A335 P11 vs P22 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
ASTM A335 P11 dan P22 adalah dua baja paduan krom–molybdenum yang banyak digunakan untuk bagian tekanan suhu tinggi seperti pipa, header, dan tabung boiler. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur biasanya mempertimbangkan trade-off antara biaya, kekuatan suhu tinggi, kemampuan pengelasan, dan ketahanan creep jangka panjang saat memilih di antara keduanya. Konteks keputusan yang umum termasuk mencocokkan kekuatan dan ketangguhan material dengan suhu layanan, menentukan prosedur pengelasan untuk fabrikasi, dan menyeimbangkan biaya siklus hidup dengan harga pembelian awal.
Perbedaan teknis utama antara kelas-kelas ini adalah tingkat paduan krom dan molybdenum: P22 mengandung jauh lebih banyak krom dan molybdenum dibandingkan P11, yang secara langsung mempengaruhi kemampuan pengerasan, kekuatan suhu tinggi, dan ketahanan oksidasi. Karena kedua baja ini adalah paduan ferritik Cr–Mo yang dirancang untuk layanan suhu tinggi, mereka sering dibandingkan selama pemilihan material untuk boiler, pipa uap super panas, dan bejana tekan.
1. Standar dan Penunjukan
- ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (Pipa baja paduan ferritik tanpa sambungan untuk layanan suhu tinggi)
- Kelas P11 (sering dicatat sebagai 1.25Cr–0.5Mo nominal)
- Kelas P22 (sering dicatat sebagai 2.25Cr–1Mo nominal)
- EN: Kelas yang sebanding tersedia dalam sistem standar EN (misalnya, P11 ≈ 13CrMo4-5 atau keluarga serupa; P22 ≈ 2.25Cr–1Mo baja tempering)
- JIS/GB: Standar nasional menyediakan baja tempering Cr–Mo yang kira-kira setara digunakan untuk pipa dan bejana suhu tinggi.
- Klasifikasi: Baik P11 maupun P22 adalah baja paduan (baja ferritik Cr–Mo), bukan baja tahan karat atau baja alat; mereka digunakan untuk komponen penahan tekanan suhu tinggi dan bukan HSLA dalam pengertian modern.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel di bawah ini mencantumkan rentang komposisi nominal yang umum (wt%) digunakan dalam praktik industri untuk A335 P11 dan P22. Nilai-nilai ditampilkan sebagai rentang representatif daripada minimum/maksimum yang dijamin dari spesifikasi pembelian tertentu.
| Elemen | A335 P11 (tipikal, wt%) | A335 P22 (tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.08 – 0.15 | 0.08 – 0.15 |
| Mn | 0.25 – 0.60 | 0.25 – 0.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.10 – 0.50 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| Cr | ~0.90 – 1.30 | ~2.00 – 2.50 |
| Ni | ≤ 0.40 (jejak) | ≤ 0.40 (jejak) |
| Mo | ~0.40 – 0.65 | ~0.85 – 1.05 |
| V | biasanya jejak | biasanya jejak |
| Nb (Cb) | biasanya jejak | biasanya jejak |
| Ti | biasanya jejak | biasanya jejak |
| B | biasanya jejak | biasanya jejak |
| N | jejak | jejak |
Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Krom: meningkatkan ketahanan oksidasi/korosi pada suhu tinggi dan berkontribusi pada kemampuan pengerasan dan kekuatan suhu tinggi. Krom yang lebih tinggi di P22 meningkatkan ketahanannya terhadap pengelupasan dan meningkatkan retensi kekuatan pada suhu layanan. - Molybdenum: memperkuat ferrit pada suhu tinggi, meningkatkan kekuatan creep, dan meningkatkan kemampuan pengerasan. Kandungan Mo yang lebih tinggi pada P22 menghasilkan kekuatan creep dan suhu tinggi yang lebih baik dibandingkan P11. - Karbon dan mangan: kontributor utama untuk kekuatan dan kemampuan pengerasan; kedua kelas mempertahankan karbon sedang untuk menyeimbangkan kemampuan pengelasan dan kekuatan. - Elemen minor dan mikro-paduan (V, Nb, Ti) mungkin hadir dalam jumlah jejak dan dapat memperhalus struktur butir serta memperkuat matriks melalui pengendapan di bawah pemrosesan tertentu.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Sebagai-manufaktur dan dinormalisasi: kedua kelas umumnya menunjukkan mikrostruktur martensit/bainit yang ditempa setelah siklus normalisasi dan tempering yang biasanya ditentukan untuk bagian tekanan. - Setelah quench & temper (di mana berlaku untuk bagian berat atau penempaan): struktur martensitik yang ditempa dengan pengendapan karbida (karbida kaya Cr/Mo) memberikan kekuatan tinggi dan ketahanan creep. - Pemrosesan thermo-mechanical: penggulungan terkontrol dapat memperhalus ukuran butir dan meningkatkan ketangguhan untuk kedua kelas, meskipun kandungan paduan mengontrol kemudahan pemurnian.
Efek perlakuan panas: - Normalisasi diikuti dengan tempering memperhalus ukuran butir, mengubah mikrostruktur yang digulung menjadi matriks martensit/bainit yang seragam, dan mengendapkan karbida Cr–Mo yang berkontribusi pada kekuatan suhu tinggi. - Krom dan Mo yang lebih tinggi pada P22 mendorong fraksi volume karbida paduan yang lebih besar dan memperlambat pelunakan pada suhu tinggi; biasanya memerlukan rejim tempering yang disesuaikan untuk menyeimbangkan kekerasan dan ketangguhan untuk bagian yang lebih tebal. - P11 kurang dipaduan dan dengan demikian agak lebih mudah untuk mendapatkan ketangguhan yang sesuai setelah siklus normalisasi/tempering standar, tetapi memiliki kekuatan jangka panjang yang lebih rendah pada suhu yang sangat tinggi dibandingkan P22.
4. Sifat Mekanik
Di bawah ini adalah rentang sifat representatif untuk kondisi dinormalisasi dan ditempa yang umum digunakan dalam desain. Sifat yang dijamin sebenarnya tergantung pada bentuk produk dan perlakuan panas tertentu.
| Sifat (suhu ruangan kecuali dinyatakan) | A335 P11 (tipikal) | A335 P22 (tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~415 – 550 | ~415 – 620 |
| Kekuatan luluh (offset 0.2%, MPa) | ~240 – 360 | ~260 – 400 |
| Peregangan (%) | ~20 – 25 | ~18 – 22 |
| Dampak Charpy V-notch (J, dinormalisasi) | Umumnya baik pada suhu ambien; mempertahankan ketangguhan dengan perlakuan panas yang tepat | Duktilitas sebanding atau sedikit lebih rendah untuk kekuatan yang sama karena paduan yang lebih tinggi |
| Kekerasan (HB atau HRC) | Sedang (misalnya, rentang HB 150–220 tergantung pada perlakuan panas) | Sedikit lebih tinggi untuk tempering yang setara karena paduan |
Interpretasi: - P22 umumnya memberikan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep yang lebih tinggi karena kandungan Cr dan Mo yang lebih besar; ini sering diterjemahkan menjadi kemampuan untuk beroperasi dengan aman pada suhu yang lebih tinggi atau dengan ketebalan dinding yang lebih rendah untuk umur desain tertentu. - P11 cenderung lebih duktile dan sedikit lebih mudah untuk diperlakukan panas untuk ketangguhan pada ketebalan tertentu, tetapi memberikan kekuatan jangka panjang yang lebih rendah pada suhu tinggi.
5. Kemampuan Pengelasan
Kemampuan pengelasan tergantung pada ekuivalen karbon, kemampuan pengerasan, dan mikro-paduan. Dua ukuran empiris yang banyak digunakan adalah ekuivalen karbon IIW dan Pcm:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - P22 memiliki Cr dan Mo yang lebih tinggi, yang meningkatkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ relatif terhadap P11, yang menunjukkan kerentanan yang lebih tinggi terhadap pengerasan di zona yang terpengaruh panas dan kebutuhan yang lebih besar untuk pemanasan awal dan suhu antar yang terkontrol. - Kedua kelas umumnya dilas dalam industri; praktik yang direkomendasikan termasuk elektroda rendah hidrogen, pemanasan awal yang ditentukan (dan kadang-kadang perlakuan panas pasca pengelasan — PWHT), dan kualifikasi prosedur pengelasan. P22 lebih sering memerlukan rejim pemanasan awal/PWHT yang lebih konservatif untuk bagian yang lebih tebal karena kemampuan pengerasan yang lebih tinggi. - Kontrol hidrogen, suhu antar, dan PWHT sangat penting untuk menghindari retak yang dibantu hidrogen dan untuk menurunkan kekerasan HAZ.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik P11 maupun P22 bukanlah baja tahan karat; keduanya akan terkorosi jika terpapar lingkungan akuatik atau agresif. Pemilihan didorong oleh perilaku mekanik dan oksidasi suhu tinggi daripada ketahanan korosi umum.
- Untuk perlindungan eksternal atau atmosfer: galvanisasi, sistem cat/pelapis, atau overlay semprot termal dapat diterapkan tergantung pada layanan.
- Untuk perlindungan internal dalam aliran proses korosif: pelapisan (misalnya, overlay las dengan paduan tahan korosi), lining, atau desain toleransi korosi adalah strategi yang umum.
- PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) digunakan untuk paduan tahan karat dan tidak berlaku untuk baja ferritik Cr–Mo. Untuk paduan tahan karat, seseorang akan menggunakan:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Tetapi indeks ini tidak relevan untuk A335 P11 dan P22 karena kandungan Cr mereka berada di bawah ambang batas tahan karat dan mereka tidak memiliki kandungan N dan Ni yang tinggi yang khas dari kelas tahan karat.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin: Kedua kelas dapat diproses dengan baik dalam kondisi dinormalisasi/ditempa. P22 mungkin sedikit lebih keras pada alat pemotong karena paduan yang lebih tinggi dan karbida yang mengendap. Elemen pembentuk karbida (Cr, Mo) meningkatkan abrasi alat.
- Formabilitas: Keduanya kurang dapat dibentuk dibandingkan baja karbon biasa saat dingin; pembentukan biasanya dilakukan dalam kondisi dinormalisasi atau direbus dengan perhatian pada jari-jari bengkok. Untuk bentuk pipa dan tabung, pembentukan adalah hal biasa tetapi pemulihan dan risiko retak di daerah yang banyak dikerjakan dingin adalah pertimbangan.
- Penyelesaian permukaan: Penggilingan, pembubutan, dan penyelesaian pengelasan adalah standar; perhatian pada stres residual dan penghindaran overheating selama pemrosesan pada P22 disarankan untuk mencegah peningkatan kekerasan lokal.
8. Aplikasi Tipikal
| A335 P11 – Penggunaan Tipikal | A335 P22 – Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Pipa uap suhu rendah hingga sedang, header, dan fitting di mana sensitivitas biaya menjadi faktor dan suhu sedang | Pipa uap suhu tinggi, tabung pemanas ulang/pemanas ulang, dan bejana tekan di mana kekuatan creep dan ketahanan oksidasi yang lebih tinggi diperlukan |
| Boiler dan penukar panas di zona suhu tinggi yang kurang parah | Saluran uap utama pembangkit listrik, pipa pemanas ulang panas, dan komponen untuk layanan hingga suhu desain yang lebih tinggi |
| Pipa pabrik minyak dan kimia untuk suhu sedang | Pemanas proses petrokimia tugas tinggi dan komponen penahan tekanan suhu tinggi |
Alasan pemilihan: - Pilih P11 untuk aplikasi di mana suhu layanan maksimum yang nominal lebih rendah, biaya material yang lebih rendah, dan fabrikasi yang lebih mudah menjadi prioritas. - Pilih P22 ketika aplikasi membutuhkan kekuatan creep yang lebih tinggi, retensi sifat mekanik yang lebih baik pada suhu tinggi, atau ketahanan yang lebih baik terhadap pengelupasan/oksidasi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Ketersediaan: Kedua kelas umumnya tersedia sebagai pipa tanpa sambungan dan yang dilas, fitting, dan beberapa penempaan; P11 dan P22 adalah kelas standar di banyak rantai pasokan untuk pembangkit listrik dan pabrik proses.
- Biaya: P22 biasanya lebih mahal daripada P11 karena kandungan Cr dan Mo yang lebih tinggi. Biaya tambahan mungkin dibenarkan oleh umur yang lebih panjang, kemungkinan desain dinding yang lebih tipis, atau pengurangan pemeliharaan.
- Bentuk produk: Keduanya tersedia dengan mudah dalam bentuk pipa, tabung, dan pelat bejana tekan; waktu tunggu umumnya pendek untuk ukuran standar tetapi dapat meningkat untuk penempaan besar atau perlakuan panas khusus.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Aspek | A335 P11 | A335 P22 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih baik (kandungan paduan lebih rendah → CE lebih rendah) | Sedikit lebih menuntut (Cr/Mo lebih tinggi → CE lebih tinggi; membutuhkan lebih banyak pemanasan awal/PWHT) |
| Kekuatan–Ketangguhan pada RT | Kekuatan sedang, duktilitas baik | Kekuatan lebih tinggi pada suhu, duktilitas sebanding atau sedikit lebih rendah pada kekuatan yang setara |
| Kekuatan suhu tinggi / Ketahanan Creep | Memadai untuk suhu tinggi yang sedang | Unggul untuk suhu yang lebih tinggi dan umur creep yang lebih lama |
| Biaya | Lebih rendah | Lebih tinggi |
Rekomendasi: - Pilih P11 jika Anda memerlukan paduan Cr–Mo yang hemat biaya untuk layanan suhu tinggi yang sedang di mana PWHT yang luas atau ketahanan creep suhu tinggi yang agresif tidak diperlukan, dan di mana duktilitas dingin yang sedikit lebih baik dan prosedur pengelasan yang lebih mudah menguntungkan. - Pilih P22 jika desain memerlukan kekuatan jangka panjang yang lebih tinggi dan ketahanan creep pada suhu tinggi, ketahanan pengelupasan yang lebih baik, atau kemungkinan dinding yang lebih tipis untuk umur desain tertentu — dan Anda dapat mengakomodasi persyaratan pengelasan dan perlakuan panas pasca pengelasan yang lebih ketat serta biaya material yang sedikit lebih tinggi.
Catatan penutup: Untuk komponen penahan tekanan yang kritis, selalu kualifikasikan spesifikasi material, perlakuan panas yang diperlukan, dan prosedur pengelasan dengan metalurgis proyek atau otoritas kode (ASME) untuk memastikan kompatibilitas dengan suhu desain, tegangan yang diizinkan, dan batasan fabrikasi.