SA516 Gr60 so với Q345R – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép SA516 (họ ASTM A516/A542) Cấp 60 và thép Q345R Trung Quốc là hai loại thép thường được sử dụng cho bình chịu áp lực và kết cấu mà các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường xuyên so sánh với nhau. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường tập trung vào việc cân bằng giữa độ bền và chi phí (giới hạn chảy cao hơn cho kết cấu nhẹ hơn) với độ bền gãy và tuân thủ quy chuẩn (hành vi vật liệu trong môi trường chịu áp suất, nhiệt độ thấp hoặc môi trường tuần hoàn). Các quyết định thường được đưa ra dựa trên mức giới hạn chảy/kéo yêu cầu, hiệu suất va đập Charpy yêu cầu, các hạn chế về mối hàn và khả năng cung cấp theo khu vực.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này nằm ở mục đích thiết kế và cấp độ bền danh nghĩa: Q345R được chỉ định là thép kết cấu/bình chịu áp lực hợp kim thấp, có giới hạn chảy cao hơn (giới hạn chảy danh nghĩa cao hơn), trong khi SA516 Gr60 là thép cacbon bình chịu áp lực được thiết kế để mang lại sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp, phù hợp với nhiều ứng dụng nồi hơi và áp suất. Do đó, chúng xuất hiện cùng nhau trong sự cân bằng giữa độ bền trên độ dày và độ dẻo dai/khả năng hàn/khả năng lắp ráp theo thông số kỹ thuật.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• SA516 Cấp 60: Theo tiêu chuẩn ASTM A516/A516M (thường được tham chiếu trong ASME Phần II cho tấm nồi hơi và bình chịu áp lực). Đây là tấm thép cacbon được sản xuất để sử dụng trong bình chịu áp lực ở nhiệt độ từ trung bình đến cao. Được phân loại là thép cacbon cho bình chịu áp lực (không phải thép không gỉ, không phải dụng cụ).
• Q345R: Được định nghĩa trong tiêu chuẩn Trung Quốc GB/T 713 (tấm thép bình chịu áp lực và nồi hơi) là thép kết cấu/bình chịu áp lực hợp kim thấp. Q345 biểu thị giới hạn chảy danh nghĩa tối thiểu là 345 MPa; hậu tố "R" cho biết tấm thép này được thiết kế để sử dụng cho bình chịu áp lực. Được phân loại là thép bình chịu áp lực hợp kim thấp/HSLA.

Các tiêu chuẩn liên quan khác (theo ngữ cảnh, để tham chiếu chéo và tương đương): - EN: Dòng EN 10028 bao gồm thép chế tạo bình chịu áp suất (ví dụ: P265GH, P355GH), có vai trò tương tự trong thực tiễn ở Châu Âu. - JIS: JIS G3115 và các tiêu chuẩn liên quan về thép chế tạo bình chịu áp lực. - GB: Tiêu chuẩn quốc gia trực tiếp của Trung Quốc GB/T 713 cho Q345R.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây thể hiện phạm vi thành phần đại diện cho từng cấp. Đây chỉ là giới hạn tham khảo, không phải giới hạn chuẩn mực — hãy luôn tham khảo tiêu chuẩn kiểm soát hoặc chứng chỉ nhà máy để mua sắm hoặc thiết kế.

Nguyên tố (wt%)	SA516 Gr60 (đại diện)	Q345R (đại diện)
C	~0,20–0,28 (thấp đến trung bình)	≤ ~0,18–0,22 (thấp được kiểm soát)
Mn	~0,60–1,10	~0,80–1,60
Si	~0,10–0,35	~0,15–0,50
P	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
S	≤ 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
Cr	dấu vết–nhỏ (thường ≤0,30)	dấu vết–nhỏ (≤0,30)
Ni	dấu vết (thường ≤0,30)	dấu vết (thường ≤0,30)
Mo	thường là ≤0,08	thường là ≤0,08
V, Nb, Ti	thường không có hoặc hợp kim hóa vi mô trong một số lần nung	có thể chứa hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) trong một số lô
B, N	mức ppm nếu được kiểm soát	mức ppm nếu được kiểm soát

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Carbon (C) làm tăng độ bền và khả năng tôi luyện nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu hợp kim hóa quá mức. Cả hai loại đều giữ C ở mức vừa phải để cân bằng. - Mangan (Mn) làm tăng khả năng tôi luyện và độ bền; Q345R thường có hàm lượng Mn cao hơn để đạt được mục tiêu về hiệu suất cao hơn. - Silic (Si) là chất khử oxy và có thể làm tăng nhẹ độ bền. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) được sử dụng trong các biến thể Q345R để tăng năng suất mà không làm giảm độ dẻo dai thông qua quá trình tinh chế hạt và tăng cường kết tủa. - Crom, niken và molypden, nếu có hàm lượng nhỏ, sẽ làm tăng khả năng tôi cứng và độ bền ở nhiệt độ cao.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - SA516 Gr60: Thường được sản xuất dưới dạng tấm cán hoặc chuẩn hóa, tạo ra nền ferit-perlit với kích thước hạt được kiểm soát. Cấu trúc vi mô nhấn mạnh độ dẻo dai tốt (ferit tinh luyện và perlit phân bố đều). Thông thường không được cung cấp ở dạng tôi và ram. - Q345R: Được sản xuất bằng phương pháp cán có kiểm soát và, trong nhiều trường hợp, bằng phương pháp hợp kim hóa vi mô và gia công cơ nhiệt (TMCP) để tạo ra các cấu trúc vi mô ferritic hoặc bainit-ferritic mịn tùy thuộc vào tốc độ làm nguội. Điều này mang lại giới hạn chảy cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai tốt.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Cả hai loại thép đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa (nung nóng sau đó làm nguội bằng không khí) bằng cách tinh chỉnh hạt và cải thiện độ dẻo dai, nhưng lộ trình TMCP của Q345R thường tránh được quá trình chuẩn hóa riêng biệt. - Tôi và ram: Không phải là đặc trưng của cả hai loại thép này trong dạng cung cấp tiêu chuẩn; tôi và ram có thể tăng cường độ đáng kể nhưng sẽ làm thay đổi độ dai và cần xử lý nhiệt sau khi hàn. SA516 thường được sử dụng ở trạng thái cán hoặc chuẩn hóa cho bình chịu áp lực. - Cán nhiệt cơ học (TMCP): Thông thường đối với Q345R (và các loại thép HSLA khác) để đạt được độ dẻo dai cao với độ bền tốt; điều này mang lại cấu trúc vi mô tinh tế và độ dẻo dai cao hơn ở cùng độ dày.

4. Tính chất cơ học

Hành vi cơ học tiêu biểu (phạm vi chỉ định; xác minh bằng chứng chỉ thử nghiệm của nhà cung cấp):

Tài sản	SA516 Gr60 (điển hình)	Q345R (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	Trung bình; phạm vi điển hình ~410–520 MPa	Trung bình-cao; phạm vi điển hình ~470–630 MPa
Giới hạn chảy (MPa)	Trung bình; thường thấp hơn Q345R (tùy thuộc vào độ dày)	Cao hơn; mục tiêu danh nghĩa ~345 MPa (theo chỉ định cấp độ)
Độ giãn dài (A%)	Độ dẻo tốt; thường ≥20% (tùy thuộc vào độ dày)	Độ dẻo tốt; thường ≥17–22% (phụ thuộc vào độ dày)
Độ bền va đập (Charpy V‑notch)	Được thiết kế để có năng lượng tác động tốt ở nhiệt độ quy định (hiệu suất bình chịu áp suất)	Độ dẻo dai tốt, thường được đảm bảo ở nhiệt độ CVN quy định, nhưng phụ thuộc vào quá trình xử lý
Độ cứng (HBW)	Trung bình (thích hợp để tạo hình/hàn)	Trung bình đến cao hơn một chút (tùy thuộc vào xử lý nhiệt và hợp kim vi mô)

Giải thích: - Q345R hướng tới mức năng suất cao hơn (theo quy ước đặt tên và mục đích thiết kế) thường cho phép tạo ra các phần nhẹ hơn cho cùng một tải trọng, nhưng năng suất cao hơn có thể có nghĩa là biên độ nhỏ hơn cho các thiết kế nhạy cảm với độ dẻo nếu không được xác minh. - SA516 Gr60 được thiết kế và thường được chứng nhận để sử dụng trong bình chịu áp suất ở nhiệt độ va đập quy định, mang lại độ bền chống gãy cho các tấm có độ dày từ mỏng đến trung bình được sử dụng trong nồi hơi và bình chịu nhiệt độ thấp. - Giá trị thực tế thay đổi tùy theo độ dày tấm, lịch trình cán và xử lý nhiệt. Luôn sử dụng chứng chỉ nhà máy và thử nghiệm vật liệu cho thiết kế cuối cùng.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố liên quan đến khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, khả năng tôi cứng (Mn, Cr, Mo) và hợp kim vi mô. Hai chỉ số thực nghiệm hữu ích là tương đương cacbon IIW và công thức Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - Chỉ số $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn đồng nghĩa với khả năng hàn dễ dàng hơn với yêu cầu gia nhiệt trước thấp hơn. Cả SA516 Gr60 và Q345R đều có thể hàn bằng các quy trình hàn thông thường (SMAW, GMAW, SAW), nhưng các thông số kỹ thuật khác nhau. - SA516 Gr60: Hàm lượng cacbon vừa phải và hợp kim được kiểm soát giúp dễ dàng hàn để chế tạo bình thông thường; cần chú ý đến quá trình nung nóng trước và PWHT đối với các phần dày hơn hoặc hoạt động ở nhiệt độ thấp để tránh nứt hydro và duy trì độ dẻo dai. - Q345R: Hàm lượng Mn cao hơn một chút và khả năng hợp kim hóa vi mô làm tăng khả năng tôi cứng phần nào; có thể cần gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn cho các tiết diện dày hơn. Q345R thường có thể hàn được nhưng phải tuân thủ các khuyến nghị hàn và quy trình kiểm định của GB/T. - Trong cả hai trường hợp, hãy sử dụng quy trình hàn đạt tiêu chuẩn (WPS/PQR) và thực hiện thử nghiệm không phá hủy sau hàn và thử nghiệm va đập theo quy định thiết kế.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đây là loại thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn nội tại bị hạn chế.
• Các biện pháp bảo vệ tiêu chuẩn: lớp phủ (epoxy, polyurethane), sơn lót, hệ thống sơn và mạ kẽm nhúng nóng (nếu có) thường được sử dụng. Việc lựa chọn tùy thuộc vào môi trường sử dụng (khí quyển, nước biển, tiếp xúc với hóa chất).
• Chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng cho thép SA516 Gr60 hoặc Q345R vì chúng là thép cacbon/hợp kim thấp không chứa hàm lượng crom không gỉ. Đối với vật liệu thép không gỉ, chỉ số sẽ là:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

nhưng điều này không liên quan đến các lớp này.

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

• Cắt: Cả hai loại đều được gia công và cắt bằng phương pháp nhiệt tiêu chuẩn (plasma, oxy-nhiên liệu) và phương pháp cơ học (cưa). Độ bám dính xỉ và đặc tính HAZ cần được xử lý sau khi cắt thông thường.
• Uốn/Tạo hình: SA516 Gr60 thường có khả năng tạo hình tốt nhờ cấu trúc ferit-pearlit và được tạo hình nguội rộng rãi thành vỏ. Q345R, là vật liệu có độ dẻo cao hơn, có thể khó uốn cong chặt chẽ hơn — độ đàn hồi và bán kính uốn cần thiết phải được điều chỉnh để phù hợp với độ dẻo cao hơn và khả năng chịu nhiệt.
• Khả năng gia công: Cả hai đều có khả năng gia công tương tự như thép cacbon thông thường; Q345R có thể mài mòn hơn một chút tùy thuộc vào hợp kim. Sử dụng dụng cụ và cấp liệu phù hợp; cần cân nhắc việc gia nhiệt trước cho chế tạo nặng, nếu được chỉ định.
• Hoàn thiện bề mặt: Hàn, mài và làm sạch sau khi hàn tuân theo quy trình chế tạo bình tiêu chuẩn; việc loại bỏ cặn trước khi phủ là điều cần thiết.

8. Ứng dụng điển hình

SA516 Gr60	Q345R
Vỏ và đầu bình chịu áp suất cho nồi hơi, bình chịu áp suất trung bình, bồn chứa cần độ bền ở nhiệt độ thấp	Tấm bình chịu áp suất cần có độ bền cao hơn và trọng lượng thấp hơn; bình chịu áp suất hàn kết cấu lớn trong thực tiễn khu vực
Bồn chứa và vận chuyển yêu cầu tuân thủ quy định theo thông số kỹ thuật ASME/ASTM	Nồi hơi và bình chứa theo thực hành GB/T; các thành phần cấu trúc có năng suất cao hơn làm giảm kích thước mặt cắt
Dịch vụ tuần hoàn và nhiệt độ thấp yêu cầu hiệu suất CVN đã được chứng minh	Các ứng dụng kết cấu và áp suất chung trong đó lợi ích của TMCP và HSLA được sử dụng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn SA516 Gr60 khi thiết kế nhấn mạnh vào hiệu suất bình chịu áp suất đã được xác nhận, mức độ va đập Charpy được chỉ định và được chấp nhận rộng rãi trong phạm vi quyền hạn của ASME/ASTM. - Chọn Q345R khi dự án được chỉ định theo tiêu chuẩn Trung Quốc hoặc khi các nhà thiết kế muốn có năng suất cao hơn trên mỗi độ dày và khả năng cung cấp thuận lợi ở những khu vực áp dụng tiêu chuẩn GB/T.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Q345R thường có giá thành cạnh tranh hoặc thấp hơn ở những khu vực sản xuất sản phẩm GB/T với số lượng lớn; năng suất cao hơn có thể giúp giảm trọng lượng và tổng chi phí vật liệu. SA516 Gr60 có thể có giá cao hơn ở những khu vực yêu cầu chứng nhận ASME và hồ sơ chứng nhận.
• Tính khả dụng: SA516 Gr60 được cung cấp rộng rãi trên toàn thế giới, nơi yêu cầu tuân thủ tiêu chuẩn ASME; Q345R được cung cấp rộng rãi tại Trung Quốc và trong các chuỗi cung ứng theo tiêu chuẩn GB/T. Hình dạng sản phẩm (cuộn, tấm, cắt theo chiều dài) và độ dày khác nhau tùy theo nhà máy và khu vực.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Thuộc tính	SA516 Gr60	Q345R
Khả năng hàn	Tốt (được thiết kế để chế tạo tàu)	Tốt, nhưng tiềm năng chịu nhiệt cao hơn một chút — theo WPS
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Được tối ưu hóa cho độ dẻo dai và độ bền của tàu	Năng suất cao hơn; độ dẻo dai tốt khi được TMCP/hợp kim vi mô
Chi phí / Khả dụng	Phổ biến trên thị trường ASME; chi phí vừa phải	Thường có chi phí thấp hơn ở thị trường GB/T; khả năng cung cấp cao ở khu vực

Khuyến nghị: - Chọn SA516 Gr60 nếu bạn yêu cầu tấm bình chịu áp suất ASME/ASTM có hiệu suất chịu va đập Charpy đã được ghi nhận, khả năng hoạt động đã được chứng minh trong điều kiện nhiệt độ thấp và được chấp nhận rộng rãi theo tiêu chuẩn đối với nồi hơi và bình chứa. - Chọn Q345R nếu dự án của bạn tuân theo tiêu chuẩn GB/T hoặc bạn cần năng suất danh nghĩa cao hơn (345 MPa) để giảm độ dày/chi phí tiết diện và bạn có thể xác định quy trình hàn và độ bền cho môi trường làm việc dự định.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai vật liệu đều là loại thép đã qua kiểm định và được hiểu rõ. Việc lựa chọn vật liệu cuối cùng nên được dựa trên quy chuẩn thiết kế, các đặc tính cơ học và va đập cần thiết ở nhiệt độ vận hành, các hạn chế về hàn và chế tạo, cũng như các cân nhắc về chuỗi cung ứng. Luôn kiểm tra dữ liệu hóa học và cơ học từ chứng chỉ nhà máy và, nếu cần, yêu cầu kiểm tra cụ thể (xác nhận ứng suất kéo, CVN, PWHT) để đảm bảo phù hợp cho sử dụng.