T91 so với P91 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

T91 và P91 là hai tên thường gặp đối với các kỹ sư khi chỉ định vật liệu cho các ứng dụng nhà máy điện nhiệt độ cao và công nghiệp hơi nước. Cả hai đều đề cập đến cùng một họ thép chịu nhiệt martensitic/ferritic 9Cr-1Mo, được sử dụng cho các bộ phận chịu áp suất hoạt động ở nhiệt độ cao; tuy nhiên, tên gọi và ý nghĩa của việc mua sắm là khác nhau. Việc lựa chọn giữa hai loại này thường cân nhắc các yếu tố như hình dạng sản phẩm dự kiến ​​(ống so với ống), quy chuẩn hoặc tiêu chuẩn áp dụng, quy trình hàn và tính khả dụng của chuỗi cung ứng khu vực.

Sự khác biệt thực tế chính là sự khác biệt dựa trên tiêu chuẩn và hình thức sản phẩm: "T91" thường được sử dụng trong thông số kỹ thuật ống (ví dụ: ASME SA-213), trong khi "P91" xuất hiện trong thông số kỹ thuật ống (ví dụ: ASME SA-335) và trong một số hệ thống đặt tên khu vực. Về mặt luyện kim, chúng về cơ bản là cùng một cấp 9Cr–1Mo–V–Nb, và đây là lý do tại sao chúng thường được so sánh hoặc sử dụng thay thế cho nhau trong thiết kế và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• ASME SA‑213 T91 — ống trao đổi nhiệt, bộ siêu nhiệt và nồi hơi bằng thép hợp kim ferritic liền mạch.
• ASME SA‑335 P91 — ống thép hợp kim ferritic liền mạch dùng cho ứng dụng nhiệt độ cao.
• EN / Châu Âu:
• Cấp EN 10216‑2 / EN 10222 thường được ghi là X10CrWMoVNb9‑2 (số vật liệu 1.4903) — Tên gọi của Châu Âu dành cho thép 9Cr tương đương.
• JIS (Nhật Bản) / GB (Trung Quốc):
• Không có tiêu chuẩn JIS tương đương trực tiếp nào; các tiêu chuẩn của Nhật Bản có thể liệt kê các loại thép 9Cr tương tự nhưng khác nhau về giới hạn hóa học và phương pháp xử lý nhiệt.
• Tiêu chuẩn GB của Trung Quốc cung cấp các loại thép có hàm lượng 9Cr–1MoV tương đương; các chỉ định địa phương và giới hạn xử lý nhiệt có thể khác nhau.
• Phân loại: Các hợp kim này là thép hợp kim thấp, chịu nhiệt (không phải thép không gỉ) và trên thực tế được phân loại là thép ferritic/martensitic chống biến dạng (theo phong cách HSLA về mặt chiến lược gia cố nhưng được thiết kế để có độ bền ở nhiệt độ cao).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dòng sản phẩm 9Cr–1Mo đạt được sự cân bằng giữa độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống rão và khả năng hàn, chủ yếu nhờ crom để chống oxy hóa và ram, molypden để tăng độ bền rão và gia cường dung dịch rắn, và hợp kim vi mô với V/Nb để ổn định cacbua và kiểm soát sự phát triển của hạt. Các dải thành phần điển hình tuân theo thông lệ công nghiệp:

Yếu tố	Phạm vi điển hình (wt%)
C	0,08 – 0,12
Mn	0,30 – 0,60
Si	0,20 – 0,60
P	≤ 0,02
S	≤ 0,01
Cr	8,0 – 9,5
Ni	≤ 0,40
Mo	0,85 – 1,05
V	0,18 – 0,25
Nb (Ta)	0,05 – 0,12
Ti	≤ 0,02
B	dấu vết, ≤ 0,002
N	0,03 – 0,07

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cr (8–9,5%) làm tăng khả năng chống oxy hóa và góp phần vào tính ổn định và khả năng tôi cứng. - Mo (≈1%) làm tăng cường độ dai và cản trở quá trình phục hồi; quan trọng đối với các đặc tính nhiệt độ cao lâu dài. - V và Nb tạo thành cacbua và cacbonitrit có tác dụng kẹp chặt cấu trúc vi mô và cản trở sự phát triển của hạt trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ cao, cải thiện tuổi thọ chống nứt vỡ. - C được kiểm soát là cần thiết để tạo độ bền thông qua quá trình chuyển đổi martensitic và hình thành cacbua; giữ ở mức đủ thấp để duy trì khả năng hàn chấp nhận được. - B nhỏ cải thiện tính chất rão trong một số lần nung, trong khi N và Ti/Nb kiểm soát quá trình kết tủa.

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

Cấu trúc vi mô và quá trình xử lý điển hình: - Chuẩn hóa theo phương pháp as-normalized: Cấu trúc vi mô martensitic ram được tạo ra sau quá trình austenit hóa (chuẩn hóa), sau đó là quá trình làm nguội và ram có kiểm soát. Cấu trúc vi mô bao gồm các thanh martensitic ram, với các cacbua M23C6 phân tán và các cacbonitrit MX (V/Nb) mịn. - Chuẩn hóa + ram: phương pháp tiêu chuẩn để phát triển sự kết hợp đặc trưng giữa độ bền và độ dẻo dai. Chuẩn hóa giúp hòa tan các pha bất lợi và thiết lập lại cấu trúc hạt; ram tối ưu hóa độ bền/độ dẻo dai và ổn định carbide. - Phương pháp làm nguội và ram: tương tự như chuẩn hóa/ram đối với các loại thép hợp kim thấp này; mức độ làm nguội được kiểm soát để tránh lượng austenit giữ lại quá mức. - Xử lý nhiệt cơ học (TMT): lịch trình cán và làm nguội có kiểm soát có thể tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó và cải thiện độ dẻo dai mà không ảnh hưởng đến độ bền ở nhiệt độ cao. - Sự khác biệt về phản ứng: không có sự khác biệt về mặt luyện kim nội tại giữa T91 và P91 — sự khác biệt về tính chất bắt nguồn từ nhiệt độ/thời gian xử lý nhiệt chính xác và lịch sử cơ nhiệt được quy định trong tiêu chuẩn sản phẩm. Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) đúng cách là rất quan trọng để khôi phục độ cứng và giảm ứng suất dư.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học thay đổi tùy theo dạng sản phẩm, phương pháp xử lý nhiệt và nhà sản xuất. Các phạm vi điển hình cho các tiết diện chuẩn hóa và ram của thép 9Cr–1Mo là:

Tài sản	Phạm vi điển hình
Độ bền kéo (UTS)	600 – 800 MPa
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	450 – 650 MPa
Độ giãn dài (A%)	12 – 20%
Độ bền va đập (Charpy V, nhiệt độ phòng)	30 – 80 J (tùy thuộc vào nhiệt độ và sản phẩm)
Độ cứng (HB)	200 – 260 HB

Cái nào mạnh hơn/cứng hơn/dẻo hơn: - Trên thực tế, T91 và P91 tương đương về mặt luyện kim; sự khác biệt về tính chất đo được là do nhiệt độ xử lý nhiệt, thời gian ram và độ dày tiết diện. Vật liệu được chuẩn hóa và ram đúng cách sẽ đạt được độ bền nhiệt độ cao như mong đợi và độ dẻo dai ở nhiệt độ phòng vừa đủ. Tiết diện dày hơn và ram không đủ sẽ dẫn đến độ cứng cao hơn và độ dẻo dai thấp hơn.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố liên quan đến khả năng hàn xuất phát từ hàm lượng cacbon tương đương và độ cứng cao từ Cr, Mo, V và hợp kim vi mô. Các chỉ số thường được sử dụng để dự đoán nhu cầu gia nhiệt trước và PWHT:

• Viện Hàn Quốc tế tương đương carbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm tương đương để dự đoán khả năng nứt nguội: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích và thực hành: - Giá trị CE và $P_{cm}$ tính toán cho thép 9Cr–1Mo thường cho thấy độ tôi trung bình đến cao so với thép cacbon. Điều này ngụ ý các quy trình hàn được kiểm soát bắt buộc: nung nóng trước, giới hạn nhiệt độ giữa các lớp hàn và hàn PWHT hoàn toàn để phục hồi nhiệt độ và giảm thiểu ứng suất dư và ứng suất cục bộ. - Cả T91 và P91 đều yêu cầu vật tư hàn đạt tiêu chuẩn và PWHT theo quy định (ví dụ: ASME) để đạt được độ bền và hiệu suất chống rão chấp nhận được tại các mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. - Do tính chất hóa học tương tự, khả năng hàn của T91 và P91 về cơ bản là giống nhau, nhưng thông số kỹ thuật về quy trình hàn phải tuân theo mã sản phẩm (ống so với ống) và độ dày.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đây không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn chỉ giới hạn ở khả năng chống oxy hóa được cải thiện ở nhiệt độ cao do hàm lượng Cr. Chúng không được thiết kế cho môi trường ăn mòn không có lớp bảo vệ.
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: sơn, lớp phủ chịu nhiệt, lớp lót chịu lửa, và trong một số trường hợp là mạ kẽm trước khi đưa vào sử dụng (tùy thuộc vào giới hạn nhiệt độ). Đối với các ứng dụng hơi nước/điện, kiểm soát hóa học nước/hơi nước bên trong là chiến lược kiểm soát ăn mòn thông thường.
• Công thức PREN (cho hiệu suất thép không gỉ) không áp dụng cho T91/P91, nhưng để hoàn thiện: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ — chỉ số này áp dụng cho thép không gỉ và không có ý nghĩa đối với thép ferritic 9Cr–1Mo.

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

• Khả năng gia công: Độ khó trung bình. Độ bền cao hơn và sự hiện diện của cacbua làm giảm khả năng gia công so với thép mềm. Sử dụng dụng cụ sắc bén, thiết lập cứng và tốc độ cắt phù hợp. Khuyến nghị sử dụng dụng cụ cacbua cho công việc sản xuất.
• Khả năng tạo hình: Hạn chế; không khuyến khích tạo hình nguội đáng kể. Ưu tiên gia công nóng và cán có kiểm soát trong quá trình sản xuất. Việc uốn và tạo hình vật liệu thành phẩm đã được chuẩn hóa và ram đòi hỏi phải kiểm soát quy trình cẩn thận; biến dạng cục bộ có thể gây nứt.
• Hoàn thiện: Mài và xử lý bề mặt là tiêu chuẩn; nhiệt lượng đưa vào trong quá trình hàn và gia công có thể làm thay đổi nhiệt độ cục bộ và cần phải xử lý nhiệt cục bộ hoặc xử lý nhiệt PWHT sau đó.

8. Ứng dụng điển hình

T91 (ký hiệu ống)	P91 (ống/cấu trúc/thông số kỹ thuật)
Ống siêu nhiệt và ống tái nhiệt trong nồi hơi và máy phát hơi nước	Đường ống hơi nước áp suất cao trong các nhà máy điện và nhà máy hóa dầu
Ống trao đổi nhiệt cần khả năng chống biến dạng ở nhiệt độ cao	Các thành phần ống dẫn và đầu ống cho dịch vụ nhiệt độ cao
Ống hàn hoặc ống liền mạch đường kính nhỏ trong nồi hơi	Ống liền mạch đường kính lớn cho đường ống hơi chính
Các thành phần chế tạo yêu cầu hình dạng ống	Bình chịu áp suất và phụ kiện khi mã yêu cầu thông số kỹ thuật của đường ống

Cơ sở lựa chọn: - Chọn ký hiệu ống và nhà cung cấp tương ứng khi hình dạng và mã thành phần yêu cầu ống ASME SA‑213 T91 (ví dụ: cuộn dây siêu nhiệt). - Chọn ký hiệu ống khi chỉ định ống liền mạch/nhiệt độ cao theo ASME SA‑335 P91 cho đường ống hơi nước/điện chính. - Trong cả hai trường hợp, tiêu chí kỹ thuật quyết định là nhiệt độ vận hành, yêu cầu về ứng suất/độ rão thiết kế, khả năng hàn/PWHT và tuân thủ quy định.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Thép 9Cr–1Mo đắt hơn thép cacbon thông thường và thép 1¼Cr–Mo do các thành phần hợp kim và quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn. Trong số này, T91/P91 là loại thép hợp kim thấp cao cấp.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Ống T91 được sản xuất rộng rãi cho thị trường nồi hơi và bộ trao đổi nhiệt; ống P91 có nguồn cung dồi dào ở các khu vực công nghiệp lớn nhưng thời gian giao hàng có thể thay đổi. Các nhà máy châu Âu có thể cung cấp vật liệu tương đương EN theo các tên gọi khác nhau; bộ phận mua sắm nên nêu rõ cả yêu cầu về xử lý hóa học/nhiệt và tiêu chuẩn chính xác (ASME so với EN) để tránh sự không khớp.
• Các mặt hàng có thời gian giao hàng dài: ống P91 liền mạch có đường kính lớn hoặc thành dày và các sản phẩm chế tạo nặng có thể có thời gian giao hàng dài và cần được lên kế hoạch sớm trong quá trình mua sắm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Diện mạo	T91	Trang 91
Khả năng hàn	Trung bình; cần làm nóng trước và PWHT	Trung bình; cần làm nóng trước và PWHT
Độ bền – Độ dẻo dai (dịch vụ HT)	Cao (phụ thuộc vào xử lý nhiệt)	Cao (phụ thuộc vào xử lý nhiệt)
Trị giá	Thép cao cấp so với thép cacbon; phụ thuộc vào nguồn cung cấp ống	Thép cao cấp so với thép cacbon; phụ thuộc vào nguồn cung cấp ống

Kết luận: - Chọn T91 nếu bạn đang chỉ định hoặc mua ống (ống nồi hơi/ống siêu nhiệt/ống trao đổi nhiệt) và quy chuẩn áp dụng yêu cầu phải tuân thủ ASME SA-213 T91 hoặc các dạng sản phẩm ống tương đương. Sử dụng T91 khi cần thiết phải tuân thủ hình dạng sản phẩm, dung sai kích thước và quy trình sản xuất ống. - Chọn P91 nếu bạn đang chỉ định đường ống liền mạch, phụ kiện hoặc bộ phận chịu áp lực theo các tiêu chuẩn như ASME SA-335 P91, hoặc nếu quy trình mua sắm và kiểm tra hướng đến sản phẩm ống. Sử dụng P91 cho đường ống hơi chính và đường ống chịu áp lực khi quy chuẩn đường ống và quy trình hàn được ghi vào P91.

Lưu ý thực tế cuối cùng: Về mặt luyện kim, T91 và P91 đều thuộc cùng một họ 9Cr–1Mo; do đó, quyết định trong thiết kế kỹ thuật hoặc mua sắm nên được đưa ra dựa trên hình dạng sản phẩm yêu cầu, tiêu chuẩn/quy chuẩn áp dụng, cũng như quy trình chế tạo và hàn tiếp theo, thay vì dựa trên sự khác biệt về hiệu suất vật liệu. Luôn ghi rõ giới hạn hóa học chính xác, yêu cầu xử lý nhiệt (thông số chuẩn hóa và ram), PWHT và tiêu chuẩn chấp nhận cơ học trong tài liệu mua hàng để đảm bảo hiệu suất sử dụng có thể tái tạo.