Q345R so với SA516 Gr70 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường phải cân nhắc giữa chi phí, khả năng hàn và hiệu suất cơ học khi lựa chọn thép bình chịu áp lực. Q345R và ASTM A516 Cấp 70 (SA516 Gr70) là hai loại thép thường được so sánh với nhau cho thiết bị chịu áp lực hàn, bồn chứa và bình chịu nhiệt độ trung bình. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu chịu được va đập ở nhiệt độ thấp, đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn quốc gia (ASME so với tiêu chuẩn quốc gia), hoặc tối ưu hóa chi phí và hậu cần chuỗi cung ứng.

Điểm khác biệt chính giữa hai loại thép này nằm ở nguồn gốc tiêu chuẩn và chiến lược hợp kim hóa vi mô: Q345R là loại thép bình chịu áp lực của Trung Quốc với các đặc tính HSLA và hợp kim hóa vi mô có chủ đích để tăng cường độ bền kéo, trong khi SA516 Gr70 là thép cacbon bình chịu áp lực theo tiêu chuẩn ASTM/ASME được chỉ định cho các đặc tính chịu kéo tốt và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp có thể dự đoán được trong các chế độ nhiệt luyện/thử nghiệm xác định. Điều này khiến chúng tương đương nhau về thiết kế nhưng khác nhau về quy trình gia công, tiêu chuẩn quy trình hàn và khả năng cung cấp theo khu vực.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Q345R
• Tiêu chuẩn chính: GB/T 713 (thép bình chịu áp lực) và các thông số kỹ thuật GB/T liên quan tại Trung Quốc.
• Phân loại: Thép bình chịu áp suất cacbon-mangan có hợp kim vi mô (đặc điểm của HSLA).
• SA516 Cấp 70 (A516 Gr70)
• Tiêu chuẩn chính: ASTM A516/A516M — được sử dụng rộng rãi trong vật liệu ASME Phần II, Phần A dành cho bình chịu áp suất.
• Phân loại: Thép bình chịu áp suất cacbon (thép cacbon-mangan thông thường được phép hợp kim hóa vi mô hạn chế).
• Các tiêu chuẩn và tham chiếu chéo liên quan thường gặp: EN (ví dụ: dòng P355), JIS và các tiêu chuẩn quốc gia khác — nhưng Q345R và A516 Gr70 vẫn thường được so sánh vì cả hai đều được chỉ định cho thiết bị chịu áp suất hàn.

Cả hai đều là thép cacbon không gỉ dùng cho các bộ phận chịu áp suất hàn; không có loại nào là vật liệu hợp kim thép không gỉ cao cấp.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Phạm vi thành phần hóa học tiêu biểu (wt%). Đây là phạm vi điển hình được sử dụng trong thực tế; giới hạn chính xác phải được xác minh từ tiêu chuẩn kiểm soát và giấy chứng nhận của nhà máy vật liệu.

Yếu tố	Q345R (điển hình, wt%)	SA516 Gr70 (điển hình, wt%)
C	0,10 – 0,20	≤ 0,27 (điển hình 0,12 – 0,27)
Mn	0,70 – 1,60	0,70 – 1,20
Si	0,15 – 0,50	0,15 – 0,40
P	≤ 0,025 – 0,030	≤ 0,035
S	≤ 0,020 – 0,030	≤ 0,035
Cr	dấu vết – ≤ 0,30	dấu vết – ≤ 0,30
Ni	dấu vết – ≤ 0,30	dấu vết – ≤ 0,30
Mo	dấu vết – ≤ 0,20	dấu vết – ≤ 0,20
V	vết – lên đến ~0,10 (hợp kim vi mô)	dấu vết (thỉnh thoảng có hợp kim nhỏ)
Nb (Cb)	vết – lên đến ~0,05 (hợp kim vi mô)	dấu vết (thỉnh thoảng có với số lượng nhỏ)
Ti	dấu vết	dấu vết
B	dấu vết	dấu vết
N	dấu vết	dấu vết

Ghi chú: - Công thức Q345R thường kết hợp hợp kim vi mô được kiểm soát (Nb, V, Ti) và kiểm soát chặt chẽ hơn P/S để đạt được năng suất cao hơn và cải thiện độ tinh luyện hạt mà không cần xử lý tôi và ram hoàn toàn. - SA516 Gr70 thường được chỉ định là thép bình chịu áp suất cacbon-mangan thông thường có thành phần được tối ưu hóa để có độ dẻo dai và khả năng hàn; một số nhà máy cung cấp các biến thể hợp kim vi mô, nhưng cấp độ được xác định theo tiêu chí chấp nhận về cơ học và va đập thay vì gói hợp kim vi mô cố định.

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu kiểm soát độ bền và khả năng làm cứng. Hàm lượng C cao làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) cải thiện giới hạn chảy thông qua quá trình gia cường kết tủa và tinh chỉnh hạt, tăng độ dẻo dai ở mức độ bền nhất định mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon. - Hàm lượng Cr, Ni và Mo thấp (nếu có) làm tăng khả năng tôi luyện và có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai; những hàm lượng này thường thấp hoặc không có trong cả hai loại.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Q345R: chủ yếu được cung cấp dưới dạng tấm thường hóa hoặc cán, với nền ferit-pearlit được tinh chế bằng kết tủa hợp kim vi mô (Nb/Ti/V). Quá trình tinh chế hạt và gia cường phân tán từ cacbua/nitrit hợp kim vi mô giúp tăng cường giới hạn chảy đồng thời vẫn duy trì độ dẻo. - SA516 Gr70: thường được cung cấp dưới dạng thép cacbon-mangan đã chuẩn hóa hoặc cán với ma trận ferit-perit; xử lý nhiệt mục tiêu hoặc cán có kiểm soát mang lại độ dẻo và khả năng chống va đập theo tiêu chuẩn ASTM.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại. - Quá trình tôi và ram không phải là phương pháp điển hình đối với tấm bình chịu áp suất của các loại thép này — được thiết kế để đáp ứng các đặc tính cơ học và va đập trong điều kiện cán hoặc chuẩn hóa. - Quy trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) thường được áp dụng cho Q345R để tạo ra giới hạn chảy cao hơn và độ dẻo dai được cải thiện thông qua quá trình cán có kiểm soát và làm nguội nhanh. - Đối với cả hai, đôi khi quy định thiết kế yêu cầu xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) tùy thuộc vào độ dày, thiết kế mối nối và nhiệt độ làm việc để giảm ứng suất dư và làm nguội vùng HAZ.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi tính chất cơ học tiêu biểu. Giá trị thực tế phụ thuộc vào độ dày, xử lý nhiệt và dữ liệu chứng nhận.

Tài sản	Q345R (đại diện)	SA516 Gr70 (đại diện)
Độ bền kéo (MPa)	~470 – 620	~485 – 620
Giới hạn chảy (MPa)	~345 (giá trị thiết kế danh nghĩa)	~240 – 300 (tối thiểu ~250 điển hình)
Độ giãn dài (A%)	20 – 25% (tùy theo độ dày)	18 – 22%
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	Được chỉ định ở nhiệt độ phòng hoặc dưới 0 độ tùy thuộc vào thông số kỹ thuật; nói chung là tốt với TMCP	Được chỉ định theo ASTM A516 (thường được thử nghiệm ở −29°C/−20°F) với năng lượng tối thiểu được xác định
Độ cứng (HBW)	Thông thường < 200 HBW (tùy thuộc vào sản phẩm)	Thông thường < 200 HBW

Giải thích: - Q345R được thiết kế để cung cấp giới hạn chảy danh nghĩa cao hơn (ký hiệu “345” biểu thị giới hạn chảy 345 MPa) thông qua cơ chế HSLA, mang lại cường độ thiết kế cao hơn cho cùng một mặt cắt ngang. - SA516 Gr70 thể hiện tính chất chịu kéo mạnh mẽ với khả năng chịu va đập ở nhiệt độ thấp đã được chứng minh khi được sản xuất và thử nghiệm theo yêu cầu của ASTM; độ bền kéo thấp giúp dễ dàng tạo hình và đôi khi cải thiện độ dẻo dai trong điều kiện hạn chế cao. - Trên thực tế, Q345R mang lại năng suất cao hơn cho các thiết kế nhạy cảm với trọng lượng, trong khi SA516 Gr70 cung cấp sự kết hợp được xác định rõ ràng giữa độ bền kéo và độ bền va đập đã được xác minh cho chế tạo theo tiêu chuẩn ASME.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng carbon, lượng carbon tương đương (xu hướng làm cứng) và hợp kim vi mô.

Công thức tương đương cacbon phổ biến được sử dụng để định tính: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (bảo thủ hơn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Cả hai loại thép đều được coi là có thể hàn bằng các quy trình hàn thông thường (SMAW, GMAW, SAW). Thép SA516 Gr70, với hàm lượng cacbon cho phép thường cao hơn, đòi hỏi phải lưu ý đến ảnh hưởng của độ dày và yêu cầu gia nhiệt trước; thép A516 được sử dụng rộng rãi với các quy trình hàn và kim loại hàn đã được thiết lập theo ASME. - Hợp kim vi mô và khả năng tôi cứng cao hơn của Q345R ở các tiết diện dày có thể làm tăng nguy cơ bị cứng vùng HAZ và nứt nguội do hydro nếu không được hàn ở nhiệt độ nung nóng sơ bộ và nhiệt độ giữa các lớp hàn thích hợp. Do đó, việc thẩm định quy trình hàn cho Q345R thường bao gồm việc chú ý đến nhiệt độ nung nóng sơ bộ, nhiệt độ giữa các lớp hàn và lựa chọn vật tư tiêu hao để đáp ứng các yêu cầu về va đập và độ bền kéo. - Sử dụng các công thức trên giúp xác định nhu cầu gia nhiệt trước và PWHT: $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn ngụ ý cần gia nhiệt trước nghiêm ngặt hơn hoặc tốc độ làm mát thấp hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Q345R và SA516 Gr70 đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương với thép cacbon và cả hai đều cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường ăn mòn.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình: hệ thống sơn phủ (epoxy, polyurethane), sơn lót, sơn phủ và mạ kẽm nhúng nóng (khi phù hợp với yêu cầu của bình chịu áp lực). Đối với dịch vụ chôn ngầm hoặc nước biển, việc lựa chọn lớp lót, bảo vệ catốt hoặc nâng cấp hợp kim là phổ biến.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) dành cho hợp kim thép không gỉ và không áp dụng cho thép cacbon không phải thép không gỉ, nhưng để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ — PREN không áp dụng cho Q345R hoặc SA516 Gr70.

Khi nào nên cân nhắc các giải pháp thay thế chống ăn mòn: - Chọn hợp kim chống ăn mòn (thép không gỉ, thép không gỉ kép hoặc thép chống ăn mòn) khi điều kiện thiết kế bao gồm môi trường ăn mòn, clorua hoặc hoạt động lâu dài mà không cần bảo trì. Lớp phủ SA516 hoặc Q345R với các lớp thép không gỉ đôi khi được sử dụng cho bình chịu áp lực để kết hợp độ bền và khả năng chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công: Cả hai đều là thép cacbon tiêu chuẩn có khả năng gia công tương tự nhau; độ bền cao hơn một chút hoặc hợp kim vi mô trong Q345R có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ một chút.
• Khả năng tạo hình/uốn cong: Độ dẻo thấp hơn của SA516 Gr70 thường giúp tạo hình và uốn nguội dễ dàng hơn đối với bán kính hẹp; độ dẻo cao hơn của Q345R đòi hỏi bán kính uốn lớn hơn hoặc lực mạnh hơn và kiểm soát cẩn thận để tránh hiện tượng bật ngược.
• Các quy trình cắt và nhiệt: cắt oxy-nhiên liệu, plasma và laser là quy trình thường quy cho cả hai; hợp kim vi mô trong Q345R không ảnh hưởng đáng kể đến quá trình cắt nhưng có thể cần chú ý nhiều hơn đến nhiệt lượng đầu vào trong quá trình cắt để tránh hiện tượng giòn HAZ ở các phần dày.
• Hoàn thiện: Cả hai loại đều trải qua các công đoạn mài, đánh bóng và chuẩn bị bề mặt tiêu chuẩn để phủ lớp phủ.

8. Ứng dụng điển hình

Q345R — Công dụng điển hình	SA516 Gr70 — Công dụng điển hình
Bình chịu áp suất và nồi hơi ở Trung Quốc/Châu Á nơi sử dụng tiêu chuẩn GB; các bộ phận chịu áp suất hàn nặng đòi hỏi năng suất cao hơn	Bình chịu áp suất, nồi hơi, bồn chứa và đường ống theo tiêu chuẩn ASME và các tiêu chuẩn quốc tế khác; thường được sử dụng ở Bắc Mỹ và các thị trường xuất khẩu
Kết cấu hàn tấm dày có độ bền cao hơn cho phép các phần nhẹ hơn	Các bồn chứa và nồi hơi chế tạo khi cần độ bền va đập ở nhiệt độ thấp đã được xác minh
Các thành phần cấu trúc trong thiết bị được hưởng lợi từ sức mạnh của hợp kim siêu nhỏ HSLA	Các thành phần chịu áp suất chung và các phụ kiện cải tiến cho hệ thống ống/tấm theo tiêu chuẩn ASME

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Q345R khi năng suất thiết kế cao hơn và tiết kiệm trọng lượng là động lực chính, và quá trình mua sắm/chế tạo phù hợp với các tiêu chuẩn và nhà cung cấp của GB. - Chọn SA516 Gr70 khi cần tuân thủ ASME/ASTM, quy trình hàn được ghi chép đầy đủ và thử nghiệm va đập ở nhiệt độ thấp được ghi chép lại.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Tùy thuộc vào khu vực. Q345R thường có giá thành cạnh tranh ở Trung Quốc và Châu Á do sản xuất tại địa phương và được sử dụng rộng rãi. SA516 Gr70 thường được cung cấp tại Hoa Kỳ, Châu Âu và nhiều thị trường toàn cầu; khả năng cạnh tranh về giá phụ thuộc vào cơ sở nhà máy, độ dày và quy mô đơn hàng tại địa phương.
• Tính khả dụng: SA516 Gr70 có sẵn rộng rãi trong các tấm cán đạt tiêu chuẩn ASTM; Q345R có sẵn rộng rãi ở Trung Quốc và các thị trường lân cận, và có thể được cung cấp quốc tế từ các nhà xuất khẩu. Thời gian giao hàng và khả năng truy xuất nguồn gốc chứng nhận cần được xác nhận cho việc mua sắm xuyên biên giới.
• Hình dạng sản phẩm: Cả hai đều được cung cấp dưới dạng tấm, hình cắt và đôi khi là cuộn cán; SA516 thường được chỉ định cho nồi hơi ASME và bình chịu áp suất, do đó, mạng lưới nhà cung cấp tấm được chứng nhận rất mạnh mẽ trong chuỗi cung ứng đó.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	Q345R	SA516 Gr70
Khả năng hàn	Tốt; có thể cần gia nhiệt trước nghiêm ngặt hơn đối với các phần dày do hợp kim hóa vi mô/khả năng làm cứng	Tuyệt vời; được sử dụng rộng rãi với các quy trình hàn ASME đã được thiết lập
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Năng suất danh nghĩa cao hơn (hiệu ứng HSLA); độ dẻo dai tốt với TMCP/chuẩn hóa	Độ bền kéo cân bằng và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp được xác nhận theo thử nghiệm ASTM
Chi phí và tính khả dụng	Hiệu quả về mặt chi phí tại thị trường Trung Quốc/châu Á; khả năng cung ứng mạnh mẽ tại địa phương	Có sẵn rộng rãi trong chuỗi cung ứng ASME/ASTM; phân phối toàn cầu tốt

Sự giới thiệu: - Chọn Q345R nếu bạn cần năng suất danh nghĩa cao hơn và muốn tiết kiệm trọng lượng/tiết diện, làm việc theo quy định của GB hoặc theo cơ sở nhà cung cấp và có thể kiểm soát quá trình hàn/gia nhiệt trước và thử nghiệm chấp nhận để tính đến các hiệu ứng về hợp kim vi mô và độ dày. - Chọn SA516 Gr70 nếu bạn yêu cầu tuân thủ ASME/ASTM, hiệu suất tác động ở nhiệt độ thấp có thể dự đoán được với các chế độ thử nghiệm đã được thiết lập và khả năng cung cấp rộng rãi trên toàn cầu với các vật tư và quy trình hàn quen thuộc.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn vật liệu phải luôn được xác nhận dựa trên quy chuẩn thiết kế kiểm soát, thông số kỹ thuật quy trình hàn của dự án (WPS/PQR), nhiệt độ thử nghiệm va đập bắt buộc và chứng chỉ nhà máy. Khi có nghi ngờ, hãy xem xét các giới hạn hóa học và cơ học chính xác trên chứng chỉ nhà máy và xác nhận quy trình hàn với độ dày tấm và nhiệt lượng đầu vào đại diện phù hợp với cấp độ hàn đã chọn.