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

Giới thiệu

P22 và P91 là hai loại thép được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bình chịu áp lực và đường ống trong các thiết bị phát điện, hóa dầu và công nghiệp nặng. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc chi phí, khả năng chế tạo và hiệu suất lâu dài khi lựa chọn giữa chúng—ví dụ, cân bằng giữa chi phí vật liệu ban đầu và khả năng hàn với độ bền nhiệt độ cao và tuổi thọ chịu kéo dài cần thiết.

Điểm khác biệt chính về mặt kỹ thuật là P91 được điều chế và xử lý để mang lại độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão tốt hơn đáng kể so với P22, chủ yếu nhờ hàm lượng crom cao hơn, hợp kim vi mô được kiểm soát và xử lý nhiệt. Những khác biệt này khiến chúng trở thành lựa chọn thay thế phổ biến cho các linh kiện tiếp xúc với nhiệt độ và ứng suất cao, đó là lý do tại sao việc so sánh thường xuyên được thực hiện trong thông số kỹ thuật linh kiện và phân tích chi phí vòng đời.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung:
• ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (ống thép hợp kim ferritic liền mạch) — P22, P91
• EN: Tương đương EN 10216 / EN 10222 (nhiều loại thép EN tương ứng với các loại thép P này)
• JIS / GB: các tiêu chuẩn quốc gia thường cung cấp các giá trị tương đương gần đúng (tham khảo các chuyển đổi cụ thể)
• Phân loại vật liệu:
• P22: thép ferritic hợp kim thấp (1,25% Cr — thường gọi là 1,25Cr-0,5Mo). Được phân loại là thép hợp kim dùng cho nhiệt độ cao.
• P91: thép ferritic martensitic hàm lượng crom cao, được tăng cường độ bền kéo (thường là 9Cr-1Mo với phụ gia V/Nb). Thường được xử lý như thép martensitic hợp kim/HSLA (hợp kim thấp cường độ cao) được tối ưu hóa để chống kéo.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (wt%). Các giá trị hiển thị là phạm vi đại diện từ các thông số kỹ thuật chung; giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn cụ thể và nhiệt độ.

Yếu tố	P22 (phạm vi điển hình)	P91 (phạm vi điển hình)
C	0,04–0,12	0,08–0,12
Mn	0,25–0,60	0,25–0,60
Si	0,10–0,50	0,20–0,60
P	≤0,025	≤0,02
S	≤0,015	≤0,01
Cr	0,9–1,5	8,0–9,5
Ni	dấu vết	dấu vết-thấp
Mo	0,38–0,65	0,85–1,05
V	—	0,08–0,25
Nb (Cb)	—	0,03–0,12
Ti	dấu vết	dấu vết
B	—	dấu vết (mức ppm)
N	dấu vết	0,02–0,06

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr) làm tăng khả năng chống oxy hóa và khả năng tôi luyện; hàm lượng Cr cao hơn nhiều trong P91 là yếu tố chính góp phần cải thiện độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa. - Molypden (Mo) cải thiện độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống rão ở cả hai loại; P91 thường có ~1% Mo so với ~0,5% ở P22. - Vanadi (V) và niobi (Nb) trong P91 tạo thành các cacbua/nitrit mịn giúp ổn định cấu trúc vi mô martensitic và ức chế biến dạng do kéo dài bằng cách ghim các vị trí sai lệch và ranh giới hạt. - Cacbon cung cấp độ bền thông qua martensite/martensite đã ram, nhưng hàm lượng cacbon cao hơn cũng làm tăng khả năng tôi cứng và nguy cơ nứt; P91 sử dụng hàm lượng C được kiểm soát để cân bằng độ bền và khả năng hàn. - Việc bổ sung một lượng nhỏ B và N được kiểm soát vào P91 có thể cải thiện thêm các tính chất bằng cách tác động đến quá trình kết tủa và độ cứng.

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

• P22: Cấu trúc vi mô điển hình sau khi chuẩn hóa và ram là bainite/ferrite ram với các cacbua giàu Mo phân tán. Nó không hình thành cấu trúc martensitic hoàn chỉnh giống như P91 sau khi xử lý nhiệt thông thường. Cấu trúc vi mô ổn định cho ứng dụng nhiệt độ cao vừa phải nhưng khả năng chống rão lâu dài kém hơn P91.
• P91: Được thiết kế để tạo thành cấu trúc martensitic mịn sau khi thường hóa và làm nguội nhanh, tiếp theo là bước ram để kết tủa các cacbua và nitrua mịn (ví dụ: kết tủa loại M23C6, MX). Quá trình xử lý nhiệt cơ học và ram có kiểm soát là điều cần thiết để đạt được cấu trúc vi mô martensitic ram tối ưu, mang lại độ bền kéo cao.
• Hiệu ứng xử lý:
• Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó; P91 thường yêu cầu chuẩn hóa ở nhiệt độ cao hơn P22 để hòa tan cacbua hợp kim và thúc đẩy quá trình hình thành martensite thích hợp.
• Làm nguội và ram / Thường hóa và ram: cả hai cấp độ đều cần ram sau khi tôi cứng. Ram P91 đặc biệt quan trọng để ổn định cấu trúc martensitic và đạt được độ dẻo dai đồng thời giảm thiểu ứng suất dư.
• Xử lý nhiệt cơ học và tốc độ làm mát được kiểm soát có vai trò quan trọng hơn đối với P91 để tránh kết tủa thô và kiểm soát hiệu suất rão lâu dài.

4. Tính chất cơ học

Bảng: So sánh định tính (giá trị điển hình sau khi chuẩn hóa và ram; tính chất thực tế phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt chính xác, độ dày và thông số kỹ thuật).

Tài sản	P22 (điển hình)	P91 (điển hình)
Độ bền kéo (tối đa)	Vừa phải	Cao
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt (cao hơn P91)	Trung bình (thấp hơn P22)
Độ bền va đập (RT)	Tốt khi được điều chỉnh đúng cách	Tốt khi được tôi luyện đúng cách; có thể nhạy cảm với xử lý nhiệt
Độ cứng	Vừa phải	Cao hơn (dễ bị mài mòn hơn)

Giải thích: - P91 có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn đáng kể và khả năng chống biến dạng dài hạn vượt trội ở nhiệt độ cao nhờ cấu trúc vi mô martensitic và hợp kim vi mô (V, Nb) so với cấu trúc ferritic bainit/ram hợp kim thấp hơn của P22. - P22 thường có độ dẻo dai cao hơn và có thể kiểm soát độ dẻo dai dễ dàng hơn ở một số độ dày; P91 có thể đạt được độ dẻo dai tốt nhưng yêu cầu kiểm soát chặt chẽ quá trình xử lý nhiệt và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT).

5. Khả năng hàn

Các yếu tố chính: hàm lượng cacbon tương đương, khả năng làm cứng và hàm lượng hợp kim vi mô quyết định nhu cầu gia nhiệt trước/PWHT và rủi ro nứt HAZ.

Chỉ số khả năng hàn phổ biến (được sử dụng để đánh giá rủi ro một cách định tính): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - P22: Cr thấp hơn và độ cứng thấp hơn so với P91—giá trị tương đương carbon trung bình. Hàn P22 thường yêu cầu nung nóng trước và PWHT để giảm thiểu độ cứng vùng HAZ và khả năng nứt do hydro, nhưng các chu trình PWHT tiêu chuẩn đã được thiết lập tốt và tương đối dễ thực hiện. - P91: hàm lượng Cr, Mo và các nguyên tố hợp kim vi mô cao hơn làm tăng khả năng tôi cứng và tăng nguy cơ hình thành martensite cứng trong vùng HAZ; do đó, hàn P91 đòi hỏi khắt khe hơn. Việc gia nhiệt trước đúng cách, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và các chu kỳ PWHT được quy định cẩn thận là rất cần thiết để tránh hiện tượng giòn vùng HAZ và ram vùng HAZ martensite. Việc sử dụng kim loại điền đầy phù hợp hoặc quá phù hợp và quy trình kiểm định nghiêm ngặt là phổ biến. - Lời khuyên thực tế: Quy trình hàn P91 yêu cầu WPS/PQR đủ tiêu chuẩn và nhân sự có kinh nghiệm; hàn sửa chữa và tôi sau hàn phải tuân theo quy trình của nhà sản xuất hoặc quy định. P22 có khả năng chịu đựng tốt hơn nhưng vẫn yêu cầu PWHT chính xác cho các bộ phận chịu áp lực.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả P22 và P91 đều không phải thép không gỉ. Khả năng chống ăn mòn trong môi trường ẩm ướt/axit phải được kiểm soát bằng cách lựa chọn vật liệu, lớp phủ hoặc chất ức chế.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến: sơn, phủ nhôm nhiệt độ cao, phun nhiệt hoặc quy định dung sai ăn mòn. Đối với môi trường ngoài trời hoặc ẩm ướt, lớp phủ tiêu chuẩn và bảo vệ catốt được sử dụng tùy theo yêu cầu.
• PREN (chỉ số ăn mòn rỗ) không áp dụng cho các loại thép ferritic không phải thép không gỉ này vì PREN được sử dụng cho các hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với khả năng chống oxy hóa/cặn bẩn ở nhiệt độ cao, hàm lượng Cr cao hơn trong P91 mang lại khả năng chống oxy hóa tốt hơn so với P22, nhưng không có loại nào có khả năng bảo vệ chống ăn mòn ở cấp độ thép không gỉ.

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

• Gia công:
• P22: dễ gia công hơn so với P91 do độ bền và độ cứng thấp hơn; tốc độ cắt có thể cao hơn và tuổi thọ dụng cụ dài hơn.
• P91: cứng hơn và chắc hơn, có xu hướng làm việc cứng hơn; yêu cầu dụng cụ chắc chắn hơn, tốc độ cắt thấp hơn và thiết lập cứng nhắc.
• Tạo hình/uốn cong:
• P22: đặc tính tạo hình nguội tốt hơn; có thể giảm nhiều hơn mà không bị nứt.
• P91: khả năng tạo hình nguội hạn chế—có thể cần tạo hình nóng hoặc cẩn thận hơn và bán kính uốn cong lớn hơn.
• Hoàn thiện bề mặt: P91 có thể yêu cầu các bước mài/đánh bóng mạnh hơn và có thể tạo ra các phoi khó gia công hơn; mài thường được sử dụng để loại bỏ các lớp khử cacbon HAZ sau khi hàn trước khi áp dụng PWHT trong các trường hợp quan trọng.

8. Ứng dụng điển hình

P22 (sử dụng điển hình)	P91 (sử dụng điển hình)
Đường ống dẫn hơi, ống góp và bình chịu áp suất trong nồi hơi và nhà máy lọc dầu ở nhiệt độ trung bình (phục vụ lên đến ~540–565°C, tùy thuộc vào thiết kế)	Ống dẫn nhiệt độ cao, ống siêu nhiệt/nung nhiệt lại, đường ống hơi và các bộ phận áp suất trong các nhà máy điện hóa thạch tiên tiến và siêu tới hạn, nơi cần độ bền kéo dài cao
Bộ trao đổi nhiệt, trống và đường ống nhiệt độ cao không quan trọng trong đó chi phí và tính khả dụng ưu tiên 1,25Cr-0,5Mo	Các thành phần chịu ứng suất cao, tuổi thọ cao tiếp xúc với nhiệt độ cao và ứng suất liên tục khi cần giảm độ dày thành hoặc kéo dài tuổi thọ
Các thành phần áp suất công nghiệp chung có tuổi thọ thiết kế thông thường được chấp nhận	Các ứng dụng xây dựng mới hoặc cải tạo nhắm đến nhiệt độ/áp suất hơi nước cao hơn và thời gian bảo dưỡng dài hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn P22 cho ứng dụng ở nhiệt độ trung bình, ưu tiên khả năng hàn, độ dẻo và chi phí vật liệu thấp. - Chọn P91 khi khả năng chống biến dạng lâu dài, độ bền ở nhiệt độ cao và tiềm năng tạo ra các tiết diện mỏng hơn hoặc tuổi thọ kéo dài có thể biện minh cho chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: P91 thường đắt hơn P22 tính theo kilôgam/foot do hàm lượng hợp kim cao hơn và yêu cầu xử lý nhiệt/gia công chặt chẽ hơn.
• Tính khả dụng: P22 được cung cấp rộng rãi ở nhiều dạng sản phẩm (ống, tấm, phụ kiện). P91 được cung cấp rộng rãi nhưng có thể mất nhiều thời gian hơn đối với một số dạng sản phẩm cụ thể, các linh kiện gia công bằng máy có dung sai chặt chẽ hoặc khi cần chế tạo vật liệu cao cấp hơn (ví dụ: vật tư hàn).
• Lưu ý mua sắm: tổng chi phí lắp đặt không chỉ phải xem xét giá vật liệu mà còn phải xem xét đến chất lượng quy trình hàn, chu kỳ PWHT, kiểm tra và khoảng thời gian thay thế vòng đời tiềm năng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	Trang 22	Trang 91
Khả năng hàn	Dễ dàng hơn; PWHT tiêu chuẩn	Yêu cầu khắt khe hơn; quy trình làm nóng trước/PWHT nghiêm ngặt và đủ tiêu chuẩn
Độ bền – Độ dẻo dai (nhiệt độ phòng)	Độ bền vừa phải, độ dẻo dai/độ bền tốt	Độ bền cao, độ dẻo dai tốt nếu được xử lý đúng cách; độ dẻo thấp hơn
Khả năng chống rão ở nhiệt độ cao	Trung bình; phù hợp với dịch vụ nhiệt độ thấp/chu kỳ cao	Cao cấp; được thiết kế để kéo dài thời gian phục vụ
Trị giá	Chi phí vật liệu thấp hơn; chế tạo đơn giản hơn	Chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn
Khả dụng	Có sẵn rộng rãi	Có sẵn rộng rãi nhưng quá trình xử lý chuyên biệt có thể làm tăng thời gian hoàn thành

Sự giới thiệu: - Chọn P22 nếu bạn cần hợp kim tiết kiệm chi phí cho dịch vụ nhiệt độ cao vừa phải, trong đó PWHT tiêu chuẩn có thể chấp nhận được, độ dẻo và chế tạo dễ dàng hơn là ưu tiên hàng đầu và không yêu cầu tuổi thọ dài vượt quá giới hạn thiết kế thông thường. - Chọn P91 nếu thiết kế đòi hỏi độ bền cao hơn đáng kể và khả năng chống biến dạng lâu dài ở nhiệt độ cao (ví dụ, thông số hơi nước tiên tiến của nhà máy điện) hoặc khi việc giảm độ dày/trọng lượng thành và kéo dài thời gian bảo trì biện minh cho chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn cũng như kiểm soát hàn chặt chẽ hơn.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn cấp chính xác phải xem xét ứng suất thiết kế của linh kiện, tuổi thọ thiết kế yêu cầu, các quy chuẩn áp dụng (ASME/EN/JIS/GB), khả năng hàn và kiểm tra, cũng như phân tích chi phí vòng đời. Đối với các linh kiện chịu áp suất quan trọng, hãy tham khảo các yêu cầu của quy chuẩn và nhà cung cấp vật liệu để biết dữ liệu hóa học và cơ học đã được chứng nhận, cũng như để xác nhận quy trình hàn.