SA516 Gr70 so với SA537 Cl1 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SA516 Cấp 70 và SA537 Cấp 1 là hai loại thép tấm bình chịu áp lực thường được sử dụng trong nồi hơi, bồn chứa và thiết bị chịu áp lực. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà chế tạo thường phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa hai loại thép này: chọn thép bình chịu áp lực có chi phí thấp hơn, dễ hàn và có độ bền nhiệt độ thấp tốt, hay chọn thép tấm có độ bền cao hơn và yêu cầu kiểm tra va đập chặt chẽ hơn, đòi hỏi quy trình xử lý và kiểm tra khác nhau.

Sự khác biệt thực tế chính giữa các cấp độ này nằm ở cách chúng cân bằng độ bền và độ dẻo dai thông qua quá trình hợp kim hóa và xử lý nhiệt: một cấp độ được tối ưu hóa cho độ dẻo dai và khả năng chống gãy đáng tin cậy trong môi trường hàn và môi trường lạnh, trong khi cấp độ còn lại nhấn mạnh vào độ bền cao hơn và độ ổn định kích thước trong quá trình sử dụng và trong quá trình xử lý nhiệt sau khi chế tạo. Những khác biệt này quyết định đến việc xác nhận quy trình hàn, xử lý nhiệt sau khi hàn (PWHT), phương pháp chế tạo và lớp phủ bảo vệ.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• SA516 Cấp 70 (ASTM A516/A/ASME SA516): Thép tấm bình chịu áp suất cacbon-mangan được sản xuất để đáp ứng các yêu cầu về va đập ở nhiệt độ quy định; thường được sử dụng trong vỏ và đầu của nồi hơi, bình chịu áp suất và bể chứa.
• SA537 Lớp 1 (ASTM A537/A/ASME SA537): Tấm thép cacbon được xử lý nhiệt dành cho bình chịu áp suất có yêu cầu khắt khe hơn về tính chất cơ học và thử nghiệm va đập; thường được cung cấp ở dạng thường hóa hoặc thường hóa và ram.
• Tiêu chuẩn liên quan: Các tiêu chuẩn tương đương EN của Châu Âu có thể bao gồm P355/PN và các ký hiệu bình chịu áp lực khác, nhưng việc thay thế trực tiếp một-một đòi hỏi phải có xác minh kỹ thuật. Tiêu chuẩn JIS/GB áp dụng cho thép bình chịu áp lực có vai trò tương đương nhưng có ma trận thử nghiệm và giới hạn hóa học khác nhau.

Phân loại vật liệu: - SA516 Gr70: Thép cacbon (tấm bình chịu áp suất), không phải thép không gỉ hoặc thép hợp kim; đôi khi được coi là hợp kim thấp tùy thuộc vào việc bổ sung đồng tùy chọn. - SA537 Cl1: Tấm bình chịu áp suất bằng thép cacbon có phản ứng xử lý nhiệt xác định; trên thực tế hoạt động giống như thép cacbon-mangan đã được chuẩn hóa/rau củ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Đặc điểm thành phần điển hình (theo giới hạn ASTM phổ biến và thông lệ nhà máy). Các giá trị là giá trị tối đa hoặc phạm vi điển hình được sử dụng cho thông số kỹ thuật vật liệu; hãy kiểm tra MTR thực tế cho việc mua sắm cụ thể của dự án.

Yếu tố	SA516 Cấp 70 (điển hình)	SA537 Lớp 1 (điển hình)
C (cacbon)	Thấp–trung bình (được kiểm soát; mức tối đa điển hình ≈ 0,26–0,28 wt%)	Thấp-trung bình (được kiểm soát; mức tối đa tương tự, thường giữ ở mức thấp để cải thiện độ dẻo dai)
Mn (mangan)	Trung bình (dùng để đo độ mạnh; thường là ~0,7–1,6 wt%)	Trung bình (tương đương Mn để kiểm soát độ bền và khả năng tôi luyện)
Si (silicon)	Thấp (chất khử oxy; thường ≤ ~0,40 wt%)	Thấp (vai trò tương tự; thường được kiểm soát)
P (phốt pho)	Kiểm soát mức thấp (mức ppm; mức tối đa điển hình ~0,03–0,04)	Kiểm soát mức thấp (giới hạn chặt chẽ để duy trì độ dẻo dai)
S (lưu huỳnh)	Kiểm soát thấp (tương tự như P)	Kiểm soát thấp
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Không được chỉ định chung trong A516; có thể có ở dạng vết hoặc lượng dư; đôi khi thêm đồng để chống ăn mòn	Thông thường không có nhiều hợp kim; một số nhà cung cấp có thể sử dụng hợp kim vi mô hoặc kiểm soát quy trình để cải thiện độ bền/độ dẻo dai
N (nitơ)	Thấp (còn lại)	Thấp (còn lại)

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu thiết lập cường độ cơ bản và khả năng tôi cứng. Hàm lượng C và Mn cao hơn làm tăng cường độ nhưng lại làm tăng nguy cơ hình thành các cấu trúc vi mô cứng, giòn trong vùng HAZ và đòi hỏi quy trình hàn phải được kiểm soát cẩn thận hơn. - Silic là chất khử oxy và góp phần không đáng kể vào độ bền khi hàm lượng Si thấp; hàm lượng Si quá cao có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai. - Hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh được giữ ở mức thấp vì chúng làm giòn ranh giới hạt và giảm độ bền va đập. - Việc bổ sung Cr, Ni hoặc Mo một cách có chủ ý không phổ biến đối với các loại thép này; khi có, chúng làm tăng khả năng tôi và độ bền nhưng lại làm phức tạp khả năng hàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - SA516 Gr70: Được sản xuất và cung cấp ở trạng thái thường hóa hoặc giảm ứng suất tùy thuộc vào quy trình cán. Cấu trúc vi mô là perlit/ferrit với sự phân bố perlit mịn; sự cân bằng này tạo ra độ bền chấp nhận được và độ dẻo/độ dai tốt ở trạng thái cán hoặc thường hóa. - SA537 Cl1: Thường được cung cấp ở dạng chuẩn hóa hoặc chuẩn hóa và ram. Trạng thái chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt, và quá trình ram giúp giảm ứng suất dư đồng thời cải thiện độ dẻo dai. Cấu trúc vi mô là ferit/perlite tinh chế với các đặc tính đồng đều hơn trên toàn bộ độ dày.

Phản ứng với quá trình xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa (làm mát bằng không khí từ nhiệt độ austenit hóa) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại; SA537 Loại 1 thường được chuẩn hóa để đáp ứng các yêu cầu về va đập chặt chẽ hơn. - Làm nguội và ram không phải là phương pháp thương mại thông thường đối với các tấm bình chịu áp suất hợp kim thấp này, nhưng nếu áp dụng sẽ làm tăng độ bền và giảm độ dẻo; SA537 có nhiều khả năng được xử lý nhiệt có kiểm soát hơn SA516 để ổn định các đặc tính. - Quá trình kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) được một số nhà máy sử dụng có thể tạo ra kích thước hạt mịn hơn và độ dẻo dai được cải thiện mà không cần hợp kim nặng.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Tính chất cơ học so sánh (phạm vi điển hình mang tính mô tả — xác minh bằng báo cáo thử nghiệm vật liệu, MTR).

Tài sản	SA516 Cấp 70 (điển hình)	SA537 Lớp 1 (điển hình)
Độ bền kéo	Trung bình-cao (thường được chỉ định ở mức 485 MPa / 70 ksi)	Trung bình-cao; thường tương đương hoặc cao hơn một chút tùy thuộc vào xử lý nhiệt
Sức chịu lực	Trung bình (được thiết kế để có độ dẻo; giới hạn chảy tối thiểu điển hình trong khoảng 250–300 MPa)	Thông thường tương tự hoặc cao hơn một chút; thông số kỹ thuật kiểm soát năng suất thông qua xử lý nhiệt
Độ giãn dài	Tốt (được thiết kế để tạo độ dẻo và định hình)	Tốt nhưng có thể thấp hơn một chút nếu được xử lý để có độ bền cao hơn
Độ bền va đập	Tốt (phù hợp cho thử nghiệm va đập ở nhiệt độ thấp được chỉ định)	Yêu cầu về trình độ thường cao hơn; độ bền thường được đảm bảo tốt hơn ở nhiệt độ thử nghiệm được chỉ định do chuẩn hóa
Độ cứng	Trung bình (tương thích với hàn và tạo hình)	Trung bình đến cao hơn một chút nếu được chuẩn hóa/điều chỉnh

Giải thích: - Trong mua sắm thực tế, SA537 Loại 1 thường có yêu cầu về tính chất cơ học chặt chẽ hơn và hiệu suất chịu va đập đồng đều hơn trên toàn bộ độ dày, do đó có thể được coi là có độ bền chắc chắn hơn. SA516 Loại 70 được thiết kế để cân bằng giữa độ bền và độ dẻo với chi phí cạnh tranh và vẫn được sử dụng rất rộng rãi. - Không có loại nào là hợp kim tôi và ram có độ bền cao; sự khác biệt chủ yếu là do quá trình xử lý và tiêu chuẩn chấp nhận thông số kỹ thuật.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố liên quan đến khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, khả năng tôi kết hợp và các nguyên tố còn lại. Các chỉ số thường được sử dụng để đánh giá định tính:

• Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Diễn giải (định tính): - Cả SA516 Gr70 và SA537 Cl1 đều có hàm lượng cacbon tương đương được kiểm soát, tương đối thấp so với thép hợp kim, do đó khả năng hàn nhìn chung tốt. Tuy nhiên, SA537 Loại 1 có thể được kiểm soát chặt chẽ hơn về các đặc tính và có thể có độ tôi cao hơn một chút tùy thuộc vào quy trình cán, dẫn đến nhu cầu gia nhiệt trước hoặc PWHT tăng nhẹ đối với các tiết diện dày hơn. - Hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho thấp, cùng với việc hạn chế bổ sung hợp kim, ưu tiên hàn thông thường bằng kim loại hàn thông dụng. Đối với các ứng dụng quan trọng, khuyến nghị thực hiện quy trình hàn đầy đủ với phương pháp gia nhiệt trước/sau và hàn nóng chảy (PWHT) theo tiêu chuẩn (ASME Phần IX/VIII). - Luôn đánh giá CE và Pcm theo số liệu từ phân tích hóa học thực tế cho từng lô để thiết lập quy trình hàn, gia nhiệt trước, nhiệt độ giữa các đường hàn và các yêu cầu về PWHT.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SA516 Gr70 và SA537 Cl1 đều không phải thép không gỉ; cả hai đều cần được bảo vệ bề mặt để chịu được môi trường khí quyển hoặc ăn mòn. Các lựa chọn thông thường: sơn/lớp phủ epoxy, phun nhiệt hoặc mạ kẽm nhúng nóng nếu cần.
• Đối với môi trường clorua hoặc môi trường khắc nghiệt, hãy sử dụng lớp phủ chắc chắn hoặc chỉ định hợp kim chống ăn mòn; các chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép cacbon này.
• Khi bổ sung đồng vào một số biến thể SA516, Cu có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn trong khí quyển, nhưng điều này không được coi là tương đương với hiệu suất của thép không gỉ.

Lưu ý: Công thức PREN chỉ áp dụng cho các loại thép không gỉ chống ăn mòn: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

Điều này không áp dụng cho vật liệu không phải thép không gỉ SA516/SA537.

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

• Khả năng định hình: Cả hai loại thép đều được chế tạo bằng phương pháp uốn, cán và tạo hình. SA516 Gr70 thường được lựa chọn khi cần độ dẻo và khả năng định hình cao hơn để tạo hình nguội thành vỏ và đầu. SA537 Cl1, khi được chuẩn hóa, vẫn có khả năng định hình tốt nhưng có thể được chỉ định cho các ứng dụng ưu tiên độ ổn định kích thước và các đặc tính được kiểm soát.
• Khả năng gia công: Đặc trưng của thép cacbon-mangan—khả năng gia công hợp lý với dụng cụ tiêu chuẩn; điều kiện khắc nghiệt hơn hoặc được chuẩn hóa sẽ làm tăng nhẹ độ mài mòn của dụng cụ.
• Hoàn thiện: Mài, khoan và cắt ren theo quy trình tiêu chuẩn của thép cacbon. Vật liệu hàn phải phù hợp với tính chất cơ học và hóa học của kim loại cơ bản; vật liệu hàn đã được thẩm định sơ bộ cho hàm lượng Ni 2,25–5% hoặc vật liệu hàn thép mềm thông thường thường được sử dụng tùy thuộc vào hàm lượng Cu hoặc các nguyên tố khác được thêm vào.

8. Ứng dụng điển hình

SA516 Lớp 70	SA537 Lớp 1
Vỏ và đầu nồi hơi và bình chịu áp suất có chi phí, khả năng hàn và độ bền chung là rất quan trọng	Các thành phần chứa áp suất có hiệu suất cơ học/va đập nghiêm ngặt hơn và xử lý nhiệt được kiểm soát được chỉ định
Bồn chứa, bình LPG và các thành phần đường ống dẫn dầu khí khi tấm bình chịu áp suất tiêu chuẩn được chấp nhận	Hệ thống lò phản ứng, hóa dầu và áp suất có tính toàn vẹn cao, nơi cần có tấm chuẩn hóa với độ bền được đảm bảo
Các thành phần cấu trúc trong môi trường ít xâm thực hơn, nơi lớp phủ thông thường đủ khả năng	Các ứng dụng yêu cầu tính chất đồng nhất thông qua độ dày và thử nghiệm va đập được đảm bảo chặt chẽ hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn SA516 Gr70 để sử dụng rộng rãi khi độ bền ở nhiệt độ thấp, khả năng hàn và hiệu quả về chi phí là những yếu tố chính. - Chọn SA537 Loại 1 khi thông số kỹ thuật yêu cầu dung sai cơ học chặt chẽ hơn, tính chất va đập đồng nhất trên toàn bộ độ dày hoặc khi đơn đặt hàng yêu cầu rõ ràng về tấm được chuẩn hóa/xử lý nhiệt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Thép SA516 cấp 70 được sản xuất rộng rãi và thường tiết kiệm hơn, có sẵn ở các kích thước và độ dày tấm tiêu chuẩn.
• SA537 Loại 1 có thể đắt hơn một chút trên mỗi tấn do phải qua quá trình xử lý bổ sung (chuẩn hóa, kiểm tra nghiêm ngặt hơn) và có thể phải lựa chọn nguồn cung mỏng hơn. Nguồn cung từ các nhà máy lớn khá dồi dào, nhưng thời gian giao hàng và chi phí có thể tăng đối với độ dày lớn hơn hoặc nền mẫu thử nghiệm đặc biệt.

Hình thức sản phẩm: cả hai loại đều thường có dạng tấm cán nóng; chiều dài cắt, viền, thử nghiệm được chứng nhận và hoàn thiện đặc biệt có thể làm tăng thời gian và chi phí.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Đặc điểm	SA516 Gr70	SA537 Lớp 1
Khả năng hàn	Rất tốt (hàn thông thường; CE thấp–trung bình)	Rất tốt đến tốt (có thể cần kiểm soát chặt chẽ hơn/làm nóng trước đối với các phần dày hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng về độ dẻo dai và độ bền va đập cho các cụm hàn	Cân bằng hướng tới độ bền được đảm bảo và các tính chất cơ học nhất quán; đôi khi có độ bền cao hơn từ quá trình xử lý
Trị giá	Nói chung là thấp hơn / có sẵn rộng rãi	Nói chung cao hơn do xử lý nhiệt và thử nghiệm; tính khả dụng tốt nhưng được kiểm soát nhiều hơn

Khuyến nghị: - Chọn SA516 Cấp 70 nếu bạn cần tấm bình chịu áp suất tiết kiệm chi phí với khả năng hàn tuyệt vời, độ dẻo tốt và hiệu suất dịch vụ đã được chứng minh cho các ứng dụng nồi hơi, lưu trữ và áp suất chung thông thường. - Chọn SA537 Loại 1 nếu thông số kỹ thuật của dự án yêu cầu tấm được chuẩn hóa hoặc xử lý nhiệt với hiệu suất va đập được đảm bảo chặt chẽ hơn trên mọi độ dày hoặc khi các yêu cầu về thiết kế và quy định yêu cầu chỉ định SA537 cụ thể cho thiết bị chịu áp suất có tính toàn vẹn cao.

Lưu ý cuối cùng: Quyết định mua sắm thực tế luôn phải dựa trên thông số kỹ thuật của dự án, nhiệt độ thử nghiệm va đập yêu cầu, giới hạn độ dày, tiêu chuẩn quy trình hàn và báo cáo thử nghiệm vật liệu (MTR). Khi độ bền gãy hoặc hiệu suất nhiệt độ cực thấp là yếu tố quan trọng, hãy xem xét các giá trị va đập cụ thể và cân nhắc đánh giá cơ học gãy thay vì chỉ dựa vào tên mác thép.