SA106B so với SA106C – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A106 Cấp B (SA106B) và Cấp C (SA106C) là hai loại ống thép cacbon liền mạch phổ biến được chỉ định cho các ứng dụng chịu nhiệt độ cao và áp suất cao. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc các yếu tố đánh đổi như độ bền so với khả năng định hình, chi phí so với áp suất làm việc cho phép, và khả năng hàn so với khả năng tôi khi lựa chọn giữa chúng.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính giữa SA106B và SA106C là Cấp C được chỉ định cho độ bền và định mức áp suất-nhiệt độ cao hơn Cấp B, chủ yếu đạt được nhờ hàm lượng carbon/hợp kim cao hơn một chút và các yêu cầu về tính chất cơ học chặt chẽ hơn. Vì cùng tiêu chuẩn và quy trình sản xuất, các cấp này thường được so sánh trực tiếp trong thiết kế đường ống, lập kế hoạch chế tạo và thông số kỹ thuật mua vật liệu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính: ASTM A106 / ASME SA106 — “Ống thép cacbon liền mạch dùng cho ứng dụng nhiệt độ cao”.
• Các tài liệu tham khảo khu vực khác: có các dạng sản phẩm tương đương trong các tiêu chuẩn EN, JIS và GB dành cho ống thép cacbon, nhưng mức độ tương đương trực tiếp giữa các cấp khác nhau; thông số kỹ thuật và yêu cầu cơ học phải được xác nhận theo từng trường hợp cụ thể.
• Phân loại: cả SA106B và SA106C đều là thép cacbon dùng cho mục đích sử dụng ở nhiệt độ cao (không phải thép không gỉ, không phải HSLA theo nghĩa hiện đại và không phải thép dụng cụ).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	SA106B (ký tự đặc tả điển hình)	SA106C (ký tự đặc tả điển hình)
C (Cacbon)	Hàm lượng cacbon thấp hơn so với C; được kiểm soát để cân bằng độ bền và khả năng hàn	Hàm lượng carbon cao hơn một chút so với B để đạt được mức năng suất/độ bền kéo và áp suất cao hơn
Mn (Mangan)	Có khả năng cung cấp độ bền kéo và kiểm soát quá trình khử oxy; phạm vi tương tự ở cả hai cấp	Tương tự như B; được sử dụng để hỗ trợ sức mạnh khi carbon tăng lên
Si (Silic)	Chất khử oxy; lượng được kiểm soát và tương tự ở cả hai loại	Vai trò tương tự; nói chung không phải là hợp kim gia cường ở các cấp độ này
P (Phốt pho)	Được giữ ở mức thấp như tạp chất để duy trì độ dẻo dai	Giữ ở mức thấp; giới hạn tạp chất tương tự
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp; có thể có số lượng nhỏ	Giữ ở mức thấp; giới hạn tương tự
Cr, Ni, Mo	Không được pha trộn cố ý với số lượng đáng kể; thường chỉ xuất hiện dưới dạng tạp chất vết	Thường chỉ có dấu vết; không phải là chiến lược hợp kim chính
V, Nb, Ti	Không được thêm thường xuyên như các nguyên tố hợp kim vi mô cho A106; các nhà máy hiện đại có thể sử dụng hợp kim vi mô trong các lần sản xuất cụ thể	Thông thường không được chỉ định; nếu có thì có thể là ngẫu nhiên hoặc đối với các lô đặc biệt
B, N	Không liên quan đến việc xác định các nguyên tố hợp kim; nitơ được kiểm soát đối với các đặc tính va đập	Giống như B

Ghi chú: - ASTM A106 xác định giới hạn hóa học và các yêu cầu cơ học thay vì quy định bổ sung hợp kim đáng kể như Cr hoặc Mo; đây là các loại thép cacbon có thành phần được kiểm soát để có độ bền và khả năng hàn ở nhiệt độ cao đồng đều. - Chiến lược thiết kế cho hạng C tập trung vào việc tăng nhẹ lượng carbon/Mn và thử nghiệm cơ học nghiêm ngặt hơn để tăng ứng suất cho phép ở nhiệt độ; hạng B hướng tới sự cân bằng giữa độ bền và tính thân thiện với chế tạo.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: cả hai loại đều được sản xuất dưới dạng ống liền mạch với cấu trúc vi mô chủ yếu là ferit và peclit ở trạng thái thường hóa hoặc cán. Sự cân bằng ferit/peclit phụ thuộc vào cacbon và tốc độ làm nguội.
• Lớp B: với hàm lượng carbon thấp hơn, cấu trúc vi mô có xu hướng tạo thành hỗn hợp ferit-perlit mịn hơn, dẻo hơn với thành phần perlit tương đối thấp hơn so với Lớp C trong lịch sử nhiệt tương tự.
• Cấp C: hàm lượng cacbon và mangan cao hơn làm tăng thành phần perlit và tăng nhẹ khả năng làm cứng, chuyển dịch cán cân theo hướng có độ bền cao hơn và độ dẻo giảm nhẹ.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa (nung nóng lại trên nhiệt độ tới hạn và làm mát bằng không khí) giúp tinh chỉnh kích thước hạt, cải thiện độ dẻo dai và tạo ra cấu trúc vi mô ferit-perit đồng nhất cho cả hai loại.
• Có thể làm nguội và ram nhưng không phải là điều kiện cung cấp thông thường cho ống A106 tiêu chuẩn; áp dụng các quy trình này sẽ làm tăng độ bền và độ dẻo dai tùy thuộc vào các thông số, trong đó Cấp C đáp ứng với độ bền cao hơn có thể đạt được do thành phần của nó.
• Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát) có thể tinh chỉnh cấu trúc hạt và cải thiện sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo dai; khả năng làm cứng cao hơn một chút của Cấp C cho phép đạt được độ bền cao hơn với cường độ xử lý tương tự.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	SA106B	SA106C
Độ bền kéo	Trung bình — đáp ứng yêu cầu của Hạng B	Cao hơn — đáp ứng các yêu cầu về độ bền kéo cao hơn của Cấp C
Sức chịu lực	Thấp hơn C — cho phép biến dạng dẻo nhiều hơn trước khi biến dạng	Cao hơn B — cho phép ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo thường cao hơn C	Độ giãn dài giảm nhẹ so với B do hàm lượng cacbon/perlite cao hơn
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ thử nghiệm tiêu chuẩn; được duy trì ở mức tạp chất thấp	Tương đương nhưng có thể cần chú ý ở nhiệt độ rất thấp; độ dẻo dai có thể được duy trì bằng cách xử lý
Độ cứng	Thấp đến trung bình	Cao hơn một chút (phản ánh sức mạnh cao hơn)

Giải thích: - SA106C đạt độ bền kéo và giới hạn chảy cao hơn SA106B; nhưng bù lại là độ dẻo giảm nhẹ và khả năng bị cứng hóa ở vùng HAZ trong quá trình hàn cao hơn. Đối với bình chịu áp suất và đường ống nhiệt độ cao, ứng suất cho phép cao hơn của C có thể cho phép thành mỏng hơn hoặc áp suất vận hành cao hơn, nhưng cần cân nhắc quy trình hàn và quá trình gia nhiệt trước.

5. Khả năng hàn

• Tổng quan: cả hai loại thép đều có thể hàn được bằng các phương pháp thông thường (SMAW, GTAW, GMAW, FCAW). Khả năng hàn phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (CE) và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi lượng.
• Khi lượng cacbon tăng lên, khả năng nứt do hydro ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) cũng tăng lên; Cấp C thường yêu cầu kiểm soát hàn cẩn thận hơn (làm nóng trước, nhiệt độ giữa các đường hàn, đầu vào nhiệt được kiểm soát) so với Cấp B.
• Chỉ số khả năng hàn chung:
• $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Giải thích:
• Chỉ số $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn cho thấy khả năng làm cứng cao hơn và nguy cơ nứt vùng HAZ lớn hơn; trong khi các loại SA106 thường có giá trị CE khiêm tốn thì loại C thường có giá trị CE cao hơn một chút so với loại B.
• Đối với cả hai loại thép, hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho thấp cùng với việc bổ sung hợp kim hạn chế giúp duy trì khả năng hàn tốt. Khi chỉ định SA106C cho các mối hàn thành dày hơn hoặc các mối hàn quan trọng, hãy lập kế hoạch gia nhiệt trước và quy trình hàn phù hợp để tránh nứt vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SA106B và SA106C đều là thép cacbon (không gỉ) và không có khả năng chống ăn mòn trong môi trường khí quyển, đất hoặc biển.
• Các biện pháp bảo vệ chung:
• Lớp phủ bên ngoài: sơn, epoxy hoặc epoxy liên kết nóng chảy (FBE).
• Lớp phủ kim loại: mạ kẽm nhúng nóng cho một số điều kiện sử dụng nhất định (cân nhắc giới hạn nhiệt độ và khả năng tương thích của lớp phủ với điều kiện sử dụng nhiệt độ cao).
• Lớp lót bên trong: vữa xi măng, epoxy hoặc các lớp lót khác dành cho chất lỏng ăn mòn.
• Tính liên quan của PREN: Chỉ số PREN được sử dụng cho hợp kim thép không gỉ (khả năng chống rỗ), do đó không áp dụng cho thép cacbon SA106. Nếu dịch vụ yêu cầu khả năng chống rỗ-ăn mòn, nên chọn vật liệu thép không gỉ hoặc hợp kim.
• Ngược lại, công thức PREN cho hợp kim không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Làm rõ: Vì thép A106 có hàm lượng crom và molypden tối thiểu nên việc giảm thiểu ăn mòn được thực hiện thông qua lớp phủ, bảo vệ catốt và lựa chọn vật liệu thay vì khả năng chống hợp kim vốn có.

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

• Cắt: Cả hai loại đều dễ dàng cắt bằng phương pháp oxy-nhiên liệu, plasma hoặc cắt cơ học. Loại C có thể tạo ra phoi cứng hơn một chút do hàm lượng carbon cao hơn, nhưng sự khác biệt không đáng kể.
• Khả năng gia công: tương tự nhau; hàm lượng carbon cao hơn ở loại C có thể làm cho dụng cụ bị mài mòn rõ rệt hơn một chút trong điều kiện khắc nghiệt.
• Khả năng tạo hình và uốn cong: Độ dẻo cao hơn một chút của thép loại B giúp dễ dàng tạo hình nguội hoặc uốn cong mà không bị nứt; thép loại C có thể yêu cầu bán kính uốn lớn hơn hoặc tạo hình hỗ trợ nhiệt cho công việc có bán kính hẹp.
• Ren và nối: ren ống tiêu chuẩn và chế tạo mặt bích tương đương nhau. Việc lựa chọn vật liệu hàn phải phù hợp với thành phần hóa học của kim loại cơ bản và nhiệt độ làm việc; kim loại hàn hợp kim thấp có thể phù hợp với ứng dụng nhiệt độ cao.

8. Ứng dụng điển hình

SA106B — Công dụng điển hình	SA106C — Công dụng điển hình
Ống nồi hơi, đường ống quy trình nhiệt độ trung bình, dịch vụ nhiệt độ cao mục đích chung, trong đó độ bền trung bình và độ dẻo tốt được ưu tiên	Hệ thống đường ống và dịch vụ nhiệt độ cao yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn hoặc định mức áp suất-nhiệt độ cao hơn
Đường ống hơi áp suất thấp đến trung bình, bộ trao đổi nhiệt có áp suất thiết kế vừa phải	Đường ống nhà máy điện, đường ống hơi nước áp suất cao và đường ống nước cấp nơi ứng suất cho phép theo quy định yêu cầu cấp độ cao hơn
Đường ống nhà máy chung, vận chuyển chất lỏng không ăn mòn ở nhiệt độ cao	Các ứng dụng cho phép tối ưu hóa độ dày thành bằng cách sử dụng vật liệu có độ bền cao hơn để đáp ứng giới hạn ứng suất

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại thép đáp ứng được ứng suất cho phép ở nhiệt độ vận hành với độ dày thành thép nhỏ nhất và chi phí vòng đời thấp nhất, đồng thời đảm bảo việc kiểm soát chế tạo và hàn khả thi đối với công trường và nhà thầu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: SA106B thường rẻ hơn SA106C do yêu cầu cơ học thấp hơn và mục tiêu gia công đơn giản hơn một chút. Tuy nhiên, giá thị trường dao động tùy thuộc vào hoạt động của nhà máy thép, giá cả hàng hóa và nguồn cung khu vực.
• Tính khả dụng: cả hai loại thép đều được cung cấp rộng rãi trên toàn cầu với nhiều đường kính và độ dày thành khác nhau. Đối với các tiết diện có đường kính lớn hoặc thành dày, thời gian giao hàng có thể lâu hơn; thép loại B thường có sẵn ngay lập tức với nhiều kích thước thông dụng hơn.
• Hình thức sản phẩm: ống liền mạch là tiêu chuẩn theo A106; tính khả dụng có thể khác nhau tùy theo nhà cung cấp (biến thể liền mạch so với biến thể hàn theo các tiêu chuẩn khác).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Loại	SA106B	SA106C
Khả năng hàn	Tốt hơn (hàn dễ hơn và yêu cầu làm nóng trước thấp hơn)	Tốt, nhưng thường đòi hỏi kiểm soát hàn nhiều hơn (làm nóng trước/xuyên qua)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền thấp hơn, độ dẻo cao hơn	Độ bền cao hơn, độ dẻo thấp hơn một chút nhưng ứng suất cho phép cao hơn
Trị giá	Nói chung là thấp hơn	Nói chung là cao hơn

Kết luận và khuyến nghị: - Chọn SA106B nếu: - Ứng dụng của bạn ưu tiên chế tạo và hàn dễ dàng hơn, độ dẻo cao hơn và chi phí vật liệu thấp hơn. - Đáp ứng được yêu cầu về áp suất/nhiệt độ thiết kế và ứng suất cho phép theo quy định của Cấp B mà không có độ dày thành quá mức. - Điều kiện hàn tại hiện trường bị hạn chế và bạn muốn yêu cầu làm nóng trước/chuyển tiếp tối thiểu.

• Chọn SA106C nếu:
• Dự án yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn, tiết diện thành mỏng hơn để chịu cùng mức áp suất/nhiệt độ hoặc biên độ chịu kéo/giới hạn chảy cao hơn.
• Bạn có thể kiểm soát các quy trình hàn (làm nóng trước, quy trình đủ tiêu chuẩn) và thực hành chế tạo để phù hợp với khả năng làm cứng cao hơn một chút.
• Tiết kiệm vòng đời hoặc trọng lượng nhờ giảm độ dày thành bù đắp cho chi phí vật liệu cao hơn và kiểm soát chế tạo.

Lưu ý cuối cùng: Tiêu chuẩn ASTM A106 bao gồm các yêu cầu chính xác về hóa học và cơ học, cần được tham khảo khi lập thông số kỹ thuật mua hàng hoặc tính toán kỹ thuật. Đối với các dịch vụ quan trọng hoặc rủi ro cao, hãy thực hiện đánh giá nhà cung cấp, yêu cầu báo cáo thử nghiệm tại nhà máy và xác minh các yêu cầu về xử lý nhiệt và NDT để đảm bảo tuân thủ các mục tiêu thiết kế và an toàn.