SA387 11CL2 so với 22CL2 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SA-387 (còn được gọi là ASTM A387) là một họ thép hợp kim thấp crom-molypden dùng cho các chi tiết chịu áp suất trong môi trường nhiệt độ cao. Các kỹ sư và nhóm mua sắm thường cân nhắc sự đánh đổi giữa hai thành phần thường được chỉ định: 11CL2 (thường được gọi là loại P11) và 22CL2 (thường được gọi là loại P22). Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn hàm lượng hợp kim tối thiểu để đạt được độ bền rão chấp nhận được ở nhiệt độ, cân bằng giữa khả năng hàn và nhu cầu xử lý nhiệt sau hàn, hoặc tối ưu hóa chi phí mua sắm so với hiệu suất vòng đời.

Sự khác biệt thực tế chủ yếu giữa các loại thép này nằm ở hàm lượng hợp kim tập trung vào độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão: thành phần crom cao hơn, molypden cao hơn của loại thép 22CL2 mang lại độ bền và khả năng chống rão tốt hơn ở nhiệt độ cao, trong khi 11CL2 có hàm lượng hợp kim thấp hơn, giúp cải thiện khả năng hàn và giảm chi phí vật liệu. Vì cả hai đều được thiết kế cho các ứng dụng áp suất nhiệt độ cao, chúng thường được so sánh khi các nhà thiết kế lựa chọn vật liệu cho nồi hơi, bộ trao đổi nhiệt, đường ống và bình chịu áp suất hoạt động trong cùng dải nhiệt độ.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính:
• ASTM/ASME: SA‑387 / A387 (Cấp 11, 22; Cấp 1, 2, v.v.)
• EN: Các định danh tương đương thường rơi vào hạng P (ví dụ: P11/P22) hoặc hạng EN 10222/10028 tùy thuộc vào dạng sản phẩm.
• JIS/GB: Các tiêu chuẩn quốc gia có thể chỉ định các loại thép Cr-Mo tương đương với các mã cấp khác nhau.
• Loại vật liệu:
• Cả SA387 11CL2 và 22CL2 đều là thép hợp kim thấp crom-molypden, dùng cho ứng dụng nhiệt độ cao. Chúng không phải là thép không gỉ và không phải là HSLA theo nghĩa là thép kết cấu cường độ cao hợp kim vi mô; chúng là hợp kim bình chịu áp suất chịu nhiệt với việc bổ sung Cr và Mo có chủ đích.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi điển hình (% khối lượng) tiêu biểu gặp phải trong các thông số kỹ thuật SA-387/A387 Cấp 11, Loại 2 và Cấp 22, Loại 2 hoặc thông lệ nhà máy thông thường. Thành phần hóa học chính xác theo hợp đồng luôn phải được lấy từ giấy chứng nhận nhà máy hoặc phiên bản tiêu chuẩn hiện hành.

Yếu tố	11CL2 (khối lượng đại diện%)	22CL2 (khối lượng đại diện%)
C	0,06 – 0,15	0,05 – 0,15
Mn	0,30 – 0,60	0,30 – 0,60
Si	0,08 – 0,35	0,08 – 0,35
P (tối đa)	≤ 0,025	≤ 0,025
S (tối đa)	≤ 0,025	≤ 0,025
Cr	0,90 – 1,35	2,00 – 2,60
Ni (tối đa)	≤ 0,40	≤ 0,40
Mo	0,44 – 0,65	0,80 – 1,15
V	thường thấp / dấu vết	thường thấp / dấu vết
Nb, Ti, B, N	theo dõi / kiểm soát	theo dõi / kiểm soát

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom (Cr) làm tăng khả năng chống oxy hóa và độ bền ở nhiệt độ cao, đồng thời góp phần làm cứng. - Molypden (Mo) làm tăng độ bền kéo và ổn định cacbua ở nhiệt độ cao; Mo cũng thúc đẩy khả năng làm cứng. - Carbon làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu quá nhiều; cả hai loại đều duy trì hàm lượng carbon thấp để cân bằng độ dẻo dai và khả năng hàn ở nhiệt độ phòng. - Mangan và silic là chất khử oxy và góp phần tăng độ bền. - Các nguyên tố hợp kim vi lượng (V, Nb, Ti) khi có mặt với lượng nhỏ sẽ ảnh hưởng đến việc kiểm soát kích thước hạt và tăng cường kết tủa, nhưng cấp SA‑387 chủ yếu được tăng cường bằng hóa học Cr/Mo và xử lý nhiệt.

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

Quá trình xử lý và cấu trúc vi mô điển hình: - Khi cán hoặc chuẩn hóa và ram, cả hai loại đều phát triển cấu trúc vi mô bainit/martensit ram tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và hàm lượng hợp kim. - 11CL2 (Cr/Mo thấp hơn): có xu hướng biến đổi ở nhiệt độ cao hơn và hiển thị các cacbua thô hơn một chút sau khi ram so với 22CL2; cấu trúc vi mô đủ để phục vụ cho ứng dụng rão vừa phải. - 22CL2 (Cr/Mo cao hơn): có khả năng tôi cứng cao hơn và tạo thành lớp cacbua tôi mịn hơn, có hiệu quả hơn trong việc chống lại sự rão và làm mềm ở nhiệt độ cao.

Ảnh hưởng của xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa và ram (con đường thông thường): tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra hỗn hợp martensite/bainite ram có độ dẻo dai và độ bền được cải thiện. - Làm nguội và ram: có thể được sử dụng cho các yêu cầu về độ bền cao hơn, nhưng cả hai cấp độ này thường được sử dụng ở điều kiện chuẩn hóa/ram để phục vụ cho bình chịu áp suất. - Xử lý nhiệt cơ học (cán có kiểm soát): có thể cải thiện độ bền kéo và độ dẻo dai bằng cách tinh chế hạt và kiểm soát lượng mưa; hiệu quả hơn ở 22CL2 do hợp kim nhưng yêu cầu kiểm soát quy trình chặt chẽ. - Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT): cần thiết cho nhiều ứng dụng chịu áp suất để làm nguội vùng chịu nhiệt và khôi phục độ dẻo dai; lịch trình PWHT phụ thuộc vào độ dày, quy định thiết kế và hàm lượng hợp kim.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp so sánh định tính về các đặc tính hiệu suất cơ học phổ biến trong điều kiện xử lý nhiệt tiêu chuẩn (thường hóa và ram). Giá trị tuyệt đối phụ thuộc vào độ dày, thành phần hóa học chính xác và xử lý nhiệt; tham khảo chứng chỉ vật liệu và quy chuẩn thiết kế để biết các con số tối thiểu được đảm bảo.

Tài sản	11CL2	22CL2
Độ bền kéo (hành vi điển hình)	Vừa phải	Cao hơn (cải thiện ở mức T cao)
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Cao hơn một chút (độ dẻo ở nhiệt độ phòng tốt hơn)	Thấp hơn một chút (đánh đổi để có sức mạnh)
Độ bền va đập (nhiệt độ phòng, tôi luyện)	Tốt, tùy thuộc vào xử lý nhiệt	Tốt, có thể so sánh được nếu được xử lý đúng cách nhưng cần kiểm soát
Độ cứng (đã tôi luyện)	Vừa phải	Cao hơn trong điều kiện xử lý nhiệt tương tự

Tại sao những khác biệt này xảy ra: - Hàm lượng Cr và Mo cao hơn trong 22CL2 làm tăng khả năng tôi cứng và kết tủa của các cacbua ổn định, duy trì độ bền ở nhiệt độ cao. Điều này làm tăng độ bền kéo và độ bền chảy, đặc biệt là ở chế độ rão, với cái giá phải trả là độ dẻo giảm nhẹ trừ khi quá trình ram và xử lý nhiệt được tối ưu hóa. - Hàm lượng hợp kim thấp hơn của 11CL2 dẫn đến khả năng hàn tốt hơn một chút và độ giãn dài đo được thường cao hơn ở nhiệt độ phòng.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố chính về khả năng hàn: - Lượng cacbon tương đương và khả năng làm cứng quyết định khả năng nứt nguội và nhu cầu gia nhiệt trước và PWHT. - Hàm lượng hợp kim (Cr, Mo) làm tăng khả năng tôi luyện; do đó 22CL2 thường yêu cầu quy trình nung nóng sơ bộ và PWHT bảo thủ hơn so với 11CL2 để có độ dày tương đương.

Các công thức thực nghiệm hữu ích (diễn giải theo định tính; không cung cấp phép tính số): - Viện Hàn Quốc tế tương đương Carbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Dearden & O'Neill hoặc Pcm (thể hiện khả năng nứt mối hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - 22CL2 thường tạo ra $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao hơn 11CL2 do hàm lượng Cr và Mo cao hơn, ngụ ý các biện pháp kiểm soát hàn nghiêm ngặt hơn (làm nóng trước, nhiệt độ giữa các đường hàn, PWHT). - Cả hai loại đều có thể hàn được bằng các quy trình phù hợp; thông lệ chung là áp dụng phương pháp gia nhiệt trước và PWHT bắt buộc theo Quy định về nồi hơi và bình chịu áp suất của ASME đối với các bộ phận chịu áp suất, với nhiệt độ và thời gian PWHT được lựa chọn để giảm ứng suất do hydro gây ra và ứng suất dư cũng như để làm dịu vùng HAZ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả hai loại đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều dễ bị ăn mòn tổng thể và ăn mòn cục bộ trong môi trường khắc nghiệt.
• Các phương pháp bảo vệ bề mặt phổ biến bao gồm: sơn, lót epoxy, phủ polymer và mạ kẽm (tùy thuộc vào nhiệt độ thiết kế và ứng dụng). Về khả năng chống oxy hóa/bám cặn ở nhiệt độ cao, hàm lượng Cr trong 22CL2 có khả năng chống bám cặn tốt hơn so với 11CL2, nhưng cả hai đều không thể thay thế thép không gỉ trong ứng dụng ăn mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, tuy nhiên để đảm bảo tính đầy đủ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Sử dụng hợp kim chống ăn mòn hoặc lớp ốp/lót khi có sự tấn công hóa học hoặc nguy cơ ăn mòn cục bộ cao; đối với nhiều ứng dụng nồi hơi và hơi nước, mối lo ngại về ăn mòn được giải quyết bằng cách kiểm soát hóa chất nước thay vì dựa vào khả năng chống ăn mòn của kim loại cơ bản.

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

• Khả năng gia công: cả hai loại đều dễ dàng gia công trong điều kiện chuẩn hóa/rau tôi. Hàm lượng hợp kim thấp hơn một chút của 11CL2 có thể mang lại khả năng gia công dễ dàng hơn một chút; 22CL2 có thể yêu cầu thay đổi dụng cụ thường xuyên hơn khi gia công ở cùng độ cứng.
• Khả năng định hình/uốn: cả hai đều có thể được định hình khi được cung cấp ở điều kiện chuẩn hóa; bán kính uốn tối thiểu và nhiệt độ định hình phải tuân theo các thông lệ tiêu chuẩn cho thép Cr-Mo đã ram. Độ cứng cao hơn trong 22CL2 có thể làm tăng nguy cơ nứt trong quá trình định hình nguội các tiết diện dày hơn.
• Hoàn thiện bề mặt: cả hai đều chấp nhận các phương pháp hoàn thiện thông thường (mài, phun bi, phủ). Xử lý nhiệt sau khi tạo hình hoặc hàn thường được yêu cầu để đáp ứng các yêu cầu về độ bền và ứng suất.

8. Ứng dụng điển hình

11CL2 (SA387 Lớp 11 CL2)	22CL2 (SA387 Cấp 22 CL2)
Các thành phần lò hơi và lò nung hoạt động ở nhiệt độ cao vừa phải, trong đó chi phí và khả năng hàn là ưu tiên hàng đầu	Các thành phần nhiệt độ cao (bộ siêu nhiệt, bộ gia nhiệt lại, đầu dày) yêu cầu độ bền kéo dài vượt trội và độ ổn định ở nhiệt độ cao trong thời gian dài
Vỏ bình chịu áp suất và đường ống có nhiệt độ thiết kế thấp hơn trong phạm vi dịch vụ	Các bộ phận chịu áp suất cho các phần nặng hơn và dịch vụ nhiệt độ cao hơn trong các nhà máy điện và đơn vị hóa dầu
Ống và phụ kiện tiết kiệm khi PWHT và độ bền vừa phải là đủ	Các cuộn dây nhiệt độ cao quan trọng, các bộ phận có thành dày và các bộ phận chịu ứng suất kéo dài cao hơn ở nhiệt độ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 11CL2 khi nhiệt độ và ứng suất vận hành nằm trong phạm vi thiết kế an toàn và khi muốn giảm thiểu chi phí hợp kim cũng như dễ dàng chế tạo/hàn. - Chọn 22CL2 khi nhu cầu dịch vụ dự kiến ​​(nhiệt độ cao hơn, ứng suất duy trì cao hơn, tiết diện dày hơn) đòi hỏi khả năng chống rão tốt hơn và độ bền ở nhiệt độ cao.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: 22CL2 thường có chi phí vật liệu cao hơn 11CL2 do hàm lượng Cr và Mo cao hơn. Độ chênh lệch thay đổi theo giá thị trường của các nguyên tố hợp kim.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được sản xuất rộng rãi dưới dạng tấm và rèn cho thiết bị chịu áp lực; tính khả dụng theo dạng sản phẩm (tấm, rèn, ống) và thời gian giao hàng phụ thuộc vào lịch trình của nhà máy và nhu cầu của từng khu vực. 11CL2 thường có sẵn ở nhiều kích cỡ khác nhau do được sử dụng rộng rãi hơn trong các ứng dụng nhạy cảm về chi phí.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	11CL2	22CL2
Khả năng hàn	Tốt hơn (độ cứng thấp hơn)	Yêu cầu khắt khe hơn (Cr/Mo cao hơn)
Cân bằng sức mạnh – độ dẻo dai	Độ bền vừa phải; độ dẻo tốt	Độ bền ở nhiệt độ cao hơn; độ dẻo dai tốt nếu được xử lý nhiệt
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Kết luận và khuyến nghị thực tế: - Chọn 11CL2 nếu bạn cần thép chịu áp Cr-Mo tiết kiệm chi phí cho ứng dụng ở nhiệt độ cao vừa phải, trong đó hàn dễ hơn và chi phí hợp kim thấp hơn là ưu tiên hàng đầu, và khi ứng suất thiết kế và nhiệt độ nằm trong giới hạn cho phép đối với vật liệu Cấp 11. - Chọn 22CL2 nếu ứng dụng yêu cầu khả năng chống rão tốt hơn và độ bền cao hơn ở nhiệt độ cao (hoặc các phần dày hơn cần độ cứng) và bạn có thể áp dụng các quy trình hàn nghiêm ngặt hơn và chi phí vật liệu cao hơn.

Ghi chú cuối cùng: - Luôn kiểm tra thành phần hóa học chính xác và các tính chất cơ học được đảm bảo trên giấy chứng nhận của nhà máy đối với lô hàng đang mua. - Tuân thủ các quy chuẩn thiết kế hiện hành (ASME Mục II/Code Case, ASME BPVC, tiêu chuẩn EN) về ứng suất cho phép, PWHT yêu cầu và thử nghiệm. Việc lựa chọn nên được cân nhắc dựa trên nhiệt độ vận hành, áp suất, tuổi thọ dự kiến, thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS/PQR) và kế hoạch kiểm tra trong quá trình vận hành.