P91 so với X10CrMoVNb9-1 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa P91 và X10CrMoVNb9-1 là một vấn đề nan giải thường gặp đối với các kỹ sư và nhóm mua sắm làm việc trên các hệ thống áp suất nhiệt độ cao, đường ống nhà máy điện và các bộ phận chu trình hơi nước. Các quyết định thường được đưa ra dựa trên các tiêu chuẩn và ràng buộc mua sắm (ASME so với EN), cùng với sự đánh đổi giữa độ bền nhiệt độ cao, khả năng hàn và chi phí vòng đời.
Mặc dù cả hai loại thép đều là thép ferritic hợp kim thấp 9% crom, được thiết kế để sử dụng ở nhiệt độ cao, nhưng sự khác biệt thực tế chính nằm ở hệ thống thông số kỹ thuật chuẩn mực của chúng và kỳ vọng về xử lý nhiệt, kiểm tra và lập tài liệu — điều này có thể ảnh hưởng đến quy trình mua sắm, thẩm định và chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Trang 91
• Tiêu chuẩn chung: ASME/ASTM (ví dụ: ASME SA-213 T91, ASME SA-335 P91), tài liệu tham khảo API trong một số bối cảnh.
• Phân loại: Thép chịu nhiệt ferritic hợp kim thấp (thường được liệt kê trong quy chuẩn về bình chịu áp suất và đường ống).
• X10CrMoVNb9-1
• Tiêu chuẩn chung: EN/ISO (ví dụ: EN 10216-2 / 1.4903; thường được tham chiếu trong các tiêu chuẩn Châu Âu và tài liệu tuân thủ PED).
• Phân loại: Thép chịu nhiệt ferritic hợp kim thấp (ký hiệu EN cho nhóm thép có thành phần 9%Cr – 1%Mo).

Thể loại: cả hai đều là thép hợp kim dùng cho các ứng dụng chịu nhiệt độ cao, chống biến dạng (không phải thép không gỉ theo nghĩa chống ăn mòn).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây liệt kê các dải thành phần điển hình được sử dụng cho việc chỉ định và mua sắm. Các giá trị được hiển thị là các dải đại diện từ các bảng dữ liệu chung và giới hạn quy chuẩn; giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn cụ thể và chứng chỉ nhà máy.

Yếu tố	P91 (phạm vi điển hình, wt%)	X10CrMoVNb9-1 (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	≤ 0,025 – 0,03	≤ 0,025 – 0,03
S	≤ 0,01 – 0,02	≤ 0,01 – 0,02
Cr	8,0 – 9,5	8,5 – 9,5
Ni	≤ 0,40	≤ 0,40
Mo	0,85 – 1,05	0,90 – 1,05
V	0,18 – 0,25	0,18 – 0,25
Nb (Ta)	0,06 – 0,12 (Không rõ nghĩa)	0,06 – 0,12 (Không rõ nghĩa)
Ti	≤ 0,02 (vết)	≤ 0,02 (vết)
B	≤ 0,001 (vết, nếu có)	≤ 0,001 (vết, nếu có)
N	0,03 – 0,06 (điển hình)	0,03 – 0,06 (điển hình)

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom và molypden làm tăng độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống rão và khả năng làm cứng. - Vanadi và niobi tạo thành cacbua/nitrit ổn định giúp tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và ổn định cấu trúc vi mô martensitic, cải thiện khả năng chống rão. - Carbon kiểm soát độ bền thông qua quá trình hình thành martensite/martensite đã tôi nhưng phải giới hạn ở mức cân bằng khả năng hàn. - Các nguyên tố phụ (Ti, B, N) kiểm soát sự kết tủa và sự phát triển của hạt; nitơ liên kết cacbon và tạo thành nitrua ảnh hưởng đến độ dẻo dai.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Cả hai loại mác thép này đều được thiết kế để tạo thành cấu trúc vi mô martensitic ram sau khi austenit hóa thích hợp (thường hóa/tôi) và ram. Ma trận martensitic ram với các kết tủa carbide/nitride mịn (loại M23C6, MX, M6C tùy thuộc vào thành phần hóa học) mang lại độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão. - Trong điều kiện hàn, martensite chưa ram có đỉnh độ cứng và ứng suất dư cao có thể hình thành, đặc biệt là gần vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của mối hàn.

Tác dụng của quá trình xử lý: - Chuẩn hóa: hòa tan các cacbua thô và tạo ra kích thước hạt austenit tinh chế; nhiệt độ chuẩn hóa điển hình cho thép 9%Cr nằm trong khoảng ~1000–1100°C, nhưng các tiêu chuẩn cụ thể quy định các giá trị chính xác. - Làm nguội và ram (Q&T): làm nguội tạo ra martensite; ram có kiểm soát (ví dụ, phạm vi 730–780°C tùy thuộc vào quy định và các tính chất yêu cầu) làm giảm độ cứng, ổn định kết tủa và tạo ra sự kết hợp mong muốn giữa độ bền và độ dẻo dai. - Xử lý nhiệt cơ học: cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tạo ra cấu trúc hạt mịn được cải thiện và độ dẻo dai vượt trội; cả hai loại thép đều được hưởng lợi từ quá trình xử lý này khi được chỉ định. - Lão hóa/biến dạng kéo dài: sự thô hóa kết tủa trong thời gian sử dụng làm giảm độ bền; thép loại P91 được thiết kế để cung cấp tuổi thọ biến dạng chấp nhận được trong giới hạn nhiệt độ/thời gian xác định (thường lên đến khoảng 600–620°C khi sử dụng với thiết kế cẩn thận).

4. Tính chất cơ học

Các giá trị dưới đây là phạm vi điển hình theo quy định sau khi chuẩn hóa và ram tiêu chuẩn; tính chất thực tế phụ thuộc vào xử lý nhiệt chính xác, độ dày mặt cắt và trình độ của nhà cung cấp.

Tài sản	P91 (điển hình, nhiệt độ phòng)	X10CrMoVNb9-1 (điển hình, nhiệt độ phòng)
Độ bền kéo (MPa)	~550 – 700	~550 – 700
Giới hạn chảy (0,2% proof, MPa)	~400 – 600	~400 – 600
Độ giãn dài (% tổng số)	~12 – 20	~12 – 20
Độ bền va đập (Charpy V, J, RT)	Thông thường ≥ 40 J (tùy thuộc vào thông số kỹ thuật/xử lý nhiệt)	Thông thường ≥ 40 J (tùy thuộc vào thông số kỹ thuật/xử lý nhiệt)
Độ cứng (HB)	~170 – 260 HB	~170 – 260 HB

Giải thích: - Cả hai loại đều có độ bền kéo và độ bền chảy ở nhiệt độ phòng rất giống nhau khi được xử lý trong cùng điều kiện ram; sự khác biệt nhỏ phát sinh từ dung sai thành phần được phép và phương pháp xử lý nhiệt cụ thể. - Độ dẻo dai được kiểm soát bằng cách tinh luyện hạt, nhiệt độ ram và kiểm soát hợp kim vi mô; cả hai loại thép đều có thể đáp ứng các yêu cầu về khả năng chịu va đập tương đương khi được sản xuất theo tiêu chuẩn ASME hoặc EN tương ứng. - Tóm lại, không có loại nào mạnh hơn hẳn trong mọi điều kiện; sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai đạt được bằng cách chỉ định điều kiện tôi luyện và các yêu cầu thử nghiệm trong tiêu chuẩn áp dụng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn là một yếu tố phân biệt thực tế quan trọng vì các loại thép cacbon thấp hợp kim cao này có khả năng làm cứng cao.

Các công thức liên quan để đánh giá định tính: - Carbon tương đương (IIW) để có cái nhìn tổng quan về khả năng hàn: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Ito-Bessyo) là chỉ số bảo thủ hơn cho khả năng nứt nguội: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả P91 và X10CrMoVNb9-1 đều có hàm lượng cacbon vừa phải và hàm lượng Cr/Mo/V/Nb đáng kể, làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ so với thép cacbon thông thường; điều này cho thấy khả năng tôi luyện cao hơn và xu hướng hình thành martensite HAZ và nguy cơ nứt nguội lớn hơn nếu quá trình hàn không được kiểm soát. - Khuyến nghị hàn cho cả hai loại thép thường bao gồm nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và bắt buộc phải xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) để ram martensite HAZ và giảm ứng suất dư. Nhiệt độ PWHT thường được chỉ định trong khoảng 730–780°C tùy thuộc vào độ dày và quy chuẩn. - Khác biệt thực tế: sự khác biệt chủ yếu là về mặt quy trình — ví dụ, tiêu chuẩn quy trình hàn ASME P91 và tiêu chuẩn chấp nhận PWHT có thể khác về mặt diễn đạt so với tiêu chuẩn kỹ thuật X10CrMoVNb9-1 dựa trên EN. Trên thực tế, quy trình hàn phải được chứng nhận theo tiêu chuẩn và dạng sản phẩm áp dụng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Tính chất ăn mòn: Cả hai vật liệu đều là thép hợp kim thấp ferritic với khoảng 9% Cr nhưng không phải là thép không gỉ theo nghĩa ăn mòn thụ động trong môi trường nước. Chúng không có khả năng chống ăn mòn như thép không gỉ và sẽ bị ăn mòn trong môi trường ẩm ướt nếu không được bảo vệ.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình: lớp phủ bảo vệ (hệ thống sơn), lớp lót bên trong, môi trường được kiểm soát hoặc bảo vệ catốt tùy thuộc vào ứng dụng. Mạ kẽm có thể áp dụng cho một số dạng sản phẩm nhưng ít phổ biến hơn đối với đường ống nhiệt độ cao, nơi cần quan tâm đến độ ổn định của lớp phủ và cặn bám.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép ferritic chịu nhiệt này theo nghĩa là thép không gỉ, nhưng công thức để đánh giá thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Đối với các loại thép này, PREN không có ý nghĩa trong việc lựa chọn chống ăn mòn vì khả năng chống ăn mòn của chúng phụ thuộc vào hợp kim, tình trạng bề mặt và môi trường vận hành chứ không phải độ ổn định của màng thụ động.

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

• Khả năng gia công: Độ cứng và cấu trúc vi mô của quá trình ram ảnh hưởng đến khả năng gia công. Cả hai loại thép này đều khó gia công hơn thép cacbon thấp; cần phải điều chỉnh dụng cụ, tốc độ cắt và lượng chạy dao. Xử lý nhiệt làm mềm trước đôi khi được sử dụng cho gia công nặng.
• Uốn/Tạo hình: Tạo hình nguội bị hạn chế do độ dẻo thấp so với thép mềm; bán kính uốn phải lớn hơn và thường được thực hiện sau khi ủ trung gian hoặc sử dụng kỹ thuật tạo hình nóng. Tạo hình nóng và làm nguội có kiểm soát có thể được sử dụng cho các hình dạng phức tạp.
• Hoàn thiện bề mặt: cần phải mài và chuẩn bị bề mặt để xử lý các chất kết tủa cứng; thường phải đánh bóng và kiểm tra các thành phần dễ bị mỏi.

8. Ứng dụng điển hình

Trang 91	X10CrMoVNb9-1
Ống góp hơi, ống quá nhiệt và ống tái gia nhiệt trong các nhà máy điện chu trình hỗn hợp và hóa thạch (hệ thống theo quy định của ASME)	Ống lò hơi, đường ống và ống góp trong các nhà máy điện châu Âu và hệ thống thu hồi nhiệt (hệ thống theo tiêu chuẩn EN)
Đường ống chịu nhiệt độ cao và bình chịu áp suất có thể bị biến dạng lên tới ~600°C	Đường ống chịu nhiệt độ cao và bình chịu áp suất có phạm vi nhiệt độ tương tự theo thẩm quyền EN/PED
Các thành phần yêu cầu khả năng truy xuất nguồn gốc và chất lượng vật liệu ASME (các dự án của Hoa Kỳ/quốc tế chỉ định ASME)	Các thành phần yêu cầu tuân thủ EN hoặc tài liệu chuỗi cung ứng Châu Âu
Vỏ tuabin, rôto và các thành phần quan trọng được sửa chữa bằng hàn khi sử dụng quy trình hàn ASME	Các thành phần tuabin và nồi hơi nơi quy trình hàn và kiểm tra EN được chỉ định

Cơ sở lựa chọn: - Sử dụng bất kỳ mác thép nào có nhiệt độ thiết kế và yêu cầu về độ rão phù hợp với nhóm thép 9Cr–1Mo. Lựa chọn dựa trên quy chuẩn hiện hành và chế độ kiểm định/đo lường bắt buộc. Phạm vi ứng dụng và luyện kim rất giống nhau; yếu tố quyết định thường là tuân thủ tiêu chuẩn, năng lực của nhà cung cấp và quy định mua sắm của dự án.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Chi phí nguyên liệu thô của P91 và X10CrMoVNb9-1 tương đương nhau do tính chất hóa học tương đương; tuy nhiên, chi phí mua sắm khác nhau tùy theo khu vực địa lý. P91 có thể có giá cao hơn ở những khu vực có ít nhà máy được chứng nhận ASME, và X10CrMoVNb9-1 có thể tiết kiệm hơn ở châu Âu, nơi các nhà máy EN phổ biến.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi cho các dạng sản phẩm thông dụng (ống, ống, rèn, tấm), nhưng các dạng, kích thước và trạng thái xử lý nhiệt cụ thể có thể có thời gian giao hàng cụ thể. Các mặt hàng chì dài và các thành phần có thành dày yêu cầu lịch trình sản xuất và tài liệu QA; hãy ghi rõ điều kiện giao hàng bắt buộc (đã chuẩn hóa và ram) và chứng chỉ kiểm tra để tránh chậm trễ.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Hệ mét	Trang 91	X10CrMoVNb9-1
Khả năng hàn (tương đối)	Yêu cầu làm nóng trước/PWHT được kiểm soát; tương tự như EN tương đương	Yêu cầu gia nhiệt trước/PWHT được kiểm soát; tương tự như ASME
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền nhiệt độ cao và độ dẻo dai của martensite khi được xử lý nhiệt đúng cách	Độ bền nhiệt độ cao và độ dẻo dai của martensite khi được xử lý nhiệt đúng cách
Chi phí & Mua sắm	Có tính cạnh tranh; có thể được ưu tiên khi yêu cầu mã ASME	Có tính cạnh tranh; có thể được ưu tiên khi cần tài liệu EN/PED

Khuyến nghị kết luận: - Chọn P91 nếu dự án của bạn tuân thủ các quy định ASME/ASTM, hoặc nếu bạn yêu cầu chứng chỉ vật liệu đạt chuẩn ASME và quy trình hàn phổ biến tại Hoa Kỳ và nhiều dự án quốc tế. Các tham chiếu P91 trong quy trình mua sắm và chứng nhận hàn thường giúp đơn giản hóa việc tuân thủ các thông số kỹ thuật dựa trên ASME. - Chọn X10CrMoVNb9-1 nếu dự án được chỉ định theo tiêu chuẩn Châu Âu (EN), tuân thủ PED, hoặc bạn đang tìm nguồn cung ứng từ các nhà máy Châu Âu nơi mẫu sản phẩm, tài liệu và chế độ kiểm tra EN là tiêu chuẩn. Giải pháp này sẽ đơn giản hóa quy trình mua sắm và giảm chi phí thẩm định trong các dự án tập trung vào EN.

Lưu ý thực tế cuối cùng: Về mặt luyện kim, cả hai loại thép đều thuộc cùng họ 9Cr–1Mo–V–Nb và mang lại hiệu suất tương đương khi được xử lý nhiệt và kiểm tra theo tiêu chuẩn phù hợp. Yếu tố quyết định trong hầu hết các quyết định mua sắm là hệ thống thông số kỹ thuật (ASME so với EN), khả năng truy xuất nguồn gốc và trình độ hàn cần thiết, cũng như tính khả dụng của chuỗi cung ứng cho từng dạng sản phẩm và điều kiện xử lý nhiệt cụ thể.