SA387 Gr11 so với Gr22 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SA387 Cấp 11 và Cấp 22 là hai loại thép bình chịu áp lực crom-molypden (Cr-Mo) có mối quan hệ chặt chẽ, được chỉ định rộng rãi cho ứng dụng nhiệt độ cao trong nồi hơi, bình chịu áp lực và thiết bị hóa dầu. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà chế tạo thường cân nhắc giữa chi phí vật liệu, khả năng hàn, độ bền và độ bền ở nhiệt độ cao khi lựa chọn giữa các cấp này. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm đường ống và các bộ phận bình chịu áp lực tiếp xúc với nhiệt độ hơi nước cao, bộ trao đổi nhiệt và các bộ phận đòi hỏi khả năng chống rão nhiệt và độ tôi.

Sự khác biệt chính giữa hai loại thép này là hàm lượng hợp kim crom và molypden: Thép loại 11 là biến thể có hàm lượng Cr/Mo thấp hơn, dùng cho nhiệt độ cao vừa phải, trong khi thép loại 22 chứa hàm lượng Cr và Mo cao hơn để mang lại độ bền và khả năng chống rão tốt hơn ở nhiệt độ cao. Do đó, Gr22 được chỉ định khi cần độ bền và khả năng tôi luyện lâu dài cao hơn; Gr11 được lựa chọn khi ưu tiên chi phí thấp hơn một chút và dễ hàn hơn, đồng thời vẫn mang lại các đặc tính tốt ở nhiệt độ cao.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và chỉ định chính:
• ASTM/ASME: SA387 (tấm) — Cấp 11 (thường viết tắt là Gr11) và Cấp 22 (Gr22). Thông số kỹ thuật đường ống liên quan: ASTM A335/ASME SA335 P11 và P22 (ống).
• EN: Có các hợp kim tương đương trong các tiêu chuẩn EN dành cho thép hợp kim dùng cho thiết bị chịu áp suất (việc lựa chọn cần tham chiếu chéo vì phép so sánh trực tiếp một-một không chính xác).
• JIS / GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc có các họ 1,25Cr–0,5Mo và 2,25Cr–1Mo tương tự nhau, nhưng hãy kiểm tra các chỉ định quốc gia để biết tính tương đương.
• Phân loại: Cả SA387 Gr11 và Gr22 đều là thép hợp kim (thép ferritic Cr–Mo) được sử dụng cho môi trường nhiệt độ cao; chúng không phải là thép không gỉ, thép cacbon hay HSLA theo nghĩa hiện đại.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây liệt kê các dải thành phần điển hình thường được sử dụng cho SA387 Gr11 và Gr22. Đây là các dải tiêu biểu từ thực tiễn công nghiệp và tham chiếu chéo tiêu chuẩn; luôn kiểm tra giá trị chính xác bằng chứng nhận thử nghiệm nhà máy.

Yếu tố	Phạm vi điển hình — Gr11 (xấp xỉ)	Phạm vi điển hình — Gr22 (xấp xỉ)
C	0,08 – 0,15% khối lượng	0,08 – 0,15% khối lượng
Mn	0,30 – 0,70% khối lượng	0,30 – 0,70% khối lượng
Si	0,10 – 0,50% khối lượng	0,10 – 0,50% khối lượng
P (tối đa)	≤ 0,035% khối lượng	≤ 0,035% khối lượng
S (tối đa)	≤ 0,035% khối lượng	≤ 0,035% khối lượng
Cr	~1,0 – 1,4 wt% (danh nghĩa ~1,25%)	~2,0 – 2,5 wt% (danh nghĩa ~2,25%)
Mo	~0,40 – 0,65 wt% (danh nghĩa ~0,50%)	~0,85 – 1,15 wt% (danh nghĩa ~1,00%)
V, Nb, Ti, B	Thông thường chỉ xuất hiện dưới dạng hợp kim vi mô còn sót lại/vết tích (≤0,05 wt% mỗi loại)	Thông thường chỉ xuất hiện dưới dạng hợp kim vi mô còn sót lại/vết tích (≤0,05 wt% mỗi loại)
N	Dấu vết	Dấu vết

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Crom làm tăng khả năng làm cứng, độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa; hàm lượng Cr cao hơn trong Gr22 mang lại độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống biến dạng tốt hơn so với Gr11. - Molypden góp phần tăng cường độ bền và khả năng làm cứng; hàm lượng Mo cao hơn trong Gr22 làm tăng hiệu ứng này. - Cacbon, mangan và silic tạo nên độ bền và khả năng làm cứng; cacbon làm tăng độ bền nhưng có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu quá nhiều. - Hợp kim vi mô nhỏ (V, Nb, Ti) làm mịn kích thước hạt và có thể cải thiện độ bền kéo khi được thực hiện một cách cố ý, nhưng các tấm SA387 thông thường thường dựa vào sự cân bằng Cr–Mo hơn là hợp kim vi mô lớn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Ở điều kiện thường hóa và ram (hoặc tôi và ram), cả hai loại đều là nền ferritic với thành phần martensite hoặc bainit ram tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và hàm lượng hợp kim. Gr11, có độ cứng thấp hơn, có xu hướng tạo thành martensite/bainit ram mịn hơn với quá trình xử lý nhiệt thích hợp; Gr22, có hàm lượng hợp kim cao hơn, đạt độ cứng cao hơn và giữ được cấu trúc vi mô dễ tôi hơn sau khi làm nguội tương tự.

Các phương pháp xử lý nhiệt và tác dụng: - Chuẩn hóa: Tinh chỉnh kích thước hạt và đồng nhất cấu trúc vi mô; cả hai loại đều được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa để cải thiện độ dẻo dai trước khi ram. - Làm nguội & ram (Q&T): Đối với các tấm SA387 có độ bền cao, quy trình làm nguội & ram giúp tăng giới hạn chảy và độ bền kéo; ram giúp giảm ứng suất dư và cải thiện độ dai. Gr22 đạt được độ bền ram cao hơn ở nhiệt độ ram tương đương do hàm lượng Cr–Mo cao hơn. - Xử lý nhiệt cơ học: Cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tinh chỉnh thêm kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai; hiệu ứng về mặt khái niệm là tương tự nhau đối với cả hai loại nhưng khả năng làm cứng cao hơn của Gr22 khiến việc kiểm soát cấu trúc vi mô nhạy cảm hơn với tốc độ làm nguội.

Ghi chú thực tế: - Việc lựa chọn nhiệt độ ram rất quan trọng để cân bằng độ bền và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao. Ram quá mức sẽ làm giảm độ bền; ram chưa đủ có thể khiến martensite giòn. Gr22 thường cần được ram cẩn thận để đạt được cả mục tiêu về độ dẻo dai và độ rão.

4. Tính chất cơ học

Hiệu suất cơ học phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt, độ dày và nhiệt độ thử nghiệm. Bảng sau đây cung cấp các so sánh định tính và hành vi định hướng điển hình thay vì các giá trị được đảm bảo chính xác; thông số kỹ thuật của dự án và chứng chỉ nhà máy chi phối giá trị hợp đồng.

Tài sản	SA387 Gr11 (hướng)	SA387 Gr22 (hướng)
Độ bền kéo	Trung bình; phù hợp với nhiệt độ cao vừa phải	Cao hơn; cường độ kéo được cải thiện do hàm lượng Cr–Mo cao hơn
Sức chịu lực	Vừa phải	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Thông thường cao hơn một chút (dẻo hơn)	Thấp hơn một chút so với Gr11 ở nhiệt độ tương đương
Độ bền va đập (RT và T thấp)	Tốt khi được chuẩn hóa/rau củ; độ dẻo dai dễ đạt được hơn do khả năng làm cứng thấp hơn	Tốt khi được xử lý nhiệt đúng cách, nhưng nhạy cảm hơn với nhiệt lượng đầu vào và tốc độ làm mát
Độ cứng (HRC/Brinell)	Vừa phải	Độ cứng tiềm năng cao hơn sau khi tôi/rau

Tại sao những khác biệt này xảy ra: - Hàm lượng Cr và Mo cao hơn trong Gr22 làm tăng khả năng tôi cứng và phản ứng tôi cứng, tạo ra độ bền và độ cứng cao hơn. Tuy nhiên, khả năng tôi cứng tăng có xu hướng làm giảm độ dẻo và có thể khiến việc đạt được độ dai đồng đều trở nên khó khăn hơn, đặc biệt là ở các mặt cắt dày hoặc xử lý nhiệt không đúng cách.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn bao gồm hàm lượng cacbon, khả năng tôi cứng và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim thúc đẩy sự hình thành martensite trong vùng chịu nhiệt (HAZ).

Các khái niệm chính và công thức dự đoán: - Sử dụng công thức tương đương cacbon để ước tính nhu cầu gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). Công thức tương đương cacbon thường được sử dụng là: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Một tham số bảo thủ hơn đối với thép kết cấu là tham số khả năng hàn $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính cho SA387: - Gr22 có hàm lượng Cr và Mo cao hơn, làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ so với Gr11. Điều này có nghĩa là Gr22 dễ bị cứng hóa vùng HAZ và có khả năng nứt nguội hơn nếu hàn mà không có biện pháp phòng ngừa thích hợp. - Ý nghĩa thực tiễn: - Thông thường cần phải gia nhiệt trước cho cả hai loại thép có tiết diện dày hơn hoặc nhiệt độ môi trường thấp, nhưng Gr22 thường cần gia nhiệt trước nhiều hơn và kiểm soát chặt chẽ hơn. - PWHT (rau khử ứng suất) thường được yêu cầu đối với thép Cr–Mo được sử dụng ở nhiệt độ cao để ram vùng HAZ và khôi phục khả năng chống rão; nhiệt độ PWHT và thời gian giữ thường được xác định theo quy định (ví dụ: ASME) và các yêu cầu về dịch vụ. - Sử dụng vật liệu hàn có hàm lượng hydro thấp và quy trình đạt chuẩn; kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và nhiệt lượng đầu vào để tránh độ cứng HAZ quá mức.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Gr11 và Gr22 đều là thép hợp kim không gỉ và do đó cần được bảo vệ bề mặt để chống lại môi trường ăn mòn trong khí quyển, hóa chất hoặc biển.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Hệ thống sơn/lớp phủ (epoxy, polyurethane, trương nở để chống cháy).
• Mạ kẽm nhúng nóng có thể áp dụng cho một số dạng sản phẩm nhưng có thể không tương thích với các yêu cầu về dịch vụ nhiệt độ cao hoặc PWHT bắt buộc theo quy định.
• Bảo vệ catốt nếu sử dụng trong môi trường chôn ngầm hoặc môi trường biển.
• Chỉ số thép không gỉ: PREN không áp dụng cho thép hợp kim ferritic Cr–Mo vì PREN áp dụng cho khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ austenit: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Làm rõ: Mặc dù Gr22 có hàm lượng Cr và Mo cao hơn Gr11, nhưng hàm lượng Cr tuyệt đối (~2–2,25%) vẫn thấp hơn nhiều so với hàm lượng thép không gỉ; hàm lượng Cr cải thiện khả năng chống oxy hóa và chống biến dạng ở nhiệt độ cao nhưng không mang lại khả năng chống ăn mòn tổng thể đáng kể so với thép không gỉ.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều có khả năng gia công tương tự như các loại thép hợp kim trung bình khác; Gr22 có thể cứng hơn một chút và khó gia công hơn nếu được tôi luyện ở nhiệt độ cao hơn. Các thông số về dụng cụ và cắt nên được điều chỉnh dựa trên độ cứng.
• Khả năng tạo hình/uốn cong: Độ dẻo đủ để tạo hình trong điều kiện thường hóa/rau tôi; Gr11 có xu hướng dễ uốn hơn do độ dẻo cao hơn một chút. Đối với tạo hình nguội, hãy kiểm tra độ cứng và ram; có thể cần tạo hình nóng cho các hình dạng phức tạp.
• Hoàn thiện bề mặt: Các thao tác mài và hoàn thiện khá đơn giản nhưng cần thận trọng khi tạo nhiệt để tránh làm nguội hoặc làm cứng bề mặt.
• Xử lý nhiệt sau khi chế tạo: Các thành phần được hàn hoặc gia công nguội nhiều thường yêu cầu PWHT để đáp ứng các yêu cầu về cơ học và độ bền khi sử dụng ở nhiệt độ cao.

8. Ứng dụng điển hình

SA387 Lớp 11 (Lớp 11)	SA387 Lớp 22 (Gr22)
Ống góp nồi hơi, trống và đường ống hoạt động ở nhiệt độ cao vừa phải, trong đó chi phí và khả năng hàn là những yếu tố cần cân nhắc	Đường ống nhiệt độ cao, chẳng hạn như ống siêu nhiệt và ống gia nhiệt lại, và bình chịu áp suất yêu cầu độ bền lâu dài và khả năng chống biến dạng cao hơn
Bộ trao đổi nhiệt và các bộ phận chịu áp suất nơi nhiệt độ hơi nước được mong đợi ở mức vừa phải	Các thành phần trong nhà máy hóa dầu và điện hoạt động ở nhiệt độ hơi nước hoặc áp suất cao hơn, nơi cần tăng cường độ bền kéo
Mặt bích, phụ kiện và tấm có lợi thế là dễ hàn và hàm lượng hợp kim thấp hơn	Các phần dày hoặc các thành phần có ứng suất cao hơn trong đó khả năng làm cứng và các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao là rất quan trọng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Gr11 khi nhiệt độ thiết kế và độ bền kéo/đứt gãy yêu cầu nằm trong khả năng của Gr11, khi việc hàn dễ dàng và kiểm soát chi phí là quan trọng và khi hiệu suất ở nhiệt độ cao vừa phải là đủ. - Chọn Gr22 khi độ bền nhiệt độ cao lâu dài, khả năng chống biến dạng và ứng suất cho phép cao hơn ở nhiệt độ biện minh cho chi phí hợp kim cao hơn và kiểm soát chế tạo chặt chẽ hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Gr22 thường đắt hơn Gr11 do hàm lượng Cr và Mo cao hơn (Mo là nguyên tố hợp kim đắt tiền). Mức chênh lệch giá phụ thuộc vào giá Mo và Cr trên thị trường và hình dạng (tấm, ống, rèn).
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này thường được sản xuất bằng máy cán tấm và máy cán ống; Gr22 có thể ít sẵn có hơn ở một số kích thước sản phẩm và dạng đặc biệt, nhưng cả hai đều là loại hợp kim tiêu chuẩn với nguồn cung ứng công nghiệp rộng rãi. Bộ phận mua sắm nên xác nhận thời gian giao hàng và kiểm tra chứng nhận nhà máy về xử lý nhiệt và kết quả thử nghiệm cơ học.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Tiêu chí	SA387 Gr11	SA387 Gr22
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Yêu cầu cao hơn (CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tốt; dễ đạt được độ dẻo dai hơn	Độ bền cao hơn; độ dẻo dai có thể đạt được bằng HT được kiểm soát
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn SA387 Gr11 nếu bạn cần hợp kim Cr–Mo tiết kiệm chi phí cho ứng dụng ở nhiệt độ cao vừa phải, thích hàn và chế tạo dễ dàng hơn và nhiệt độ thiết kế cũng như yêu cầu về độ rão của bạn nằm trong khả năng của Gr11. - Chọn SA387 Gr22 nếu ứng dụng yêu cầu độ bền kéo và độ bền rão cao hơn trong thời gian dài ở nhiệt độ cao, khả năng làm cứng cao hơn đối với các phần dày hoặc nếu quy định/giới hạn nhiệt độ chỉ định hàm lượng hợp kim cao hơn mặc dù chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn.

Lời khuyên thực tế cuối cùng: - Luôn luôn chỉ rõ điều kiện xử lý nhiệt chính xác cần thiết, các thông số PWHT và tiêu chí chấp nhận (thử nghiệm cơ học, năng lượng va đập ở nhiệt độ yêu cầu) trong các tài liệu mua hàng. - Yêu cầu báo cáo thử nghiệm tại nhà máy và đảm bảo các quy trình hàn (làm nóng trước, hàn xen kẽ, vật tư tiêu hao, PWHT) đủ tiêu chuẩn cho cấp độ và độ dày đã chọn để đạt được hiệu suất sử dụng mong muốn.