SA213 T22 so với T91 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SA213 T22 và T91 là hai loại ống thép hợp kim được sử dụng rộng rãi trong sản xuất điện, hóa dầu và các dịch vụ công nghiệp nhiệt độ cao. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường phải đối mặt với tình thế khó xử khi lựa chọn giữa hai loại ống này: cân bằng giữa độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống biến dạng dài hạn với khả năng hàn, chi phí và tính dễ chế tạo. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu cho ống lò hơi và bộ trao đổi nhiệt, đường ống trong hệ thống hơi nước, hoặc các linh kiện thay thế trong cụm lắp ráp chịu áp suất.

Sự khác biệt chính giữa các loại thép này nằm ở chiến lược hợp kim hóa và cấu trúc vi mô của chúng: T22 là thép crom-molypden hợp kim thấp được thiết kế để có độ bền nhiệt độ cao vừa phải và khả năng gia công tốt, trong khi T91 là thép martensitic, hàm lượng crom cao, hợp kim vi mô được thiết kế để có độ bền chảy và độ bền kéo cao hơn đáng kể ở nhiệt độ cao. Sự khác biệt này quyết định hầu hết các lựa chọn hạ nguồn về thiết kế, thực hành hàn và chi phí vòng đời.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• SA213 T22 — ASTM A213 / ASME SA213 (lò hơi hợp kim thép ferritic liền mạch, bộ quá nhiệt và ống trao đổi nhiệt)
• SA213 T91 — ASTM A213 / ASME SA213 (ống thép hợp kim ferritic liền mạch chịu nhiệt độ cao)
• Các tiêu chuẩn khác:
• Các tiêu chuẩn tương đương EN/ISO thường được chỉ định theo EN 10216-2 hoặc EN 10222 (đối với thép hợp kim tương tự); các tiêu chuẩn quốc gia (JIS, GB) cung cấp các cấp độ tương đương dưới các tên gọi khác nhau.
• Phân loại:
• SA213 T22 — Thép ferritic hợp kim hàm lượng thấp đến trung bình (thường gọi là thép hợp kim Cr–Mo)
• SA213 T91 — Thép hợp kim martensitic Cr cao (loại martensitic/HSLA đã được tôi luyện để sử dụng ở nhiệt độ cao)

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Phạm vi thành phần hóa học điển hình (% khối lượng) của SA213 T22 và T91. Đây là những phạm vi đại diện thường được tham chiếu trong các thông số kỹ thuật của ngành; giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn và dạng nhiệt/sản phẩm.

Yếu tố	SA213 T22 (phạm vi điển hình)	SA213 T91 (phạm vi điển hình)
C	0,05 – 0,15	0,08 – 0,12
Mn	0,30 – 0,60	0,40 – 0,60
Si	0,10 – 0,50	0,20 – 0,60
P	≤ 0,025 (tối đa)	≤ 0,020 (tối đa)
S	≤ 0,025 (tối đa)	≤ 0,010 (tối đa)
Cr	1,8 – 2,3	8,0 – 9,5
Ni	≤ 0,40 (vết)	≤ 0,40 (vết)
Mo	0,40 – 0,70	0,85 – 1,05
V	dấu vết – 0,05	0,18 – 0,25
Nb (Cb)	dấu vết – 0,05	0,06 – 0,12
Ti	— (thường thấp)	— (thường thấp)
B	— (thường không được chỉ định)	— (thường được kiểm soát ở mức ppm rất thấp)
N	- (thấp)	0,03 – 0,07

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Crom và molypden: Cả Cr và Mo đều cải thiện độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa. Tỷ lệ Cr/Mo khiêm tốn của T22 mang lại hiệu suất rão vừa phải; tỷ lệ Cr và Mo cao của T91, kết hợp với hợp kim vi mô, mang lại khả năng chống rão cao hơn đáng kể. - Carbon: Hàm lượng carbon cao hơn trong T91 hỗ trợ quá trình hình thành martensite và phản ứng ram; T22 có hàm lượng carbon thấp hơn để duy trì độ dẻo và khả năng hàn. - Hợp kim vi mô (V, Nb): Có trong T91 để ổn định cacbua/nitrit, tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ bền kéo và khả năng chống mềm trong quá trình tiếp xúc lâu dài. - Silic và mangan: Khử oxy và tăng cường dung dịch rắn; cũng ảnh hưởng đến độ cứng và độ dai.

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

• SA213 T22:
• Cấu trúc vi mô điển hình sau khi xử lý nhiệt tiêu chuẩn: ferit ram với thành phần perlit/bainit ram, tùy thuộc vào tốc độ làm nguội. Đây không phải là thép martensitic hoàn toàn.
• Phản ứng xử lý nhiệt: chuẩn hóa và ram hoặc khử ứng suất có thể điều chỉnh độ dai và độ bền. Thép này ít phản ứng với quá trình tôi cứng martensitic hơn T91; thường không cần hoặc không sử dụng quá trình tôi cứng mạnh.
• SA213 T91:
• Cấu trúc vi mô điển hình: martensite đã được tôi và ram (martensite thanh tôi) với các loại cacbua mịn và cacbonitrit (giàu V/Nb/Ti) sau khi chuẩn hóa và ram thích hợp.
• Phản ứng xử lý nhiệt: đòi hỏi quá trình chuẩn hóa và ram có kiểm soát để phát triển cấu trúc vi mô mong muốn. Quá trình xử lý nhiệt cơ học và ram chính xác rất quan trọng để đạt được độ tinh xảo của hạt và khả năng chống rão mong muốn.
• Tác dụng của quá trình xử lý:
• Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh cấu trúc hạt austenit trước đó trong T91 và là bước thiết yếu trước khi ram.
• Quá trình làm nguội và ram (Q&T) đối với T91 mang lại độ bền cao và độ ổn định ở nhiệt độ cao; quá trình ram quá mức làm giảm độ bền nhưng cải thiện độ dẻo dai.
• T22 phụ thuộc nhiều hơn vào quá trình làm nguội và ram có kiểm soát để cân bằng độ dẻo và độ bền; nó ít nhạy cảm hơn với tốc độ làm nguội.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình cho các điều kiện chuẩn hóa và ram hoặc điều kiện cung cấp thông thường. Giá trị phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt, hình dạng sản phẩm và thông số kỹ thuật.

Tài sản	SA213 T22 (điển hình, N&T hoặc theo yêu cầu)	SA213 T91 (điển hình, chuẩn hóa & tôi luyện)
Độ bền kéo (MPa)	400 – 600	550 – 800
Giới hạn chảy (độ lệch 0,2%, MPa)	200 – 350	400 – 650
Độ giãn dài (%)	18 – 30	12 – 20
Độ bền va đập (Charpy V, J, RT)	20 – 60 (thay đổi theo độ dày)	30 – 100 (phụ thuộc vào tính khí + HT)
Độ cứng (HB)	~150 – 230	~200 – 300

Diễn giải - Độ bền: T91 rõ ràng là loại thép có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ cao và khả năng chống rão lâu dài, nhờ cấu trúc martensitic và hợp kim vi mô. - Độ dẻo dai và tính dễ uốn: T22 thường có độ dẻo dai cao hơn và dễ biến dạng dẻo hơn; T91 có sự kết hợp mạnh mẽ giữa độ bền và độ dẻo dai phù hợp khi được chuẩn hóa và ram đúng cách nhưng lại kém dẻo hơn. - Ý nghĩa lựa chọn: Đối với ứng dụng áp suất cao, nhiệt độ cao, nơi độ nhớt là yếu tố quan trọng, T91 được ưa chuộng. Đối với nhiệt độ trung bình, nơi chế tạo dễ dàng và chi phí là ưu tiên hàng đầu, T22 vẫn có tính cạnh tranh.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương và khả năng làm cứng; cả hai loại đều cần được chú ý nhưng T91 đòi hỏi khắt khe hơn.

Chỉ số hàn phổ biến: - Tương đương cacbon (loại IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Tham số toàn diện 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 - SA213 T22: Độ cứng tổng thể thấp hơn và hàm lượng cacbon tương đương thấp hơn T91 trong hầu hết các trường hợp. Dễ hàn hơn với kim loại hàn tiêu chuẩn; nên xử lý nhiệt trước và sau hàn (PWHT) cho các mối nối chịu áp lực để giảm ứng suất dư và phục hồi tính chất, nhưng nguy cơ nứt thấp hơn T91. - SA213 T91: Độ cứng cao hơn (do hàm lượng Cr, Mo và hợp kim vi mô cao hơn) dẫn đến nguy cơ hình thành martensite trong vùng HAZ, nứt nguội do hydro hỗ trợ và cấu trúc vi mô giòn cao hơn nếu không được kiểm soát đúng cách. Hàn T91 thường yêu cầu nung nóng sơ bộ nghiêm ngặt, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và hàn PWHT đầy đủ theo yêu cầu của tiêu chuẩn; quy trình hàn đạt tiêu chuẩn và kim loại hàn phù hợp là điều cần thiết. - Lưu ý thực tế: Đối với mối hàn kim loại hỗn hợp (ví dụ, nối T91 với thép hợp kim thấp), cần có quy trình chuyển tiếp đặc biệt và WPS/PQR đủ tiêu chuẩn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SA213 T22 và T91 đều không phải thép không gỉ; cả hai đều dễ bị ăn mòn trong môi trường ẩm ướt và bị oxy hóa ở nhiệt độ cao tùy thuộc vào môi trường sử dụng.
• Chiến lược bảo vệ chung:
• Lớp phủ bảo vệ (sơn), lớp ốp hoặc lớp lót cho môi trường ăn mòn.
• Mạ kẽm nhúng nóng có thể áp dụng cho một số bộ phận chế tạo nhưng không phổ biến đối với các ống chịu nhiệt độ cao.
• Đối với khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, thành phần hợp kim rất quan trọng: hàm lượng Cr cao hơn trong T91 giúp cải thiện khả năng chống đóng cặn trong môi trường hơi nước oxy hóa so với hàm lượng Cr thấp hơn trong T22, nhưng khả năng chống oxy hóa vẫn kém hơn so với các loại thép không gỉ.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép Cr–Mo không phải thép không gỉ, nhưng để tham khảo, công thức dành cho hợp kim thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ — chỉ số này không thực sự áp dụng cho T22 hoặc T91 vì khả năng chống ăn mòn cục bộ và hành vi thụ động đòi hỏi hàm lượng crom và niken cao hơn nhiều.

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

• Khả năng gia công:
• T22 gia công khá tốt trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa; khả năng gia công ở mức trung bình.
• T91, có độ bền và xu hướng làm cứng cao hơn, khó gia công hơn và đòi hỏi dụng cụ chắc chắn, tốc độ cắt thấp hơn và chú ý đến việc tạo nhiệt.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• T22 có đặc tính uốn và tạo hình nguội tốt hơn do có giới hạn chảy thấp hơn và độ dẻo cao hơn.
• T91 ít phù hợp với quá trình tạo hình nguội rộng rãi; quá trình tạo hình thường được thực hiện trong điều kiện được kiểm soát, thường là ấm, sau khi xử lý nhiệt thích hợp.
• Bề mặt hoàn thiện:
• Cả hai đều có thể được hoàn thiện theo dung sai cao, nhưng T91 yêu cầu quy trình chậm hơn, được kiểm soát chặt chẽ hơn để tránh bị cứng hoặc phát sinh khuyết tật.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình của từng loại

SA213 T22 — Công dụng điển hình	SA213 T91 — Công dụng điển hình
Ống nồi hơi và ống quá nhiệt cho hệ thống hơi nước nhiệt độ vừa phải	Ống hơi, ống góp và ống dẫn áp suất cao trong các nhà máy điện yêu cầu độ bền kéo cao
Ống trao đổi nhiệt và các bộ phận gia nhiệt ở phạm vi nhiệt độ trung bình	Các thành phần tiếp xúc với nhiệt độ 500–650°C, nơi mà độ bền lâu dài là rất quan trọng
Ống chịu áp lực chung cần có độ bền vừa phải và khả năng hàn tốt	Các đơn vị cracking hóa dầu, đường ống nhiệt độ cao, đường ống hơi chính của nhà máy điện
Phụ tùng thay thế và đường ống dịch vụ tiết kiệm	Các ứng dụng mà tuổi thọ thiết kế và khả năng chống biến dạng hợp lý với chi phí vật liệu ban đầu cao hơn

Cơ sở lựa chọn - Chọn T22 cho dịch vụ nhiệt độ trung bình, ưu tiên chi phí vật liệu thấp hơn, hàn dễ hơn và khả năng tạo hình cao hơn. - Chọn T91 cho các ứng dụng chịu nhiệt độ cao, ứng suất lớn, yêu cầu hiệu suất kéo dài lâu dài, cường độ chịu kéo cao hơn và độ ổn định tốt hơn ở nhiệt độ cao.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• T91 thường đắt hơn T22 tính theo kilôgam do hàm lượng hợp kim cao hơn (Cr, Mo) và các nguyên tố hợp kim vi mô được thêm vào, và vì T91 thường yêu cầu xử lý nhiệt và kiểm soát chế biến nghiêm ngặt hơn.
• Khả dụng:
• Cả hai loại thép này đều được cung cấp rộng rãi trên các thị trường lớn dưới dạng ống, thanh và ống, nhưng thời gian hoàn thành sản phẩm T91 có thể lâu hơn đối với các kích thước chuyên biệt và điều kiện xử lý nhiệt.
• Hàng tồn kho và nguồn cung tại địa phương có xu hướng tốt hơn đối với T22 vì nó đã được sử dụng lâu đời đối với các bộ phận nồi hơi ở nhiệt độ trung bình.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: Tóm tắt nhanh

Đặc điểm	SA213 T22	SA213 T91
Khả năng hàn	Tốt — quy trình trước/sau hàn dễ dàng hơn	Yêu cầu khắt khe — yêu cầu làm nóng trước và PWHT nghiêm ngặt
Độ bền – Độ dẻo dai (nhiệt độ cao)	Độ bền vừa phải; độ dẻo tốt	Độ bền cao và khả năng chống rão; độ bền được thiết kế
Trị giá	Chi phí vật liệu ban đầu thấp hơn	Chi phí vật liệu và chế biến cao hơn

Kết luận và khuyến nghị - Chọn SA213 T22 nếu: - Nhiệt độ và ứng suất làm việc ở mức vừa phải (thiết kế các lớp vỏ mà T22 đáp ứng được ứng suất cho phép). - Tốc độ chế tạo, dễ hàn, chi phí ban đầu thấp và khả năng định hình là những ưu tiên hàng đầu. - Bạn cần một loại ống có giá thành phải chăng, phổ biến rộng rãi cho bộ trao đổi nhiệt hoặc nồi hơi ở nhiệt độ trung bình, nơi hiện tượng biến dạng dài hạn không phải là yếu tố quyết định đến thiết kế. - Chọn SA213 T91 nếu: - Ứng dụng này đòi hỏi độ bền kéo dài và độ bền giới hạn chảy cao ở nhiệt độ cao (ví dụ: đường ống hơi chính, ống góp, các thành phần hoạt động ở nhiệt độ gần 550–650°C). - Tuổi thọ dài hạn, giảm độ dày để giảm trọng lượng hoặc ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ biện minh cho chi phí vật liệu và gia công cao hơn. - Dự án có thể đáp ứng các quy trình kiểm soát hàn, PWHT và quy trình đủ tiêu chuẩn chặt chẽ hơn.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn vật liệu luôn phải được xác thực bằng các phân tích ứng suất, độ rão và ăn mòn chi tiết, đồng thời được xem xét dựa trên các quy chuẩn hiện hành (ASME, EN, quy định địa phương). Hãy tham khảo ý kiến ​​của các nhà cung cấp vật liệu và kỹ sư hàn sớm để xác định quy trình xử lý nhiệt, quy trình hàn và tiêu chí kiểm tra phù hợp với điều kiện vận hành và vòng đời dự kiến.