T91 so với T92 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

T91 và T92 là hai loại thép ferritic-martensitic crom-molypden (và thép biến tính vonfram) có liên quan chặt chẽ với nhau, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị sản xuất điện nhiệt độ cao và hóa dầu. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với tình huống khó khăn khi lựa chọn giữa chúng, do phải cân nhắc giữa độ bền rão, khả năng hàn, khả năng chống oxy hóa/ăn mòn và chi phí vật liệu. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn vật liệu ống hoặc ống mềm cho điều kiện hơi nước tiên tiến, lựa chọn vật liệu rèn hoặc lắp ghép cho ứng dụng nhiệt độ cao, và cân bằng giữa chi phí vòng đời và độ khó chế tạo.

Sự khác biệt cơ bản giữa hai loại này nằm ở chiến lược hợp kim: T92 (còn được gọi là P92 trong một số tiêu chuẩn) thay thế đáng kể vonfram và điều chỉnh mức độ molypden và hợp kim vi mô để tăng cường độ bền rão và độ ổn định vi cấu trúc ở nhiệt độ cao hơn, trong khi T91 dựa nhiều hơn vào molypden với thành phần đơn giản hơn một chút. Sự thay đổi hợp kim này dẫn đến khả năng tôi cứng, khả năng ram và phạm vi ứng dụng riêng biệt, khiến các mác thép này thường được so sánh trong thiết kế linh kiện và mua sắm vật liệu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các ký hiệu ASTM/ASME phổ biến:
• T91: ASTM A387 Cấp 91 (tấm), A335 Cấp P91 (ống liền mạch), A213 TP91 (ống) — thường được gọi là Cấp 91 / P91.
• T92: ASTM A387 Cấp 92, A335 Cấp P92, A213 T92 — thường được gọi là Cấp 92 / P92.
• Tiêu chuẩn Châu Âu và các tiêu chuẩn khác:
• EN: Thép 9Cr tương đương xuất hiện dưới ký hiệu EN (nhưng các loại thép tương đương EN trực tiếp một-một bị hạn chế).
• JIS/GB: Có các tên gọi địa phương cho thép 9Cr dựa trên thành phần hóa học tương tự (thường được sử dụng ở Châu Á).
• Phân loại thép: Cả hai đều là thép hợp kim trong nhóm ferritic-martensitic; chúng không phải là thép không gỉ hoặc thép dụng cụ và thường được coi là thép hợp kim có độ bền cao, chống rão (nhóm HSLA/chịu nhiệt).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng tổng quan hiển thị phạm vi thành phần điển hình cho từng loại (phần trăm trọng lượng). Giới hạn chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn/thông số kỹ thuật cụ thể và dạng sản phẩm.

Yếu tố	T91 (phạm vi điển hình, wt%)	T92 (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,08–0,12	0,08–0,12
Mn	0,30–0,60	0,30–0,60
Si	0,20–0,70	0,20–0,50
P	≤0,02	≤0,02
S	≤0,01	≤0,01
Cr	8,5–9,5	8,5–9,5
Ni	≤0,30	≤0,30
Mo	0,85–1,05	0,45–0,65
W	- (dấu vết)	1,8–2,5
V	0,18–0,25	0,18–0,25
Nb (Cb)	0,06–0,12	0,06–0,12
Ti	dấu vết	dấu vết
B	dấu vết*	dấu vết*
N	~0,03–0,06	~0,03–0,06

*Bo (B) và nitơ (N) là các nguyên tố kiểm soát; bo được sử dụng ở mức ppm rất nhỏ để ảnh hưởng đến khả năng làm cứng và độ rão.

Quá trình hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Crom (Cr) có tác dụng chống oxy hóa và tăng cường ma trận ferritic. - Molypden (Mo) làm tăng độ bền và khả năng chống rão bằng cách gia cường dung dịch rắn và hình thành cacbua; T91 có Mo cao hơn T92. - Vonfram (W) trong T92 thay thế một phần cho Mo, tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao và ổn định cacbua ở nhiệt độ sử dụng cao hơn. - Vanadi (V) và niobi (Nb) tạo thành cacbua/nitrit ổn định giúp tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ bền kéo dài; chúng cũng ảnh hưởng đến khả năng hàn và hành vi HAZ. - Carbon kiểm soát sự cân bằng độ cứng/độ dẻo dai và sự hình thành martensite; mức độ được giữ ở mức vừa phải để cân bằng khả năng hàn với độ bền.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - Trong điều kiện chuẩn hóa và ram, cả hai loại thép đều phát triển cấu trúc vi mô martensitic ram với mật độ cao các cacbua mịn và cacbonitrit (kết tủa giàu V và Nb). Cấu trúc thanh martensitic ram mang lại sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo dai cần thiết cho ứng dụng ở nhiệt độ cao. - T92 có xu hướng tạo ra sự phân bố cacbua mịn hơn, ổn định hơn ở nhiệt độ cao do hiệu ứng ổn định cacbua của vonfram; điều này góp phần cải thiện khả năng chống rão và chống tôi ở nhiệt độ thiết kế cao hơn.

Phản ứng xử lý nhiệt - Chuẩn hóa: Cả hai loại thép này thường được chuẩn hóa (làm mát bằng không khí) từ nhiệt độ trong khoảng ~980–1050 °C (thông số quy trình theo tiêu chuẩn) để tinh chỉnh kích thước hạt austenit trước đó. - Làm nguội & ram: Ram sau khi chuẩn hóa ở nhiệt độ thường từ 700–760 °C sẽ tạo ra martensite ram. Ram cao hơn sẽ làm giảm độ cứng và tăng độ dai nhưng có thể làm giảm độ bền rão. - Các tuyến đường nhiệt cơ học: Quá trình cán và nhiệt cơ học được kiểm soát (đối với ống/tấm) giúp tinh chỉnh kích thước hạt và mật độ sai lệch; T92 đặc biệt được hưởng lợi từ việc kiểm soát cẩn thận để có được sự phân bố kết tủa tối ưu vì hàm lượng W của nó ảnh hưởng đến động học kết tủa.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt và hình dạng sản phẩm. Bảng dưới đây cung cấp các phạm vi điển hình tiêu biểu cho các điều kiện chuẩn hóa và ram thường được sử dụng trong các bộ phận của nhà máy điện.

Bất động sản (điều kiện điển hình, N&T)	T91	T92
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	~350–450 MPa (mức tối thiểu điển hình theo thông số kỹ thuật ~415 MPa)	~400–550 MPa (trong nhiều trường hợp, phạm vi trên cao hơn)
Độ bền kéo	~560–700 MPa	~600–750 MPa
Độ giãn dài (A%)	~18–25%	~15–22%
Độ bền va đập (Charpy-V, nhiệt độ phòng)	trung bình; phụ thuộc vào khía và xử lý nhiệt (ví dụ, hàng chục J đến >40 J)	tương đương với độ thấp hơn một chút trong một số điều kiện do khả năng làm cứng cao hơn; phụ thuộc vào quá trình tôi luyện
Độ cứng (HRC/HB)	vừa phải (có tính khí)	xu hướng cao hơn một chút ở cùng một nhiệt độ do W

Giải thích: - T92 thường được thiết kế để cung cấp khả năng chịu nhiệt cao hơn và duy trì độ bền tốt hơn ở nhiệt độ cao so với T91, với cái giá phải trả là khả năng làm cứng cao hơn một chút và trong một số trường hợp, độ dẻo dai hoặc độ dai ở nhiệt độ phòng giảm nhẹ khi so sánh với điều kiện tôi luyện tương đương. - Đối với các thành phần được thiết kế cho cùng chế độ tôi luyện, T92 thường có độ bền kéo và độ bền rão cao hơn, trong khi T91 có thể có độ dẻo tốt hơn một chút và dễ gia công hơn trong một số trường hợp chế tạo.

5. Khả năng hàn

Cân nhắc về khả năng tôi luyện và mối hàn - Cả T91 và T92 đều yêu cầu quy trình hàn được kiểm soát: vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) để làm nguội vùng HAZ và giảm ứng suất dư. - Do độ cứng cao hơn (W trong T92 làm tăng độ cứng), T92 có thể yêu cầu kiểm soát quá trình nung sơ bộ và PWHT nghiêm ngặt hơn để tránh nứt martensite HAZ. Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb) và hàm lượng cacbon cũng làm tăng khả năng xảy ra nứt HAZ cứng và nứt nguội nếu có hydro.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (diễn giải định tính) - Một chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $CE_{IIW}$ cao hơn cho thấy khả năng tôi luyện cao hơn và nhu cầu nung nóng trước/PWHT cao hơn. - Một chỉ số toàn diện hơn là $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - $P_{cm}$ giúp dự đoán khả năng nứt lạnh; giá trị cao hơn cho thấy rủi ro cao hơn.

Kết quả định tính: - Cả hai loại đều yêu cầu PWHT; T92 thường cần gia nhiệt trước cao hơn và lịch trình PWHT cẩn thận vì vonfram và hàm lượng Mo đã điều chỉnh làm tăng nhẹ $CE$ và $P_{cm}$. Việc kiểm tra quy trình hàn và kiểm soát hydro là bắt buộc đối với các bộ phận chịu áp suất.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả T91 và T92 đều không phải thép không gỉ; chúng là thép ferritic có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao vừa phải nhờ Cr. Trong môi trường oxy hóa bằng hơi nước và nhiệt độ cao, chúng tạo ra lớp oxit bảo vệ, nhưng dễ bị oxy hóa từ phía hơi nước, thấm cacbon và sunfua tùy thuộc vào ứng dụng.
• Các chiến lược bảo vệ bề mặt bao gồm lớp phủ (sơn chịu nhiệt độ cao, lớp phủ aluminide), lớp lót bên trong chống ăn mòn và kiểm tra định kỳ. Đối với ăn mòn môi trường xung quanh, sơn bảo vệ tiêu chuẩn hoặc mạ kim loại là phương pháp phổ biến; mạ kẽm thường không được sử dụng cho các bộ phận chịu nhiệt độ cao phía hơi nước.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này; đối với các loại thép không gỉ, công thức $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ được sử dụng, nhưng không liên quan đến T91/T92.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép này đều khó gia công hơn thép cacbon thông thường. T92, với hàm lượng vonfram cao hơn và có xu hướng giữ nguyên độ cứng, có thể hơi khó gia công bằng dụng cụ và đòi hỏi tốc độ cắt thấp hơn cũng như dụng cụ chắc chắn.
• Khả năng tạo hình: Ép nguội và uốn bị hạn chế; các chi tiết thường được tạo hình ở trạng thái chuẩn hóa rồi ram. Ép sâu không phải là phương pháp điển hình; tạo hình nóng sau đó chuẩn hóa và ram được ưa chuộng hơn cho các sản phẩm rèn lớn.
• Hoàn thiện: Có thể mài và đánh bóng nhưng dụng cụ sẽ bị mòn nhanh hơn so với thép hợp kim thấp. Xử lý nhiệt sau khi tạo hình và hàn là điều cần thiết để khôi phục các đặc tính martensitic mong muốn.

8. Ứng dụng điển hình

T91 (sử dụng điển hình)	T92 (sử dụng thông thường)
Ống nồi hơi, ống góp, đường ống hơi trong các nhà máy thông thường/tiên tiến hoạt động ở nhiệt độ hơi nước từ trung bình đến cao	Ống siêu nhiệt và ống gia nhiệt lại, ống góp, đường ống hơi và các thành phần cho các nhà máy siêu tới hạn/tiên tiến cần độ bền kéo cao hơn
Đầu nối, khuỷu tay và phụ kiện cho các nhà máy có nhiệt độ thiết kế lên đến ~600 °C	Các thành phần dành cho điều kiện hơi nước ở nhiệt độ cao hơn (ví dụ: phạm vi 600–650 °C) và yêu cầu về tuổi thọ kéo dài hơn
Ống trao đổi nhiệt, tường lò cho dịch vụ nhiệt độ cao vừa phải	Các thành phần A-USC mới xây dựng, các bộ phận đúc/rèn tiết diện lớn, ưu tiên khả năng chống rão cao
Các bộ phận thay thế trong các hệ thống cũ, nơi nguồn cung, chi phí và chế tạo dễ dàng hơn là những yếu tố quan trọng	Các thành phần quan trọng có tuổi thọ cao trong đó việc biện minh cho chi phí vòng đời có lợi cho chi phí vật liệu cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn T91 để có hiệu suất đã được chứng minh trong nhiều ứng dụng nhà máy điện ở nhiệt độ thấp hơn một chút, khi cần sự đơn giản trong chế tạo và chi phí vật liệu thấp hơn. - Chọn T92 khi nhiệt độ thiết kế, tuổi thọ chịu kéo dài và khả năng duy trì độ bền lâu dài ở nhiệt độ cao là ưu tiên hàng đầu và khi quy trình mua sắm/chế tạo có thể xử lý các yêu cầu hàn và xử lý nhiệt nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: T92 thường đắt hơn T91 do hàm lượng vonfram bổ sung và quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn. Mức chênh lệch này thay đổi tùy theo thị trường và dạng sản phẩm.
• Tính khả dụng: T91 đã được sử dụng lâu hơn và trước đây có sẵn rộng rãi hơn ở dạng ống, ống tròn, tấm và rèn. Tính khả dụng của T92 đã tăng lên do nhu cầu về các nhà máy hơi nước tiên tiến, nhưng vẫn có thể bị hạn chế hơn về một số kích thước sản phẩm và thời gian giao hàng.
• Hình thức sản phẩm: Cả hai loại đều có dạng ống, tấm, rèn và phụ kiện liền mạch và hàn; cần xác nhận tình trạng sẵn có và thời gian giao hàng với nhà cung cấp đối với các đơn hàng mua sắm quan trọng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	T91	T92
Khả năng hàn (khó khăn về mặt thủ tục)	Tốt với các quy trình low-H đủ tiêu chuẩn; dễ hơn một chút so với T92	Yêu cầu khắt khe hơn do khả năng làm cứng cao hơn; quy trình nung nóng sơ bộ/PWHT nghiêm ngặt hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Mạnh mẽ, độ dẻo dai tốt trong điều kiện tiêu chuẩn	Độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống biến dạng cao hơn; độ dẻo/độ bền kém hơn nếu không được xử lý cẩn thận
Trị giá	Thấp hơn (nói chung)	Cao hơn (nói chung)

Sự giới thiệu: - Chọn T91 nếu bạn cần loại thép 9Cr chống rão hiệu quả về chi phí và đã được xác lập tốt cho dịch vụ hơi nước ở nhiệt độ cao, trong đó nhiệt độ vận hành và tuổi thọ rão yêu cầu nằm trong phạm vi đã được chứng minh của Cấp 91 và khi tính đơn giản và khả năng chế tạo là quan trọng. - Chọn T92 nếu thiết kế yêu cầu độ bền kéo dài vượt trội và độ ổn định vi cấu trúc ở phạm vi nhiệt độ cao (ví dụ: điều kiện hơi nước siêu tới hạn hoặc tiên tiến) và nếu bạn có thể đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về hàn, xử lý nhiệt và mua sắm.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép đều yêu cầu quy trình xử lý nhiệt, quy trình hàn và kiểm tra cẩn thận để đạt được hiệu suất đáng tin cậy và lâu dài. Đối với các linh kiện quan trọng chịu nhiệt độ cao, hãy thực hiện kiểm tra độ rão ở cấp độ linh kiện, đánh giá năng lực nhà cung cấp và phân tích chi phí vòng đời như một phần của quy trình lựa chọn.