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

Giới thiệu

Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm khi lựa chọn thép cho các ứng dụng công nghiệp và quy trình nhiệt độ cao phải cân bằng giữa độ bền, khả năng chống rão, khả năng hàn và chi phí vòng đời. P91 và P92 là hai loại thép chịu nhiệt 9% crom được sử dụng rộng rãi, được phát triển cho các hệ thống đường ống tạo hơi nước và áp suất cao; quyết định lựa chọn giữa chúng thường là sự đánh đổi giữa hiệu suất nhiệt độ cao lâu dài và chi phí chế tạo/kiểm tra.

Điểm khác biệt chính về mặt luyện kim là P92 phát triển dòng hợp kim 9Cr–1Mo cổ điển bằng cách chuyển một phần chiến lược gia cường sang phương pháp gia cường chịu nhiệt mạnh hơn (vonfram và hợp kim vi mô được tối ưu hóa), giúp cải thiện khả năng chống rão ở nhiệt độ cao. Do sự thay đổi hợp kim theo hướng đó, P92 thường mang lại độ bền dài hạn và hiệu suất chống đứt gãy rão cao hơn, nhưng lại đòi hỏi quy trình hàn và chế tạo khắt khe hơn một chút so với P91.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chung có P91 và P92:
• ASME/ASTM: thường là P91 và P92 trong SA-335 (ống thép hợp kim ferritic liền mạch) và các quy định về nồi hơi/đường ống liên quan.
• EN: các loại thép này có sẵn theo các chỉ định của Châu Âu tương đương với EN và các tiêu chuẩn sản phẩm chi tiết cho ống và phụ kiện.
• GB (Trung Quốc): được sản xuất rộng rãi theo các cấp GB/T tương ứng dành cho thép chịu nhiệt.
• JIS: Tiêu chuẩn Nhật Bản đôi khi tham chiếu đến thép 9Cr tương đương để sử dụng ở nhiệt độ cao.
• Phân loại: Cả P91 và P92 đều là thép ferritic-martensitic hợp kim thấp, chịu nhiệt (không phải thép không gỉ hay thép dụng cụ). Chúng được phân loại tốt nhất là thép hợp kim cường độ cao, chống rão (loại HSLA dùng cho ứng dụng nhiệt độ cao).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần điển hình (xấp xỉ, được làm tròn để phản ánh các thông số kỹ thuật chung và thông lệ công nghiệp). Phạm vi cho phép chính xác được xác định trong tiêu chuẩn vật liệu hiện hành hoặc bảng dữ liệu của nhà cung cấp.

Yếu tố	P91 (phạm vi điển hình, wt%)	P92 (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,08–0,12	0,08–0,12
Mn	0,3–0,6	0,2–0,6
Si	0,2–0,5	0,2–0,6
P	≤0,02	≤0,02
S	≤0,01	≤0,01
Cr	8,0–9,5	8,5–9,5
Ni	≤0,40	≤0,40
Mo	~0,85–1,05	~0,4–0,7
W	theo dõi đến 0,5	~1,7–2,5
V	0,18–0,25	0,18–0,25
Nb (Cb)	0,06–0,12	0,06–0,12
Ti	≤0,02	≤0,02
B	mức ppm rất thấp	mức ppm rất thấp
N	0,02–0,07	0,03–0,07

Ghi chú: - P92 làm giảm hàm lượng Mo tổng thể và đưa vonfram (W) vào một cách có chủ đích để tăng cường độ bền dung dịch rắn và kết tủa ở nhiệt độ cao. Hợp kim vi mô với V và Nb được duy trì và tối ưu hóa ở cả hai cấp để ổn định các kết tủa carbide/nitride mịn, kiểm soát hiện tượng rão. - Bo ở mức phần triệu thường được sử dụng để cải thiện khả năng làm cứng; nitơ được kiểm soát để ổn định cacbua/nitrit và ảnh hưởng đến quá trình tôi luyện. - Những phạm vi này chỉ mang tính chất tham khảo; luôn phải xác nhận bằng giấy chứng nhận của nhà máy và các yêu cầu của mã có liên quan.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom có ​​khả năng chống oxy hóa và ổn định ma trận ở nhiệt độ cao. - Mo và W là chìa khóa để tăng cường dung dịch rắn và tạo thành các hợp chất cacbua/kết tủa phức hợp ổn định làm chậm quá trình rão; thay thế một số Mo bằng W sẽ dịch chuyển cân bằng nhiệt độ-cường độ theo hướng có lợi cho hiệu suất rão lâu dài tốt hơn. - V và Nb tạo thành kết tủa MX (cacbonitride) mịn tạo ra các vị trí chốt và ranh giới hạt, giúp cải thiện độ bền kéo và kiểm soát hiện tượng giòn khi được cân bằng hợp lý. - Carbon kiểm soát độ cứng và độ bền nhưng làm tăng khả năng tôi luyện và khả năng hình thành martensite—do đó cần kiểm soát chặt chẽ và xử lý nhiệt thích hợp.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại đều được sản xuất theo cấu trúc vi mô martensitic/ferritic ram sau khi xử lý nhiệt thường hóa và ram. Cấu trúc sau khi chuẩn hóa là các gói thanh martensitic với ranh giới hạt austenite trước đó; quá trình ram tạo ra martensitic ram với nhiều loại carbide và carbonitride (kết tủa loại M23C6, MX). - Cấu trúc vi mô P92 có xu hướng thể hiện tính ổn định cao hơn của kết tủa ở nhiệt độ sử dụng do có chứa cacbua W và sự phân bố tinh tế của cacbonitrit Nb/V (được thiết kế để chống lại sự thô hóa).

Các phương pháp xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: nung nóng đến nhiệt độ austenit hóa để hòa tan hợp kim cacbua, sau đó làm nguội bằng không khí để tạo thành martensite; nhiệt độ điển hình được thiết lập theo quy định/thông số kỹ thuật và phải tuân thủ để kiểm soát kích thước và các đặc tính luyện kim. - Làm nguội không phải là phương pháp điển hình—các loại thép này được chuẩn hóa rồi ram thay vì làm cứng bằng cách làm nguội theo nghĩa dùng cho thép dụng cụ. - Ram: được thực hiện để giảm độ giòn, giảm ứng suất và tạo ra các cacbua gia cường. Nhiệt độ và thời gian ram ảnh hưởng đáng kể đến độ bền rão, độ dai và độ cứng. - Xử lý nhiệt cơ học: một số dạng sản phẩm (tấm, rèn) được hưởng lợi từ quá trình cán có kiểm soát và làm nguội nhanh để tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và phân phối kết tủa đồng đều hơn.

Sự khác biệt về hiệu ứng: - Các kết tủa chứa vonfram của P92 và sự cân bằng Nb/V hơi khác biệt giúp giảm hiện tượng kết tủa thô ở nhiệt độ vận hành, mang lại độ bền kéo dài vượt trội so với P91. Cần lựa chọn và kiểm soát các cửa sổ ram và chu kỳ ram nóng chảy (PWHT) để tránh ram quá mức hoặc quá ít ở cả hai cấp thép.

4. Tính chất cơ học

Bảng — phạm vi định tính và điển hình (sau khi chuẩn hóa và điều chỉnh thích hợp; các giá trị cụ thể phụ thuộc vào yêu cầu xử lý nhiệt và quy định chính xác):

Tài sản	P91 (điển hình)	P92 (điển hình)
Độ bền kéo (Rm)	~600–750 MPa (nhiệt độ phòng, điển hình)	~650–800 MPa (nhiệt độ phòng, điển hình)
Giới hạn chảy (Rp0.2)	~415–520 MPa	~480–560 MPa
Độ giãn dài (A%)	~18–25%	~15–25% (độ dẻo tương tự)
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	Trung bình đến tốt (phụ thuộc vào quá trình tôi luyện)	Tốt, tương đương nhưng nhạy cảm với xử lý nhiệt
Độ cứng (HRC/HBW)	Thông thường ~180–250 HB	Thông thường ~190–260 HB

Giải thích: - P92 thường được thiết kế để cung cấp độ bền kéo và độ bền rão cao hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ cao và thời gian tiếp xúc lâu. - Độ dẻo và độ bền va đập có thể tương tự nhau ở nhiệt độ phòng khi áp dụng phương pháp xử lý nhiệt thích hợp, nhưng cả hai loại đều cần được tôi luyện cẩn thận để duy trì độ dẻo cần thiết, đặc biệt là ở các mối hàn. - Độ cứng tương đương; sự khác biệt được quyết định bởi nhiệt độ tôi luyện và cấu trúc vi mô cuối cùng.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn: - Cả P91 và P92 đều có thể hàn được nhưng cần phải kiểm soát quá trình nung nóng trước, giới hạn nhiệt độ giữa các lần hàn và xử lý nhiệt sau hàn bắt buộc (PWHT) để làm nguội mối hàn martensitic và vùng chịu nhiệt (HAZ). - Hàm lượng hợp kim và khả năng làm cứng cao hơn khiến cả hai đều dễ bị cứng HAZ và nứt nguội nếu quy trình hàn không được kiểm soát.

Các công thức hữu ích (chỉ giải thích định tính): - Đương lượng cacbon (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $CE_{IIW}$ cao hơn cho thấy khả năng tôi luyện tốt hơn và nguy cơ martensite HAZ và nứt cao hơn; cả P91 và P92 đều tạo ra các giá trị tương đối cao so với thép hợp kim thấp. - Pcm (thông số khả năng hàn):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ giúp đánh giá khả năng nứt nguội; các nguyên tố hợp kim vi mô và bo trong P91/P92 có thể làm tăng chỉ số này.

Ý nghĩa thực tiễn: - Hàm lượng vonfram tăng lên của P92 (và Mo được điều chỉnh) làm tăng nhẹ khả năng tôi luyện so với P91, do đó các biện pháp kiểm soát hàn có xu hướng quan trọng hơn (gia nhiệt trước cao hơn, cẩn thận với các đường hàn xen kẽ và hồ sơ PWHT, sử dụng kim loại hàn phù hợp). - Cần sử dụng kim loại hàn phù hợp hoặc vượt trội, kiểm soát hydro nghiêm ngặt và quy trình hàn đạt tiêu chuẩn. Xử lý nhiệt sau hàn là điều cần thiết để đạt được các tính chất cơ học cần thiết, giảm ứng suất dư và độ cứng martensitic. - Việc sửa chữa mối hàn và hàn nhiều lần đòi hỏi phải đặc biệt chú ý đến chu kỳ thời gian/nhiệt độ PWHT được quy định trong quy trình hàn của nhà sản xuất hoặc quy định.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả P91 và P92 đều không phải là thép không gỉ; chúng dựa vào hàm lượng Cr (~9%) để cải thiện khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao thay vì khả năng chống ăn mòn trong môi trường ẩm ướt hoặc clorua.
• Đối với các trường hợp tiếp xúc với khí quyển, nước hoặc hóa chất mạnh, các biện pháp bảo vệ bề mặt tiêu chuẩn sẽ được áp dụng: có thể sử dụng lớp phủ, sơn, phun nhiệt hoặc mạ kẽm nếu cần (nhưng mạ kẽm lên các bộ phận dịch vụ nhiệt độ cao không phải là biện pháp phổ biến).
• PREN ( số tương đương khả năng chống rỗ ) không liên quan đến các loại thép ferritic chịu nhiệt không gỉ này; để tham khảo, PREN được tính như sau:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng chỉ số này áp dụng cho việc lựa chọn hợp kim thép không gỉ và không mô tả có ý nghĩa P91/P92.

Hướng dẫn thực tế: - Đối với quá trình oxy hóa lâu dài ở phía hơi nước và ăn mòn phía lò sưởi trong nồi hơi và bộ quá nhiệt, việc lựa chọn vật liệu (P91 so với P92) nên được quyết định bởi nhiệt độ vận hành và hành vi lắng cặn/oxy hóa dự kiến, với lớp phủ và biện pháp kiểm soát hóa học nước khi cần thiết.

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

• Khả năng gia công: cả hai loại thép này đều khó gia công hơn thép hợp kim thấp do độ bền và khả năng tôi luyện cao hơn; P92 có thể khó gia công hơn một chút do hàm lượng vonfram và độ ổn định của cacbua liên quan. Sử dụng dụng cụ sắc bén, thiết lập cứng và điều chỉnh thông số cắt.
• Khả năng tạo hình/uốn: tạo hình nguội bị hạn chế; thường được thực hiện trên các sản phẩm đã được chuẩn hóa hoặc ủ nếu có thể. Bán kính uốn và phương pháp uốn phải tuân theo hướng dẫn của nhà cung cấp và cho phép xử lý nhiệt tiếp theo.
• Các hoạt động mài, khoan và hoàn thiện cần chú ý đến việc tạo nhiệt để tránh làm nguội hoặc làm cứng bề mặt.
• Chế tạo mối hàn đòi hỏi phải có quy trình và nhân viên có trình độ chuyên môn, am hiểu các yêu cầu của PWHT.

8. Ứng dụng điển hình

P91 — Công dụng điển hình	P92 — Công dụng điển hình
Đường ống hơi chính, ống góp, ống siêu nhiệt, bộ phận gia nhiệt lại trong các nhà máy thông thường và dưới tới hạn (phạm vi hoạt động lên đến ~600–620°C tùy thuộc vào tuổi thọ thiết kế)	Ống dẫn lò hơi và tua bin áp suất cao, siêu tới hạn, ống siêu nhiệt/nung nóng lại tiên tiến, các bộ phận cần độ bền kéo dài cao hơn để sử dụng lâu hơn hoặc nhiệt độ cao hơn (thường là loại cao cấp hơn của họ 9Cr)
Ống và phụ kiện nồi hơi trong nhà máy điện hóa thạch	Các thành phần có tiết diện dày hoặc các thành phần đòi hỏi phải cải thiện độ bền đứt gãy lâu dài và giảm tốc độ rão
Bình chịu áp suất có thành dày, có chi phí hạn chế, hành vi vật liệu được hiểu rõ là chấp nhận được	Các nhà máy mới xây dựng hoặc cải tạo, nơi tuổi thọ kéo dài ở nhiệt độ kim loại cao hơn hợp lý với chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Lựa chọn dựa trên nhiệt độ thiết kế yêu cầu, tuổi thọ chịu kéo đứt yêu cầu, độ dày (W tăng cường độ ở các phần dày hơn) và chiến lược hàn/chế tạo có thể chấp nhận được.

9. Chi phí và tính khả dụng

• P92 thường đắt hơn P91 do có thêm vonfram và các biện pháp kiểm soát sản xuất; thời gian giao hàng cũng có thể lâu hơn và số lượng hạn chế hơn ở một số dạng sản phẩm hoặc kích thước nhất định.
• P91 được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới dưới dạng ống, phụ kiện, tấm và vật rèn và thường là tiêu chuẩn cơ sở cho các thành phần được phê duyệt theo quy định.
• Tính khả dụng thay đổi tùy theo chu kỳ thị trường, năng lực nhà máy và khu vực địa lý; bộ phận mua sắm phải xác nhận thời gian giao hàng cho ống liền mạch so với ống hàn, ống rèn và phụ kiện.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	Trang 91	Trang 92
Khả năng hàn (độ phức tạp của quy trình)	Tốt — yêu cầu PWHT tiêu chuẩn	Yêu cầu khắt khe hơn — độ cứng cao hơn, kiểm soát chặt chẽ hơn
Độ bền – Độ dẻo dai (nhiệt độ phòng)	Mạnh mẽ, độ dẻo dai tốt	Độ bền cao hơn, độ dẻo dai tương đương nếu được xử lý đúng cách
Khả năng chống rão (dài hạn, T cao)	Tốt cho đến giới hạn dịch vụ thông thường	Khả năng chống rão lâu dài tốt hơn ở nhiệt độ cao hơn
Chi phí và tính khả dụng	Chi phí thấp hơn, khả năng tiếp cận rộng hơn	Chi phí cao hơn, nguồn cung hạn chế hơn ở một số hình thức

Khuyến nghị: - Chọn P91 nếu: - Ứng dụng nằm trong phạm vi nhiệt độ hoạt động thông thường 9Cr–1Mo và kỳ vọng về tuổi thọ thiết kế, - Tốc độ chế tạo, chi phí và khả năng sẵn có dễ dàng hơn là những ưu tiên, - Ưu tiên có kinh nghiệm về quy trình hàn hiện hành và quy trình mã đã được chứng minh.

• Chọn P92 nếu:
• Thiết kế đòi hỏi phải cải thiện độ bền kéo dài, hoạt động ở khả năng chịu nhiệt độ cao hơn 9Cr hoặc tuổi thọ được đảm bảo lâu hơn dưới áp suất/hơi nước,
• Dự án có thể đáp ứng các quy định kiểm soát hàn nghiêm ngặt hơn, chi phí vật liệu cao hơn và thời gian thực hiện có thể dài hơn,
• Hiệu suất được cải thiện ở các phần dày hoặc chế độ biến dạng nhiệt độ cao là yếu tố quyết định.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn vật liệu phải luôn được hỗ trợ bởi dữ liệu về độ rão-rách cụ thể của dự án, hồ sơ thẩm định quy trình hàn, lịch trình xử lý nhiệt phù hợp và tham khảo ý kiến ​​của các nhà cung cấp và nhà chế tạo vật liệu. Xác nhận thành phần chính xác và các đặc tính được đảm bảo từ chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy và tuân thủ các quy định (ASME/EN/GB/JIS) về thiết kế, hàn và kiểm tra.