Hiệu suất của vật liệu mặt bích trong điều kiện nhiệt độ cao thay đổi đáng kể dựa trên các yếu tố như khả năng duy trì độ bền, khả năng chống oxy hóa, khả năng chống rão, độ ổn định nhiệt, và khả năng tương thích hóa học với môi chất. Dưới đây là đánh giá chi tiết dựa trên các loại vật liệu điển hình.
Thép carbon thường phù hợp với các ứng dụng nhiệt độ từ thấp đến trung bình. Độ bền của nó giảm nhanh chóng khi nhiệt độ tăng. Ví dụ, giới hạn chảy của thép 20# giảm từ khoảng 245 MPa ở nhiệt độ phòng xuống còn khoảng 180 MPa ở 400°C, tương đương với việc mất hơn 30%. Trên 450°C, vật liệu trở nên dễ bị thô hạt do hiện tượng cầu hóa perlit, cuối cùng có thể dẫn đến hỏng do rão.
Về khả năng chống oxy hóa, thép carbon hoạt động kém. Quá trình oxy hóa bắt đầu tăng tốc trên 300°C, với sự hình thành của lớp oxit Fe₃O₄ lỏng lẻo. Ở 500°C, tốc độ oxy hóa có thể cao gấp năm lần so với ở 300°C. Nếu các hợp chất lưu huỳnh hoặc hơi nước có mặt trong môi trường, sự ăn mòn do oxy hóa càng trở nên trầm trọng hơn, làm giảm độ tin cậy của vật liệu trong các điều kiện như vậy.
Thép không gỉ Austenit được sử dụng rộng rãi trong môi trường nhiệt độ cao, ăn mòn do khả năng chống oxy hóa và độ ổn định nhiệt vượt trội. Loại 304 có thể được sử dụng ở nhiệt độ lên đến khoảng 870°C, trong khi 316L, có chứa molypden, vẫn giữ được độ bền tốt (giới hạn chảy ≥120 MPa) lên đến 650°C. Hàm lượng crom cao của chúng (18–20%) cho phép hình thành lớp thụ động Cr₂O₃ dày đặc, làm chậm quá trình oxy hóa đáng kể. Ví dụ, ở 800°C, tốc độ oxy hóa của 304/316 thấp hơn hơn 90% so với thép carbon.
Tuy nhiên, thép không gỉ Austenit không phải là không có những hạn chế. Việc tiếp xúc lâu trong khoảng nhiệt độ 450–850°C có thể dẫn đến hiện tượng nhạy cảm, trong đó các cacbua crom kết tủa ở ranh giới hạt, gây ra ăn mòn giữa các hạt. Vấn đề này có thể được giảm thiểu bằng các phương pháp xử lý ổn định, chẳng hạn như sử dụng các loại thép ổn định titan như thép không gỉ 321.
Một mối quan tâm khác là biến dạng rão. Trên 650°C, tốc độ rão tăng đáng kể, đòi hỏi phải giảm ứng suất thiết kế cho phép. Ví dụ, ở 700°C, ứng suất cho phép của 316L có thể giảm xuống chỉ còn khoảng 15% giá trị của nó ở nhiệt độ môi trường.
Thép không gỉ Duplex mang lại sự cân bằng giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn, khiến chúng trở thành một giải pháp tiết kiệm chi phí trong môi trường nhiệt độ cao vừa phải liên quan đến môi chất ăn mòn. Loại 2205 thường được sử dụng ở nhiệt độ lên đến 300°C, trong khi 2507 có thể được sử dụng lên đến 350°C. Ở 300°C, 2205 vẫn giữ được giới hạn chảy vượt quá 400 MPa, gần gấp đôi so với thép không gỉ 304.
Mặc dù có những ưu điểm về độ bền, thép duplex kém ổn định về mặt nhiệt hơn so với các loại Austenit ở nhiệt độ cao. Trên 350°C, pha ferit có xu hướng phát triển hạt và giảm khả năng chống rão. Sự mất mát nhanh chóng về tính toàn vẹn cơ học này hạn chế sự phù hợp của chúng đối với dịch vụ nhiệt độ cao trong thời gian dài.
Thép hợp kim Cr-Mo được thiết kế đặc biệt cho môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao như nhà máy điện và hệ thống lò hơi. Hiệu suất cơ học của chúng trong các điều kiện như vậy vượt xa thép carbon và thép không gỉ tiêu chuẩn.
Thép 15CrMo, chứa 1–1,5% crom và khoảng 0,5% molypden, phù hợp với nhiệt độ làm việc lên đến 550°C. Ở 500°C, nó vẫn duy trì giới hạn chảy trên 200 MPa. Thép P91, một hợp kim 9%Cr–1%Mo hiệu suất cao, có khả năng hoạt động lâu dài dưới 650°C với khả năng chống rão tuyệt vời. Ví dụ, ở 600°C trong hơn 100.000 giờ, độ bền rão của P91 vẫn ở mức khoảng 100 MPa, so với chỉ 40 MPa đối với 15CrMo.
Các vật liệu này kết hợp độ bền nhiệt độ cao với khả năng chống oxy hóa tốt, khiến chúng phù hợp với các điều kiện nhiệt và áp suất khắc nghiệt.
Hợp kim niken thể hiện mức hiệu suất cao nhất trong cả môi trường nhiệt độ khắc nghiệt và ăn mòn cao. Inconel 625 duy trì độ bền kéo trên 100 MPa ngay cả ở 1093°C, trong khi Hastelloy C-276 mang lại khả năng chống oxy hóa tuyệt vời lên đến 1200°C. Các hợp kim này cũng có khả năng chống rão vượt trội. Ví dụ, ở 800°C, Hastelloy C-276 có độ bền rão cao gấp khoảng năm lần so với thép không gỉ 316L.
Khả năng chống ăn mòn đặc biệt của chúng bắt nguồn từ hàm lượng niken cao (≥50%), crom (20–30%) và molypden (10–16%). Sự kết hợp này cho phép chống lại một loạt các cơ chế suy thoái, bao gồm oxy hóa, nứt ăn mòn ứng suất và ăn mòn giữa các hạt—ngay cả trong môi trường hóa học khắc nghiệt nhất. Ví dụ, trong các ứng dụng hóa học than, nơi các máy khí hóa hoạt động ở 650°C và chứa H₂S và CO₂, chỉ các hợp kim niken mới có thể cung cấp hiệu suất đáng tin cậy trong hơn 20 năm tuổi thọ.
Trong các ứng dụng nhiệt độ cao, việc lựa chọn vật liệu cho mặt bích không chỉ phải xem xét ngưỡng nhiệt độ mà còn cả hiệu suất cơ học lâu dài và khả năng chống ăn mòn.
Thép carbon có tính kinh tế nhưng bị giới hạn ở nhiệt độ thấp hơn và môi trường không ăn mòn.
Thép không gỉ Austenit mang lại khả năng chống ăn mòn nhiệt độ cao được cải thiện nhưng nhạy cảm với hiện tượng nhạy cảm và rão.
Thép không gỉ Duplex cung cấp độ bền cao ở nhiệt độ vừa phải nhưng xuống cấp nhanh chóng ở nhiệt độ cao.
Thép hợp kim Cr-Mo được tối ưu hóa cho dịch vụ áp suất cao, nhiệt độ cao với khả năng chống rão mạnh.
Hợp kim niken mang lại hiệu suất vượt trội trong điều kiện khắc nghiệt, mặc dù với chi phí cao hơn đáng kể.
Việc đánh giá cẩn thận nhiệt độ vận hành, áp suất và thành phần môi chất là điều cần thiết để chọn vật liệu mặt bích phù hợp nhằm đảm bảo an toàn, độ bền và hiệu quả về chi phí.
Hiệu suất của vật liệu mặt bích trong điều kiện nhiệt độ cao thay đổi đáng kể dựa trên các yếu tố như khả năng duy trì độ bền, khả năng chống oxy hóa, khả năng chống rão, độ ổn định nhiệt, và khả năng tương thích hóa học với môi chất. Dưới đây là đánh giá chi tiết dựa trên các loại vật liệu điển hình.
Thép carbon thường phù hợp với các ứng dụng nhiệt độ từ thấp đến trung bình. Độ bền của nó giảm nhanh chóng khi nhiệt độ tăng. Ví dụ, giới hạn chảy của thép 20# giảm từ khoảng 245 MPa ở nhiệt độ phòng xuống còn khoảng 180 MPa ở 400°C, tương đương với việc mất hơn 30%. Trên 450°C, vật liệu trở nên dễ bị thô hạt do hiện tượng cầu hóa perlit, cuối cùng có thể dẫn đến hỏng do rão.
Về khả năng chống oxy hóa, thép carbon hoạt động kém. Quá trình oxy hóa bắt đầu tăng tốc trên 300°C, với sự hình thành của lớp oxit Fe₃O₄ lỏng lẻo. Ở 500°C, tốc độ oxy hóa có thể cao gấp năm lần so với ở 300°C. Nếu các hợp chất lưu huỳnh hoặc hơi nước có mặt trong môi trường, sự ăn mòn do oxy hóa càng trở nên trầm trọng hơn, làm giảm độ tin cậy của vật liệu trong các điều kiện như vậy.
Thép không gỉ Austenit được sử dụng rộng rãi trong môi trường nhiệt độ cao, ăn mòn do khả năng chống oxy hóa và độ ổn định nhiệt vượt trội. Loại 304 có thể được sử dụng ở nhiệt độ lên đến khoảng 870°C, trong khi 316L, có chứa molypden, vẫn giữ được độ bền tốt (giới hạn chảy ≥120 MPa) lên đến 650°C. Hàm lượng crom cao của chúng (18–20%) cho phép hình thành lớp thụ động Cr₂O₃ dày đặc, làm chậm quá trình oxy hóa đáng kể. Ví dụ, ở 800°C, tốc độ oxy hóa của 304/316 thấp hơn hơn 90% so với thép carbon.
Tuy nhiên, thép không gỉ Austenit không phải là không có những hạn chế. Việc tiếp xúc lâu trong khoảng nhiệt độ 450–850°C có thể dẫn đến hiện tượng nhạy cảm, trong đó các cacbua crom kết tủa ở ranh giới hạt, gây ra ăn mòn giữa các hạt. Vấn đề này có thể được giảm thiểu bằng các phương pháp xử lý ổn định, chẳng hạn như sử dụng các loại thép ổn định titan như thép không gỉ 321.
Một mối quan tâm khác là biến dạng rão. Trên 650°C, tốc độ rão tăng đáng kể, đòi hỏi phải giảm ứng suất thiết kế cho phép. Ví dụ, ở 700°C, ứng suất cho phép của 316L có thể giảm xuống chỉ còn khoảng 15% giá trị của nó ở nhiệt độ môi trường.
Thép không gỉ Duplex mang lại sự cân bằng giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn, khiến chúng trở thành một giải pháp tiết kiệm chi phí trong môi trường nhiệt độ cao vừa phải liên quan đến môi chất ăn mòn. Loại 2205 thường được sử dụng ở nhiệt độ lên đến 300°C, trong khi 2507 có thể được sử dụng lên đến 350°C. Ở 300°C, 2205 vẫn giữ được giới hạn chảy vượt quá 400 MPa, gần gấp đôi so với thép không gỉ 304.
Mặc dù có những ưu điểm về độ bền, thép duplex kém ổn định về mặt nhiệt hơn so với các loại Austenit ở nhiệt độ cao. Trên 350°C, pha ferit có xu hướng phát triển hạt và giảm khả năng chống rão. Sự mất mát nhanh chóng về tính toàn vẹn cơ học này hạn chế sự phù hợp của chúng đối với dịch vụ nhiệt độ cao trong thời gian dài.
Thép hợp kim Cr-Mo được thiết kế đặc biệt cho môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao như nhà máy điện và hệ thống lò hơi. Hiệu suất cơ học của chúng trong các điều kiện như vậy vượt xa thép carbon và thép không gỉ tiêu chuẩn.
Thép 15CrMo, chứa 1–1,5% crom và khoảng 0,5% molypden, phù hợp với nhiệt độ làm việc lên đến 550°C. Ở 500°C, nó vẫn duy trì giới hạn chảy trên 200 MPa. Thép P91, một hợp kim 9%Cr–1%Mo hiệu suất cao, có khả năng hoạt động lâu dài dưới 650°C với khả năng chống rão tuyệt vời. Ví dụ, ở 600°C trong hơn 100.000 giờ, độ bền rão của P91 vẫn ở mức khoảng 100 MPa, so với chỉ 40 MPa đối với 15CrMo.
Các vật liệu này kết hợp độ bền nhiệt độ cao với khả năng chống oxy hóa tốt, khiến chúng phù hợp với các điều kiện nhiệt và áp suất khắc nghiệt.
Hợp kim niken thể hiện mức hiệu suất cao nhất trong cả môi trường nhiệt độ khắc nghiệt và ăn mòn cao. Inconel 625 duy trì độ bền kéo trên 100 MPa ngay cả ở 1093°C, trong khi Hastelloy C-276 mang lại khả năng chống oxy hóa tuyệt vời lên đến 1200°C. Các hợp kim này cũng có khả năng chống rão vượt trội. Ví dụ, ở 800°C, Hastelloy C-276 có độ bền rão cao gấp khoảng năm lần so với thép không gỉ 316L.
Khả năng chống ăn mòn đặc biệt của chúng bắt nguồn từ hàm lượng niken cao (≥50%), crom (20–30%) và molypden (10–16%). Sự kết hợp này cho phép chống lại một loạt các cơ chế suy thoái, bao gồm oxy hóa, nứt ăn mòn ứng suất và ăn mòn giữa các hạt—ngay cả trong môi trường hóa học khắc nghiệt nhất. Ví dụ, trong các ứng dụng hóa học than, nơi các máy khí hóa hoạt động ở 650°C và chứa H₂S và CO₂, chỉ các hợp kim niken mới có thể cung cấp hiệu suất đáng tin cậy trong hơn 20 năm tuổi thọ.
Trong các ứng dụng nhiệt độ cao, việc lựa chọn vật liệu cho mặt bích không chỉ phải xem xét ngưỡng nhiệt độ mà còn cả hiệu suất cơ học lâu dài và khả năng chống ăn mòn.
Thép carbon có tính kinh tế nhưng bị giới hạn ở nhiệt độ thấp hơn và môi trường không ăn mòn.
Thép không gỉ Austenit mang lại khả năng chống ăn mòn nhiệt độ cao được cải thiện nhưng nhạy cảm với hiện tượng nhạy cảm và rão.
Thép không gỉ Duplex cung cấp độ bền cao ở nhiệt độ vừa phải nhưng xuống cấp nhanh chóng ở nhiệt độ cao.
Thép hợp kim Cr-Mo được tối ưu hóa cho dịch vụ áp suất cao, nhiệt độ cao với khả năng chống rão mạnh.
Hợp kim niken mang lại hiệu suất vượt trội trong điều kiện khắc nghiệt, mặc dù với chi phí cao hơn đáng kể.
Việc đánh giá cẩn thận nhiệt độ vận hành, áp suất và thành phần môi chất là điều cần thiết để chọn vật liệu mặt bích phù hợp nhằm đảm bảo an toàn, độ bền và hiệu quả về chi phí.
