 trong điều kiện tương đương do độ cứng thấp hơn và hàm lượng hợp kim thấp hơn.
• P91 có độ bền cao hơn và hợp kim nặng hơn, cứng hơn đối với các dụng cụ cắt và có thể yêu cầu tốc độ cắt chậm hơn và dụng cụ chắc chắn hơn.
• Khả năng tạo hình và gia công nguội:
• Cả hai loại này đều không dùng để rèn nguội hoặc tạo hình rộng rãi sau khi xử lý nhiệt cuối cùng; quá trình tạo hình thường được thực hiện trong điều kiện mềm hơn (khi cán hoặc chuẩn hóa) trước khi xử lý nhiệt cuối cùng.
• Hoàn thiện:
• Việc mài và chuẩn bị bề mặt cho P91 cần được chú ý để tránh tạo ra các khuyết tật bề mặt có thể là nguyên nhân gây ra hiện tượng rão hoặc mỏi.
• Lập kế hoạch chế tạo:
• Tiêu chuẩn P91 yêu cầu quy trình hàn đủ tiêu chuẩn và thợ hàn có kinh nghiệm. Kiểm soát biến dạng và quản lý ứng suất dư rất quan trọng vì cần phải thực hiện chu kỳ hàn PWHT.

8. Ứng dụng điển hình

P22 (sử dụng phổ biến)	P91 (sử dụng phổ biến)
Đường ống và ống góp của nhà máy điện hóa thạch hoạt động ở nhiệt độ hơi nước vừa phải (lên đến ~540–565°C)	Đường ống dẫn hơi nước, ống góp và các bộ phận của nhà máy điện hóa thạch siêu tới hạn và tiên tiến có nhiệt độ hơi nước cao hơn (thường >550°C)
Bình chịu áp suất và nồi hơi có chi phí và chế tạo đơn giản hơn là ưu tiên hàng đầu	Tuabin hơi nước nhiệt độ cao, bộ gia nhiệt, bộ quá nhiệt và đường ống áp suất cao yêu cầu khả năng chống biến dạng lâu dài
Ống gia nhiệt dầu khí, đường ống xử lý ở nhiệt độ vừa phải	Các thành phần trong nhà máy điện và nhà máy hóa chất yêu cầu độ bền kéo dài cao và độ ổn định cấu trúc vi mô
Vật liệu thay thế tiết kiệm cho thép hợp kim thấp cũ	Thiết kế mới hướng đến mục tiêu kéo dài tuổi thọ ở nhiệt độ cao; các mối hàn quan trọng cần PWHT

Cơ sở lựa chọn: - Chọn P22 khi nhiệt độ làm việc và yêu cầu về độ rão dự kiến ​​ở mức trung bình và khi tính đơn giản và chi phí mua sắm/chế tạo là quan trọng. - Chọn P91 khi tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ và áp suất cao đòi hỏi khả năng chống rão vượt trội, ổn định kết tủa mịn hơn và ứng suất cho phép cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: P91 thường đắt hơn P22 tính theo kilôgam do hàm lượng hợp kim cao hơn (đặc biệt là crôm và các chất bổ sung hợp kim vi mô) và quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn. Chi phí chế tạo và thẩm định quy trình hàn làm tăng tổng chi phí lắp đặt cho P91.
• Khả dụng:
• P22 được sử dụng rộng rãi trong các loại ống, phụ kiện, đồ gá và sản phẩm rèn từ nhiều nhà máy và nhà phân phối.
• P91 được cung cấp rộng rãi, nhưng một số dạng sản phẩm nhất định (rèn lớn, kết hợp đường kính/độ dày chuyên biệt) có thể có thời gian giao hàng lâu hơn và thường được cung cấp từ các nhà cung cấp chuyên biệt. Tính khả dụng có thể thay đổi tùy theo khu vực và nhu cầu thị trường.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt — so sánh định tính:

Thuộc tính	Trang 22	Trang 91
Khả năng hàn	Dễ dàng hơn; CE thấp hơn, PWHT ít nghiêm ngặt hơn	Khó hơn; CE/khả năng tôi luyện cao hơn; yêu cầu PWHT được kiểm soát và các quy trình đủ tiêu chuẩn
Độ bền – Độ dẻo dai (nhiệt độ cao)	Độ bền nhiệt độ cao vừa phải; đủ bền lên đến ~540–565°C	Độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão; thích hợp cho nhiệt độ cao hơn/tuổi thọ dài hơn
Chi phí (vật liệu + chế tạo)	Thấp hơn	Cao hơn

Sự giới thiệu: - Chọn P22 nếu bạn cần loại thép hợp kim dễ hàn và có chi phí thấp hơn cho thiết bị chịu áp suất và đường ống hoạt động ở nhiệt độ cao vừa phải, khi hiện tượng rão dài hạn ở nhiệt độ cao không phải là tiêu chí thiết kế chi phối. - Chọn P91 nếu ứng dụng yêu cầu khả năng chống biến dạng đáng kể và ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ cao (hệ thống hơi nước áp suất cao, tuổi thọ cao) và nếu dự án có thể hỗ trợ các biện pháp kiểm soát chế tạo cần thiết, quy trình hàn đạt tiêu chuẩn và chi phí bảo hiểm.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại đều yêu cầu phải nêu rõ cấp vật liệu, điều kiện xử lý nhiệt và quy trình hàn chính xác trong hồ sơ mua sắm và thiết kế. Đối với các ứng dụng quan trọng về an toàn và nhiệt độ cao trong thời gian dài, hãy liên hệ với kỹ sư vật liệu và kỹ sư hàn ngay từ đầu để xác nhận ứng suất thiết kế cho phép, các thông số PWHT cần thiết và thử nghiệm chất lượng để đảm bảo hiệu suất vận hành đáng tin cậy.