SA213 T11 so với T22 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SA213 T11 và SA213 T22 là hai loại thép hợp kim thấp crom-molypden được sử dụng rộng rãi cho lò hơi, bộ quá nhiệt và ống trao đổi nhiệt. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc giữa chi phí vật liệu ban đầu, tính dễ chế tạo và hàn, và độ bền nhiệt độ cao (khả năng chống rão) khi sử dụng. Trong nhiều dự án, quyết định cuối cùng phụ thuộc vào việc liệu hàm lượng hợp kim cao hơn và khả năng chịu nhiệt độ cao của T22 có xứng đáng với chi phí cao hơn và yêu cầu kiểm soát hàn và xử lý nhiệt khắt khe hơn một chút so với T11 hay không.

Sự khác biệt kỹ thuật chính là T22 được hợp kim hóa để cung cấp độ bền và khả năng chống biến dạng tốt hơn đáng kể ở nhiệt độ cao so với T11; T11 thường được chọn khi độ dẻo tốt, khả năng hàn dễ hơn và chi phí thấp hơn là ưu tiên cho nhiệt độ làm việc từ thấp đến trung bình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính:
• ASTM/ASME: SA213 (ống dùng cho nhiệt độ cao), A335 (ống) — T11 và T22 tương ứng với các cấp Cr-Mo thường được xếp theo P11 và P22 trong thông số kỹ thuật của ống.
• EN / DIN: Các loại có thể so sánh được là thành viên của họ 13CrMo44/14MoV6‑3, nhưng cần thận trọng khi tham chiếu chéo trực tiếp.
• JIS / GB: Các tiêu chuẩn quốc gia có chuỗi Cr–Mo tương tự nhưng xác minh các ký hiệu chính xác và bảng tính chất để thay thế.
• Phân loại:
• SA213 T11 và T22 là thép ferritic hợp kim thấp (thép hợp kim) được thiết kế để sử dụng ở nhiệt độ cao; chúng không phải là thép không gỉ hay HSLA theo nghĩa thông thường (quá trình hợp kim hóa của chúng nhằm mục đích tăng cường độ bền và khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao chứ không chỉ đơn thuần là khả năng chống ăn mòn).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi thành phần điển hình (phần trăm trọng lượng) thường gặp trong thực tế công nghiệp và theo các phạm vi ASME/ASTM thường dùng. Giới hạn chính xác phụ thuộc vào nhà máy cụ thể và phiên bản tiêu chuẩn; luôn tham khảo thông số kỹ thuật vật liệu kiểm soát khi mua hoặc thiết kế.

Yếu tố	T11 điển hình (xấp xỉ wt%)	T22 điển hình (xấp xỉ wt%)
C	0,05 – 0,15	0,05 – 0,15
Mn	0,30 – 0,65	0,30 – 0,60
Si	0,10 – 0,50	0,10 – 0,50
P	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	~0,9 – 1,4 (danh nghĩa ~1,0–1,25)	~2.0 – 2.5 (danh nghĩa ~2.25)
Ni	≤ 0,40 (vết)	≤ 0,40 (vết)
Mo	~0,44 – 0,65 (danh nghĩa ~0,5)	~0,85 – 1,06 (danh nghĩa ~1,0)
V	theo dõi / tùy chọn	theo dõi / tùy chọn
Nb (Cb)	dấu vết / không xác định	dấu vết / không xác định
Ti	dấu vết	dấu vết
B	dấu vết	dấu vết
N	dấu vết	dấu vết

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom làm tăng khả năng tôi cứng và độ bền ở nhiệt độ cao, đồng thời thúc đẩy sự hình thành các cacbua ổn định giúp cải thiện khả năng chống rão. - Molypden cải thiện độ bền kéo và khả năng chống mềm ở nhiệt độ bằng cách ổn định cacbua và ngăn cản sự khuếch tán. - Cacbon và mangan kiểm soát độ bền cơ bản và khả năng làm cứng; hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. - Silic là chất khử oxy và có độ bền và khả năng chống oxy hóa ở mức vừa phải. - Việc bổ sung hợp kim vi lượng (V, Nb, Ti) có thể ảnh hưởng đến kích thước hạt, độ bền kết tủa và độ dẻo dai khi va đập, nhưng những yếu tố này thường không đáng kể trong thành phần T11/T22 tiêu chuẩn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Trong điều kiện cung cấp (chuẩn hóa và ram), cả T11 và T22 đều thể hiện vi cấu trúc martensite/bainit ram với sự phân tán của hợp kim cacbua (giàu Cr và Mo). Kích thước hạt và sự phân bố cacbua được kiểm soát bởi nhiệt độ chuẩn hóa và chế độ ram. - T22, với hàm lượng Cr và Mo cao hơn, có xu hướng tạo thành tỷ lệ hợp kim cacbua ổn định cao hơn và cấu trúc vi mô chống lại sự thô hóa ở nhiệt độ cao tốt hơn T11.

Hiệu quả của xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ trên phạm vi tới hạn) tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và hòa tan cacbua; sau đó là quá trình ram để đạt được sự cân bằng độ dẻo dai/độ bền mong muốn. - Kiểm soát độ dẻo dai ở nhiệt độ phòng so với độ bền nhưng ít phổ biến hơn đối với các sản phẩm ống cán sẵn dùng cho mục đích sử dụng — thông lệ tiêu chuẩn là chuẩn hóa và ram phù hợp với hình dạng sản phẩm. - Đối với cả hai loại, xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) thường được sử dụng để tôi luyện vùng HAZ của mối hàn và giảm ứng suất dư cũng như độ cứng; T22 thường yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn (nhiệt độ PWHT tối thiểu, thời gian giữ) để đáp ứng hiệu suất chống rão. - Có thể sử dụng quy trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai ở các phần dày, nhưng đối với ống, các biến số chủ yếu là chu trình chuẩn hóa và ram.

4. Tính chất cơ học

Các đặc tính cơ học dưới đây là phạm vi chỉ định cho ống được chuẩn hóa và ram, phụ thuộc nhiều vào độ dày thành ống, xử lý nhiệt chính xác và độ hoàn thiện. Sử dụng bảng mã áp dụng cho thiết kế.

Tài sản	T11 điển hình (chuẩn hóa và điều chỉnh)	T22 điển hình (chuẩn hóa và điều chỉnh)
Độ bền kéo (MPa)	~420 – 560 MPa	~450 – 620 MPa
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	~240 – 360 MPa	~300 – 420 MPa
Độ giãn dài (%)	~20 – 25%	~18 – 22%
Độ bền va đập (Charpy V, nhiệt độ phòng)	Trung bình; phụ thuộc vào xử lý nhiệt	Trung bình; thường thấp hơn một chút so với T11 nếu cacbon/khả năng tôi luyện cao hơn
Độ cứng (HB)	~150 – 220 HB	~160 – 240 HB

Giải thích: - T22 thường có độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ cao, do hàm lượng Cr và Mo cao hơn giúp tăng cường độ bền kéo. - T11 có thể cung cấp độ dẻo tốt hơn một chút và có thể dễ dàng đáp ứng các yêu cầu về độ bền cho một số hình dạng, do hàm lượng hợp kim thấp hơn và khả năng làm cứng thấp hơn. - Sự khác biệt về độ dẻo dai ở nhiệt độ phòng là không đáng kể đối với các vật liệu được xử lý đúng cách; lợi thế dịch vụ chính của T22 là duy trì độ bền ở nhiệt độ (khả năng chống biến dạng).

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn xoay quanh hàm lượng carbon, khả năng làm cứng tổng thể (Cr + Mo + hợp kim khác) và nhu cầu gia nhiệt trước/PWHT.

• Độ cứng và sự hình thành martensite trong các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt tăng lên khi hợp kim hóa và khả năng làm cứng cao hơn; do đó, hàm lượng Cr và Mo cao hơn của T22 làm tăng nguy cơ cứng HAZ và nứt nguội do hydro gây ra nếu kiểm soát hàn không đầy đủ.
• Các chỉ số khả năng hàn phổ biến hữu ích cho việc giải thích định tính:
• Đương lượng cacbon (IIW):
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm (chỉ số bảo thủ hơn):
  $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Diễn giải (định tính): CE hoặc Pcm cao hơn đồng nghĩa với việc gia nhiệt trước nhiều hơn, làm nguội chậm hơn và thường bắt buộc phải hàn PWHT để tránh các cấu trúc vi mô HAZ giòn. T22 thường có CE cao hơn T11 ở cùng hàm lượng carbon, cho thấy quy trình hàn nghiêm ngặt hơn.
• Thực hành được khuyến nghị: kiểm soát hydro trong vật liệu hàn, áp dụng phương pháp gia nhiệt trước thích hợp và thực hiện PWHT theo quy định và bảng dữ liệu vật liệu — PWHT nghiêm ngặt hơn thường được chỉ định cho T22 để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất rão và độ bền.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả T11 và T22 đều là thép hợp kim không gỉ và không có khả năng chống ăn mòn đáng kể trong môi trường ẩm ướt hoặc khắc nghiệt chỉ dựa vào thành phần hóa học.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình: sơn, sơn lót, lớp phủ chịu nhiệt độ cao hoặc lớp phủ kim loại nếu cần. Đối với ứng dụng ngoài trời/trong môi trường khí quyển, mạ kẽm có thể được sử dụng cho một số bộ phận nhưng ít được sử dụng cho ống chịu nhiệt độ cao.
• Đối với quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao (hơi nước/lò), các vảy oxit bề mặt hình thành; hợp kim (Cr) cải thiện độ bám dính của vảy và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao — ở đây T22 được hưởng lợi từ hàm lượng Cr cao hơn.
• Chỉ số ăn mòn thép không gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép hợp kim thấp sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này dành cho thép không gỉ và không mô tả một cách có ý nghĩa hành vi ăn mòn của thép ferritic Cr–Mo.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại đều có thể gia công khá tốt khi được chuẩn hóa và ram; T22 có thể khó gia công hơn một chút do hàm lượng hợp kim cao hơn và độ phân tán cacbua mạnh hơn.
• Khả năng tạo hình và uốn nguội: T11 hợp kim thấp hơn thường dễ uốn và tạo hình hơn; T22 có thể yêu cầu kiểm soát bán kính uốn chặt hơn hoặc tạo hình ở nhiệt độ cao để tránh nứt ở các phần dày hơn.
• Hoàn thiện bề mặt: Mài, đánh bóng và thử nghiệm không phá hủy là tiêu chuẩn; đối với hàn và chế tạo, các biện pháp kiểm soát tại xưởng đối với hydro và PWHT thường được áp dụng cho T22.

8. Ứng dụng điển hình

SA213 T11 – Công dụng điển hình	SA213 T22 – Công dụng điển hình
Ống siêu nhiệt và ống gia nhiệt tiết kiệm cho các mạch hơi nước nhiệt độ thấp, bộ gia nhiệt nước cấp và ống nồi hơi thông thường khi cường độ nhiệt độ vừa phải là đủ	Ống siêu nhiệt, đường ống hơi và ống góp trong nhà máy điện, đường ống quy trình nhiệt độ cao trong ngành hóa dầu và các bộ phận cần độ bền kéo dài hơn và tuổi thọ dài hơn ở nhiệt độ cao
Ống trao đổi nhiệt tiết kiệm cho nhiệt độ vừa phải	Các bộ phận và đường ống chịu áp suất nhiệt độ cao quan trọng yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ
Các bộ phận thay thế trong hệ thống ban đầu được thiết kế cho dịch vụ Cr 1–1,25% trong đó khả năng hàn và kiểm soát chi phí là quan trọng	Thiết kế mới đòi hỏi tuổi thọ kéo dài, ứng suất cho phép ở nhiệt độ cao hơn hoặc độ dày thành ống giảm để tiết kiệm trọng lượng/không gian

Cơ sở lựa chọn: - Chọn T11 khi nhiệt độ và ứng suất làm việc ở mức trung bình và khi chi phí thấp hơn, chế tạo dễ dàng hơn và điều khiển hàn/PWHT đơn giản hơn là ưu tiên hàng đầu. - Chọn T22 khi cần độ bền kéo dài cao hơn và độ ổn định oxy hóa/cặn ở nhiệt độ cao và khi tuổi thọ dài hơn hoặc ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ hợp lý cho chi phí vật liệu cao hơn và kiểm soát chế tạo nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: T22 thường có giá cao hơn T11 do hàm lượng Cr và Mo cao hơn; Mo đặc biệt đắt và chiếm tỷ lệ không cân xứng trong giá thành.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều có sẵn rộng rãi dưới dạng ống và ống dẫn, nhưng thời gian giao hàng và biến động giá có thể phụ thuộc vào nhu cầu hợp kim (tính khả dụng của Mo). Các kích thước ống tiêu chuẩn và độ dày thành ống thông dụng luôn có sẵn tại các nhà cung cấp lớn; các kích thước đặc biệt có thể có thời gian giao hàng lâu hơn.
• Hình thức sản phẩm: ống, ống dẫn, phụ kiện và mặt bích liền mạch và hàn là phổ biến; tính khả dụng ở dạng tấm và dạng rèn thay đổi tùy theo nhu cầu của thị trường.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	SA213 T11	SA213 T22
Khả năng hàn	Tốt hơn (độ cứng thấp hơn)	Yêu cầu khắt khe hơn (độ cứng cao hơn; PWHT nghiêm ngặt hơn)
Cân bằng sức mạnh – độ dẻo dai	Tốt ở nhiệt độ phòng và vừa phải	Độ bền nhiệt độ cao vượt trội / khả năng chống rão
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Kết luận: - Chọn SA213 T11 nếu: thiết kế của bạn hoạt động ở nhiệt độ hơi nước hoặc nhiệt độ quy trình vừa phải, không yêu cầu khả năng chống rão đặc biệt, bạn ưu tiên chi phí vật liệu thấp, kiểm soát hàn và chế tạo đơn giản hơn và bạn cần độ dẻo dai và độ bền tốt khi sử dụng. - Chọn SA213 T22 nếu: ứng dụng liên quan đến nhiệt độ hơi nước cao hơn hoặc ứng suất kéo dài trong đó khả năng chống biến dạng và độ bền duy trì ở nhiệt độ là rất quan trọng, bạn chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn và quy trình hàn/PWHT nghiêm ngặt hơn và bạn cần tuổi thọ sử dụng lâu hơn hoặc ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ.

Khuyến nghị cuối cùng: lựa chọn dựa trên nhiệt độ vận hành tối đa và ứng suất (yêu cầu tuổi thọ rão), khả năng hàn (gia nhiệt trước/PWHT) và phân tích chi phí vòng đời của dự án. Khi còn nghi ngờ, hãy tham khảo các bảng vật liệu ASME/ASTM hiện hành và thực hiện đánh giá thiết kế, bao gồm ứng suất cho phép ở nhiệt độ vận hành dự kiến ​​và các tiêu chuẩn quy trình hàn.