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

Giới thiệu

SA537 Loại 1 và SA516 Cấp 70 là hai loại thép cacbon dùng làm bình chịu áp lực được sử dụng rộng rãi. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng hàn và hiệu suất cơ học khi lựa chọn giữa chúng — ví dụ, nên ưu tiên độ bền vật liệu cho các chi tiết dày, chịu ứng suất cao hay giảm thiểu chi phí vật liệu và gia công cho các bồn chứa và nồi hơi thông thường.

Sự khác biệt thực tế chính giữa các loại thép này nằm ở khả năng chịu lực gãy trong các điều kiện ứng dụng cụ thể: một loại được chỉ định và xử lý để mang lại độ bền va đập cao hơn, đồng đều hơn, đặc biệt là ở các tiết diện dày hơn, trong khi loại còn lại là thép tấm nồi hơi/bình chịu áp lực phổ biến, nhấn mạnh vào khả năng sản xuất kinh tế và khả năng hàn tốt. Vì cả hai đều là thép cacbon không gỉ, dùng cho các ứng dụng chịu áp lực, chúng thường được so sánh khi thiết kế bình hàn, các bộ phận đường ống và bể chứa, nơi cần cân bằng giữa chi phí, độ bền và các đặc tính sau hàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• SA537 Cl1: Được chỉ định theo ASTM A537 / ASME SA‑537 — "Tấm bình chịu áp suất, thép cacbon đã qua xử lý nhiệt". Loại 1 dành cho bình chịu áp suất và thường yêu cầu xử lý nhiệt và kiểm soát độ dẻo dai nâng cao.
• SA516 Gr70: Được chỉ định theo ASTM A516 / ASME SA‑516 — "Tấm bình chịu áp suất, thép cacbon, dùng cho ứng dụng ở nhiệt độ trung bình và thấp". Cấp 70 là cấp được sử dụng phổ biến nhất cho bình chịu áp suất và nồi hơi.

Tham chiếu chéo và tiêu chuẩn khu vực: - EN: Có những loại thép có độ bền cao và thép chế tạo bình chịu áp suất tương đương (ví dụ: dòng EN10028), nhưng tính tương đương trực tiếp một-một phải được xác nhận bằng dữ liệu cơ học và hóa học. - JIS/GB: Có các tiêu chuẩn tương đương theo khu vực; người dùng nên tham khảo các tiêu chuẩn địa phương để biết các đặc tính chính xác và các yêu cầu về trình độ.

Phân loại: Cả SA537 Cl1 và SA516 Gr70 đều là thép hợp kim cacbon/nhẹ (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ, không phải HSLA, mặc dù SA537 có thể được thiết kế để có độ bền/độ dẻo dai cao hơn thông qua kiểm soát thành phần và xử lý nhiệt).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Cả hai loại thép này về cơ bản đều là thép cacbon-mangan với các quy định kiểm soát chặt chẽ về hàm lượng tạp chất và thành phần tạp chất. Triết lý thiết kế khác nhau: SA516 Gr70 được tối ưu hóa cho khả năng sản xuất và hàn rộng rãi, trong khi SA537 Loại 1 được kiểm soát để đạt được độ dẻo dai dự đoán được thông qua quá trình xử lý hóa học và nhiệt luyện.

Bảng: sự hiện diện định tính của các yếu tố chung

Yếu tố	SA537 Lớp 1 (định tính)	SA516 Lớp 70 (định tính)
C (Cacbon)	Kiểm soát; cân bằng giữa khả năng định hình và sức mạnh	Được kiểm soát; giới hạn hơi bảo thủ cho khả năng hàn
Mn (Mangan)	Có mặt để cung cấp khả năng làm cứng và kiểm soát độ bền	Hiện tại; yếu tố điều chỉnh sức mạnh chính
Si (Silic)	Có mặt với số lượng nhỏ (khử oxy)	Có mặt với số lượng nhỏ (khử oxy)
P (Phốt pho)	Hạn chế nghiêm ngặt (tạp chất thấp)	Hạn chế nghiêm ngặt (tạp chất thấp)
S (Lưu huỳnh)	Hạn chế nghiêm ngặt (tạp chất thấp)	Hạn chế nghiêm ngặt (tạp chất thấp)
Cr, Ni, Mo (Cr/Ni/Mo)	Nói chung là tối thiểu hoặc không có; có thể được kiểm soát dưới dạng dấu vết	Nói chung là tối thiểu hoặc không có; thường không có hợp kim
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Thông thường không được hợp kim hóa cố ý cho Loại 1; có thể sử dụng kiểm soát tốt trong một số nhà máy	Thông thường không được thêm vào một cách có chủ ý
B (Bo)	Không được sử dụng phổ biến	Không được sử dụng phổ biến
N (Nitơ)	Kiểm soát còn lại; giữ ở mức thấp	Kiểm soát còn lại; giữ ở mức thấp

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu quyết định độ bền và khả năng tôi luyện. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. - Silic chủ yếu là chất khử oxy và có tác dụng gia cường hạn chế. - Hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh thấp được áp dụng để tăng độ dẻo dai. - Không có hàm lượng Cr/Ni/Mo đáng kể có nghĩa là cả hai đều dựa vào quá trình chế biến và xử lý nhiệt thay vì hợp kim để tăng độ dẻo dai.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - SA516 Gr70: Tấm cán hoặc chuẩn hóa với cấu trúc vi mô ferit-pearlit. Các tính chất cơ học đạt được chủ yếu nhờ làm nguội có kiểm soát sau khi cán. Cấu trúc vi mô tương đối đồng đều, nhưng độ dẻo dai có thể giảm ở các tiết diện dày hơn nếu tốc độ làm nguội dẫn đến các đặc điểm thô hơn. - SA537 Loại 1: Được cung cấp qua xử lý nhiệt (thường được ram/chuẩn hóa hoặc tương đương) để đảm bảo cấu trúc vi mô mịn hơn và đồng đều hơn, cũng như độ bền va đập đồng đều trên toàn bộ độ dày tấm. Cấu trúc vi mô cũng là ferit-pearlit nhưng được kiểm soát chặt chẽ hơn về kích thước hạt và độ sạch tạp chất.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa/tinh luyện: Cả hai loại thép đều đáp ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách tinh luyện hạt, giúp cải thiện độ dẻo dai. SA537 thường được cung cấp ở dạng chuẩn hóa hoặc xử lý nhiệt theo yêu cầu của thông số kỹ thuật. - Làm nguội và ram: Không phổ biến đối với cả hai hình thức cung cấp tiêu chuẩn; nếu sử dụng, Q&T sẽ làm tăng đáng kể độ bền nhưng cần thiết kế lại và kiểm tra lại vì nó làm thay đổi độ dẻo dai và khả năng hàn. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): Có thể cải thiện sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai; một số nhà sản xuất SA516 hoặc SA537 hiện đại có thể sử dụng cán kiểm soát/TMCP để điều chỉnh các đặc tính, nhưng người dùng cuối phải xác nhận chứng nhận.

Trên thực tế, thông số kỹ thuật và tuyến cung cấp của SA537 Class 1 nhấn mạnh vào việc kiểm soát xử lý nhiệt và hậu xử lý để đảm bảo độ dẻo dai cao hơn, có thể dự đoán được so với SA516 Gr70 tiết kiệm hơn.

4. Tính chất cơ học

Do cần tránh dữ liệu số giả mạo, bảng dưới đây cung cấp các mô tả so sánh, có liên quan đến ứng dụng thay vì các giá trị tuyệt đối.

Bảng: tính chất cơ học so sánh (định tính)

Tài sản	SA537 Lớp 1	SA516 Lớp 70
Độ bền kéo	Tương đương hoặc cao hơn một chút (tùy thuộc vào thực hành của nhà máy)	Điển hình cho tấm bình chịu áp suất; đường cơ sở đã được thiết lập
Sức chịu lực	Có thể so sánh được; có thể được điều chỉnh bằng cách xử lý nhiệt	Cấp độ chuẩn hóa được sử dụng trong các quy tắc thiết kế
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tương đương tốt; duy trì ở các phần dày hơn	Tốt ở độ dày tấm điển hình; có thể giảm ở các phần rất dày
Độ bền va đập (Charpy)	Kiểm soát cao hơn và nhất quán hơn, đặc biệt là thông qua độ dày và ở nhiệt độ thấp hơn	Tốt cho nhiều ứng dụng; có thể thay đổi nhiều hơn theo độ dày và nhiệt độ
Độ cứng	Trung bình; được kiểm soát để tránh các vấn đề về khả năng hàn	Trung bình; nhìn chung tương tự như SA537 trong điều kiện cung cấp

Giải thích: - SA537 Loại 1 được chỉ định và cung cấp để đảm bảo độ bền va đập cao hơn và đáng tin cậy hơn trên các độ dày tấm và ở nhiệt độ thấp hơn, khiến nó trở nên thích hợp khi khả năng chống gãy là rất quan trọng. - SA516 Gr70 cung cấp các tính chất cơ học tổng thể tốt và là tiêu chuẩn công nghiệp cho nhiều nồi hơi và bình chịu áp suất; nó mang lại hiệu suất tiết kiệm chi phí khi không áp dụng các yêu cầu về độ bền khắt khe nhất.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (khả năng tôi), độ dày và hợp kim vi mô.

Các công thức hữu ích thường được sử dụng để đánh giá khả năng hàn: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (bảo thủ 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 về khả năng hàn định tính: - Cả SA537 Cl1 và SA516 Gr70 đều được thiết kế với hàm lượng cacbon tương đương từ thấp đến trung bình để mang lại khả năng hàn tốt với khả năng kiểm soát quá trình nung nóng trước khi cần thiết. - SA516 Gr70 được công nhận rộng rãi về khả năng hàn mạnh mẽ trong các quy trình hàn thông thường; dễ sử dụng trong các quy trình hàn thông thường. - SA537 Lớp 1, vì thường được chỉ định để có độ dẻo dai cao hơn (và đôi khi được cung cấp ở dạng dày hơn hoặc có yêu cầu về độ bền cao hơn một chút), có thể yêu cầu các quy trình hàn bảo thủ hơn (làm nóng trước thích hợp, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn khi được chỉ định) để tránh làm cứng ở vùng chịu nhiệt và để đảm bảo độ dẻo dai va đập cần thiết trong cụm hàn. - Hợp kim vi mô và các nguyên tố có độ cứng cao hơn (nếu có) sẽ làm tăng nhu cầu gia nhiệt trước; thông thường không có loại nào chứa hợp kim đáng kể làm giảm đáng kể khả năng hàn.

Thực tế, hãy chỉ định các quy trình hàn (WPS/PQR), gia nhiệt trước và PWHT dựa trên độ dày của tấm và độ bền sau khi hàn cần thiết, đồng thời tham khảo các tính toán CE/Pcm để xác định chất lượng vật tư và quy trình hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SA537 Cl1 và SA516 Gr70 đều không phải thép không gỉ. Khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon — dễ bị ăn mòn đồng đều, rỗ trong môi trường clorua và oxy hóa ở nhiệt độ cao.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến: hệ thống sơn và phủ, mạ kẽm (nếu phù hợp với mục đích sử dụng và hình dạng), bảo vệ catốt cho các kết cấu chôn hoặc ngâm nước và xử lý bề mặt (ví dụ: lớp lót epoxy) cho chất lỏng có tính ăn mòn.
• PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Để tham khảo, công thức PREN được sử dụng cho vật liệu thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ sử dụng các chỉ số này khi đánh giá hợp kim không gỉ; đối với thép cacbon, hãy tập trung vào lớp phủ bảo vệ và thiết kế để có thể chống ăn mòn.

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

• Cắt và gia công: Cả hai loại thép này đều có khả năng gia công tương tự như thép cacbon cường độ trung bình. Có thể có một số khác biệt nhỏ tùy thuộc vào độ cứng và độ tinh vi cấu trúc; khả năng kiểm soát độ dẻo dai chặt chẽ hơn của SA537 thường không ảnh hưởng xấu đến khả năng gia công.
• Uốn và tạo hình: Cả hai đều có thể tạo hình ở dải độ dày tấm tiêu chuẩn. Độ dẻo dai yêu cầu cao hơn và điều kiện xử lý nhiệt tiềm ẩn của SA537 có thể đặt ra giới hạn cho việc tạo hình nguội ở một số độ dày nhất định; hãy kiểm tra bán kính uốn dựa trên dữ liệu của nhà cung cấp.
• Hoàn thiện: Cả hai đều chấp nhận xử lý bề mặt và phủ lớp; cần cẩn thận với lớp oxit và lớp khử cacbon khi hàn và hoàn thiện.

Đối với những người lập kế hoạch sản xuất, hậu quả chính là kiểm soát quy trình: SA537 có thể yêu cầu kiểm soát và lập tài liệu chặt chẽ hơn về xử lý nhiệt và quy trình sau hàn, trong khi SA516 Gr70 cung cấp các lộ trình chế tạo đơn giản hơn và được mô tả rõ ràng trong nhiều trường hợp.

8. Ứng dụng điển hình

SA537 Lớp 1 (sử dụng thông thường)	SA516 Cấp 70 (sử dụng thông thường)
Bình chịu áp suất có tính toàn vẹn cao yêu cầu độ bền và khả năng chống gãy cao hơn, đã được ghi chép lại (ví dụ: bình chứa hóa dầu quan trọng, lò phản ứng áp suất cao)	Lò hơi, bình chịu áp suất tiêu chuẩn, bình chứa áp suất thấp đến trung bình và bộ trao đổi nhiệt
Các bình hoặc linh kiện có tiết diện dày hơn, trong đó độ bền va đập qua độ dày là rất quan trọng	Chế tạo chung các tàu hàn trong đó chi phí và tính khả dụng là những yếu tố chính
Các thành phần tuân theo quy định hoặc yêu cầu về trình độ nghiêm ngặt hơn (dịch vụ ở nhiệt độ thấp với yêu cầu về độ bền)	Bồn chứa, ống cuộn và các bộ phận chế tạo khi các quy trình hàn đã thiết lập là đủ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn SA537 Cl1 khi thiết kế FEA, cơ học gãy hoặc yêu cầu của quy định yêu cầu độ bền được đảm bảo cao hơn hoặc khi các thành phần dày và chịu nhiệt độ thấp hoặc ứng suất dư cao. - Chọn SA516 Gr70 để có tấm thép kinh tế, phổ biến và có khả năng hàn tốt cho các ứng dụng nồi hơi và bình chịu áp suất thông thường.

9. Chi phí và tính khả dụng

• SA516 Gr70: Nhìn chung tiết kiệm hơn và có sẵn nhiều loại độ dày và hình dạng (dạng cuộn ít phổ biến hơn đối với tấm chịu áp lực; tấm và kích thước cắt có sẵn). Chuỗi cung ứng mạnh mẽ cho việc sản xuất bình chịu áp lực tiêu chuẩn.
• SA537 Cl1: Chi phí đơn vị thường cao hơn do kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn, quy trình xử lý nhiệt được chỉ định và số lượng nhà sản xuất hạn chế hơn đối với tấm thép đạt chứng nhận Loại 1. Thời gian giao hàng có thể lâu hơn đối với kích thước lớn hơn hoặc yêu cầu độ bền cao.
• Cả hai đều có sẵn tại các nhà máy thép lớn, nhưng bộ phận mua sắm cần cân nhắc thời gian giao hàng, yêu cầu chứng nhận (báo cáo thử nghiệm tại nhà máy, hồ sơ thử nghiệm va đập) và liệu có cần xử lý nhiệt sau hàn bổ sung hay NDE đầy đủ hay không.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: tóm tắt định tính nhanh

Hệ mét	SA537 Lớp 1	SA516 Lớp 70
Khả năng hàn	Tốt, nhưng có thể cần WPS nghiêm ngặt hơn cho các phần dày	Rất tốt; có thể hàn rộng rãi với các quy trình tiêu chuẩn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Được tối ưu hóa để có độ dẻo dai cao hơn, đồng đều hơn (đặc biệt là ở các phần dày)	Cân bằng tốt cho dịch vụ chung; độ bền có thể nhạy cảm hơn với độ dày
Trị giá	Cao hơn (kiểm soát chặt chẽ, xử lý nhiệt)	Thấp hơn (tiết kiệm, sản xuất rộng rãi)

Sự giới thiệu: - Chọn SA537 Loại 1 nếu thiết kế của bạn yêu cầu độ bền chống gãy cao hơn, chắc chắn trên toàn bộ độ dày (ví dụ: bình chịu áp suất quan trọng, dịch vụ nhiệt độ thấp, phần dày) hoặc nếu mã/chứng nhận yêu cầu loại đó. - Chọn SA516 Cấp 70 nếu bạn cần tấm thép tiết kiệm chi phí, được hiểu rõ cho nồi hơi, bình chịu áp suất trung bình và chế tạo chung trong đó độ bền và khả năng hàn tiêu chuẩn là đủ.

Ghi chú thực tế cuối cùng: - Luôn yêu cầu báo cáo thử nghiệm tại nhà máy và chứng chỉ thử nghiệm va đập cho lô tấm thực tế, đặc biệt nếu cần độ dẻo dai hoặc hiệu suất ở nhiệt độ thấp. - Xác nhận trước các quy trình hàn, gia nhiệt trước và PWHT cần thiết — các tấm dày hơn và thông số kỹ thuật về độ bền cao hơn thường thúc đẩy các yêu cầu về quy trình ảnh hưởng đến tổng chi phí dự án nhiều hơn giá tấm thô. - Khi có thắc mắc, hãy tham khảo các điều khoản quy định (ASME, EN hoặc quy định khu vực) và sớm liên hệ với các nhà cung cấp vật liệu để phù hợp với các tuyến cung cấp vật liệu (TMCP, chuẩn hóa, xử lý nhiệt) với mục đích thiết kế.