P91 so với P92 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

P91 và P92 là thép martensitic crom-molypden-vanadi (Cr-Mo-V) chống rão, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị sản xuất điện và hóa dầu nhiệt độ cao như ống lò hơi, ống góp và đường ống hơi. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà chế tạo thường phải đối mặt với tình thế tiến thoái lưỡng nan khi lựa chọn giữa P91 và P92 khi cân bằng giữa độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão dài hạn với khả năng hàn, tính dễ chế tạo và tổng chi phí vòng đời. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm nâng cấp khả năng chịu nhiệt độ hơi nước, tối ưu hóa chu kỳ bảo trì cho các bộ phận áp suất cao, hoặc lựa chọn vật liệu cho nồi hơi hiệu suất cao mới.

Sự khác biệt quan trọng trong luyện kim, yếu tố quyết định sự khác biệt về hiệu suất, nằm ở chiến lược hợp kim hóa—đặc biệt là cách vonfram (W) và molypden (Mo) được cân bằng cùng với các nguyên tố hợp kim vi mô khác (V, Nb, B). Chiến lược thay thế này ảnh hưởng đến tính chất hóa học của cacbua, độ ổn định của kết tủa và khả năng tôi cứng, từ đó ảnh hưởng đến độ bền rão, độ dai và khả năng hàn. Đó là lý do tại sao P91 và P92 thường được so sánh với nhau cho các chi tiết chịu nhiệt độ cao.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chung:
• ASME/ASTM: ASME SA-335 / P91 và P92 (ống hợp kim ferritic liền mạch dùng cho nhiệt độ cao), ASTM A213, ASTM A387 (biến thể tấm) và các quy định liên quan đến nồi hơi và bình chịu áp suất ASME.
• EN: Các cấp độ tương đương thường xuất hiện dưới tên gọi EN và tên gọi được EN sửa đổi (ví dụ: X10CrMoVNb9-1 cho hóa chất giống P91 và X10CrWMoVNb9-2 cho hóa chất giống P92).
• JIS/GB: Các tiêu chuẩn địa phương cung cấp các thành phần tương tự với số hiệu khác nhau; xác nhận bằng chứng nhận của nhà cung cấp.
• Phân loại:
• Cả P91 và P92 đều là thép hợp kim được thiết kế để sử dụng ở nhiệt độ cao; đôi khi chúng được xếp vào nhóm thép ferritic tăng cường độ bền kéo HSLA/martensitic (không phải thép không gỉ hoặc thép dụng cụ).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình của P91 và P92 tính theo phần trăm trọng lượng. Đây là thông số kỹ thuật tiêu biểu của vật liệu được chuẩn hóa và ram thương mại; giá trị thực tế phụ thuộc vào các cấp nền và tiêu chuẩn cụ thể.

Yếu tố	P91 (phạm vi điển hình, wt%)	P92 (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,08–0,12	0,08–0,12
Mn	0,30–0,60	0,30–0,60
Si	0,20–0,60	0,20–0,60
P	≤0,02	≤0,02
S	≤0,01	≤0,01
Cr	8,0–9,5	8,5–9,5
Ni	≤0,50	≤0,50
Mo	0,85–1,05	0,20–0,50
W	vết–0,3	1,7–2,0
V	0,15–0,25	0,18–0,25
Nb (Cb)	0,06–0,12	0,06–0,12
Ti	≤0,01	≤0,01
B	0,0005–0,003	0,0005–0,005
N	0,03–0,07	0,03–0,07

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Crom có ​​khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao và tạo thành cacbua M23C6 ảnh hưởng đến khả năng rão và ram. - Molypden (Mo) làm tăng độ bền của dung dịch rắn và góp phần hình thành cacbua ổn định; Mo theo truyền thống là yếu tố chính quyết định độ bền kéo của P91. - Vonfram (W) trong P92 được sử dụng thay thế một phần cho Mo: W tạo thành cacbua ổn định hơn, thô dần và góp phần tăng cường độ bền kéo dài ở nhiệt độ rất cao. - Vanadi (V) và niobi (Nb) tạo thành các cacbonitrit MX mịn, đóng chặt ranh giới hạt, ức chế sự phục hồi và tái kết tinh, đồng thời cải thiện độ bền đứt do rão. - Lượng boron bổ sung rất thấp giúp cải thiện độ bền kéo dài bằng cách tách ra khỏi ranh giới hạt austenit trước đó và làm chậm hiện tượng rỗ khí trong quá trình tiếp xúc lâu dài.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - Cả P91 và P92 đều tạo ra cấu trúc vi mô martensitic tôi luyện sau chu trình xử lý nhiệt tiêu chuẩn (chuẩn hóa trên Ac3 sau đó làm nguội và ram). - Cấu trúc vi mô tôi luyện bao gồm martensite dạng thanh với các cacbua và cacbonitrit phân bố: M23C6 (giàu Cr) dọc theo ranh giới hạt austenit trước đó và ranh giới thanh, và kết tủa MX (V,Nb) bên trong các thanh.

Tác dụng của hợp kim và xử lý nhiệt - P91: Với Mo cao hơn và W thấp hơn một chút, sự phân bố cacbua thuận lợi cho cường độ rão cần thiết trong cửa sổ thiết kế ban đầu (thường lên đến khoảng 600–620 °C). Mo góp phần tăng cường độ bền của nền và ổn định kết tủa, nhưng cacbua giàu Mo có thể bị thô hóa sau thời gian dài tiếp xúc. - P92: Việc thay thế một phần Mo bằng W tạo ra cacbua và hợp kim liên kim loại có động học thô hóa chậm hơn ở nhiệt độ cao. P92 thường tạo ra sự phân tán cacbua mịn hơn và ổn định hơn sau khi ram đúng cách, mang lại khả năng chống rão lâu dài tốt hơn ở nhiệt độ hơi nước cao hơn và tuổi thọ cao hơn. - Xử lý nhiệt cơ học: Cả hai loại đều đáp ứng với quá trình thường hóa + ram và quá trình xử lý nhiệt cơ học cụ thể giúp tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và thúc đẩy sự phân bố kết tủa mong muốn. Nhiệt độ ram kiểm soát sự cân bằng giữa độ dẻo dai và độ bền.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp các đặc tính tiêu biểu cho vật liệu được chuẩn hóa và ram ở điều kiện cung cấp. Giá trị thực tế phụ thuộc vào thành phần hóa học chính xác, xử lý nhiệt, độ dày/hình dạng và tiêu chuẩn thử nghiệm.

Tài sản	P91 (đại diện)	P92 (đại diện)
Giới hạn chảy (0,2%, MPa)	~415 (giới hạn dưới điển hình) — lên đến ~500–600 tùy thuộc vào quá trình tôi luyện	cao hơn: ~500–650 (phạm vi rộng tùy thuộc vào tính khí)
Độ bền kéo (MPa)	~550–700	~650–800
Độ giãn dài (%)	~18–25	~12–20 (thường thấp hơn một chút so với P91)
Tác động Charpy V-notch (nhiệt độ phòng, J)	trung bình đến tốt (phụ thuộc vào xử lý nhiệt; thường ≥40–60 J)	thấp hơn một chút hoặc tương tự tùy thuộc vào quá trình tôi luyện; nhạy cảm hơn với xử lý nhiệt
Độ cứng (HB)	~180–260 (tình trạng N&T điển hình)	~200–300 (có thể cao hơn do hợp kim và quá trình tôi luyện)

Diễn giải - Độ bền: P92 thường có độ bền kéo đứt và độ bền kéo/giới hạn chảy cao hơn trong nhiều phương pháp xử lý nhiệt thương mại do có thêm W và độ ổn định của kết tủa tinh chế. - Độ dẻo dai và dễ uốn: P91 có xu hướng dẻo hơn một chút và dễ gia công hơn; P92 có thể kém dẻo hơn và đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ hơn về xử lý nhiệt và PWHT để đảm bảo độ dẻo dai. - Độ cứng: P92 thường có độ cứng cao hơn trong điều kiện tương đương; điều này giúp tăng độ bền ở nhiệt độ cao nhưng có thể làm tăng nguy cơ nứt khi hàn nếu không được quản lý.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn cho cả hai loại đều tập trung vào các yêu cầu về độ tương đương/độ cứng cacbon, hợp kim vi mô và PWHT.

Công thức khả năng hàn điển hình để đánh giá nhu cầu gia nhiệt trước và PWHT: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm 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 - Cả P91 và P92 đều có khả năng làm cứng đáng kể (Cr, Mo/W, V, Nb, B), dẫn đến khả năng hình thành martensite cứng ở vùng HAZ cao nếu hàn mà không có quá trình nung nóng trước và PWHT thích hợp. - W cao hơn của P92 và cân bằng hợp kim hơi khác nhau làm tăng khả năng làm cứng hơn nữa, do đó thường đòi hỏi phải kiểm soát quá trình nung nóng trước/PWHT bảo thủ hơn và vật liệu độn phù hợp được pha chế cho hóa chất P92. - PWHT (thường là 700–760 °C đối với các loại thép này, tùy theo quy định và độ dày) là bắt buộc để ram martensite trong vùng HAZ và làm giảm ứng suất dư. Cần kiểm soát hydro, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và vật tư hàn có hàm lượng hydro thấp. - Lựa chọn vật liệu hàn: Sử dụng vật liệu hàn được chỉ định cho P91 hoặc P92 tùy theo trường hợp (vật liệu hàn phù hợp hoặc vật liệu hàn vượt chuẩn được phê duyệt). Đối với hàn P92, dây hàn và quy trình hàn chuyên dụng phổ biến hơn để giảm thiểu sự không phù hợp về cấu trúc vi mô và ngăn ngừa nứt loại IV trong vùng biến dạng dài hạn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả P91 và P92 đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều dựa vào hợp kim để chống oxy hóa ở nhiệt độ cao thay vì chống ăn mòn trong nước nói chung.
• Trong môi trường nước hoặc ăn mòn, thường cần bảo vệ bề mặt bằng sơn, mạ kim loại, ốp hoặc các lớp phủ thích hợp. Để bảo vệ khỏi khí quyển, có thể lựa chọn sơn công nghiệp hoặc mạ kẽm nhúng nóng (nếu có thể), nhưng mạ kẽm có thể không phù hợp với môi trường hơi nước nhiệt độ cao.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) được định nghĩa như sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này áp dụng cho thép không gỉ và khả năng chống ăn mòn cục bộ và không có ý nghĩa đối với P91/P92 vì thành phần và mục đích sử dụng của chúng là để tăng hiệu suất cơ học ở nhiệt độ cao chứ không phải khả năng chống rỗ clorua.
• Quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao: Hàm lượng crom (≈9%) mang lại khả năng chống oxy hóa nhất định khi sử dụng hơi nước, nhưng cần phải xem xét đến hiện tượng đóng cặn oxy hóa lâu dài và hành vi thấm cacbon; P92 thường được ưu tiên sử dụng ở nhiệt độ hơi nước cao hơn vì cacbua chứa W làm chậm quá trình đóng cặn và duy trì tính toàn vẹn về mặt cơ học lâu hơn.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều kém khả năng gia công hơn thép cacbon thông thường do hàm lượng hợp kim và độ cứng. Khả năng tôi luyện cao hơn và khả năng tăng độ cứng của P92 có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ và tăng lực cắt cần thiết.
• Khả năng tạo hình/uốn cong: Tạo hình nguội bị hạn chế; tạo hình/ép nóng và ram có kiểm soát là phổ biến. Cả hai loại đều phản ứng kém với tạo hình nguội mạnh mà không qua xử lý nhiệt tiếp theo.
• Hoàn thiện bề mặt và mài: Thép P92 cứng hơn đòi hỏi dụng cụ/mài mạnh hơn. Kiểm soát ứng suất dư và tránh ram quá mức là rất quan trọng trong quá trình hoàn thiện.
• Xử lý nhiệt sau khi chế tạo: Cần thực hiện chu trình chuẩn hóa và ram đúng cách hoặc xử lý nhiệt sau khi hàn để đạt được các đặc tính mong muốn và tránh hiện tượng giòn.

8. Ứng dụng điển hình

P91 Công dụng điển hình	P92 Công dụng điển hình
Ống góp hơi, đường ống và ống trong nồi hơi dưới tới hạn và siêu tới hạn sớm (dịch vụ ≤ ~600 °C)	Đường ống dẫn hơi nước và ống góp nhiệt độ cao trong các nồi hơi tiên tiến/siêu tới hạn (môi trường có nhu cầu rão cao hơn)
Ống trao đổi nhiệt, các bộ phận bình chịu áp suất cho hơi nước ở nhiệt độ vừa phải	Các thành phần áp suất cao, nhiệt độ cao trong nhà máy điện được thiết kế để có nhiệt độ hơi nước cao hơn và tuổi thọ dài hơn (HRSG, lò gia nhiệt)
Đường ống dẫn dầu khí đòi hỏi độ bền chịu nhiệt độ cao nhưng lại nhạy cảm về chi phí	Dịch vụ ưu tiên kéo dài tuổi thọ và độ ổn định lâu dài vượt trội mặc dù chi phí vật liệu và gia công cao hơn
Thân van và phụ kiện dùng cho dịch vụ nhiệt độ cao	Các thành phần quan trọng đòi hỏi hiệu suất chống nứt vỡ tối đa để kéo dài tuổi thọ thiết kế

Cơ sở lựa chọn - Chọn P91 khi ứng dụng yêu cầu độ bền kéo dài đã được chứng minh ở nhiệt độ cao vừa phải, có sẵn và dễ chế tạo hơn một chút. - Chọn P92 khi nhiệt độ thiết kế và tuổi thọ kéo dài yêu cầu vượt quá khả năng của P91 hoặc khi người vận hành muốn khoảng thời gian bảo trì dài hơn và ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ sử dụng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: P92 thường đắt hơn P91 do hàm lượng hợp kim cao hơn (đặc biệt là W), quy trình kiểm soát nóng chảy chuyên biệt và nhu cầu/cung hạn chế hơn. Quy trình chế tạo và hàn P92 cũng có thể làm tăng chi phí lắp đặt.
• Tính khả dụng: P91 có lịch sử sử dụng rộng rãi lâu đời hơn và được lưu trữ phổ biến hơn dưới nhiều dạng sản phẩm (ống, tấm, rèn). Tính khả dụng của P92 phụ thuộc vào thị trường khu vực và sản lượng của nhà máy; thời gian giao hàng có thể lâu hơn, đặc biệt là đối với các tiết diện lớn hoặc hình dạng đặc biệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	Trang 91	Trang 92
Khả năng hàn (thực tế)	Tốt với các quy trình chuẩn P91; ít đòi hỏi hơn P92	Yêu cầu khắt khe hơn — khả năng làm cứng cao hơn đòi hỏi phải gia nhiệt trước/PWHT nghiêm ngặt hơn và vật tư tiêu hao phù hợp
Sức mạnh-Độ dẻo dai ở RT	Cân bằng — độ dẻo dai tốt và sức mạnh vừa đủ	Độ bền và khả năng chống biến dạng cao hơn, nhưng độ dẻo/độ bền thường giảm nhẹ nếu không được tối ưu hóa
Hiệu suất chống rão ở T cao	Cửa sổ tuyệt vời theo thiết kế (~lên đến ~600–620 °C thông thường)	Khả năng chống biến dạng lâu dài vượt trội ở nhiệt độ cao hơn và tuổi thọ dài hơn
Chi phí và tính khả dụng	Tiết kiệm hơn và có sẵn rộng rãi	Chi phí vật liệu và chế biến cao hơn; tính khả dụng có thể hạn chế hơn

Kết luận — lựa chọn dựa trên điều kiện dịch vụ: - Chọn P91 nếu: bạn cần một loại thép chống biến dạng đã được chứng minh là hiệu quả về mặt chi phí, có khả năng chống biến dạng tốt để sử dụng ở nhiệt độ cao trong phạm vi thiết kế P91 thông thường, mong muốn chế tạo và hàn dễ dàng hơn một chút và ưu tiên tính khả dụng cũng như chi phí mua/chế tạo thấp hơn. - Chọn P92 nếu: ứng dụng đòi hỏi độ bền kéo dài vượt trội ở nhiệt độ hơi nước cao (hoặc khoảng thời gian bảo dưỡng kéo dài), nếu tuổi thọ thiết kế hoặc ứng suất cho phép cao hơn biện minh cho chi phí vật liệu và xử lý cao hơn và nếu khả năng chế tạo của bạn có thể quản lý các biện pháp kiểm soát và chứng nhận hàn nghiêm ngặt hơn.

Lưu ý thực tế cuối cùng: Đối với cả hai loại, thành công trong sử dụng không chỉ phụ thuộc vào tên gọi mà còn phụ thuộc vào việc xác minh hóa học chính xác, quy trình hàn được phê duyệt, kiểm soát chặt chẽ quá trình xử lý nhiệt/PWHT và đảm bảo chất lượng (NDT, thử nghiệm cơ học và truy xuất nguồn gốc). Khi chuyển từ P91 sang P92, hãy lường trước những thay đổi về thông số kỹ thuật quy trình hàn, lựa chọn vật liệu hàn, và có thể cả thời gian và chi phí mua sắm.