ASTM A516 Gr60 vs Gr70 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
ASTM A516 Kelas 60 dan 70 adalah dua pelat baja karbon yang paling umum ditentukan untuk pembuatan peralatan yang menahan tekanan, terutama boiler, bejana tekan, dan tangki penyimpanan. Insinyur dan profesional pengadaan sering mempertimbangkan trade-off antara kekuatan, ketangguhan, kemampuan pengelasan, dan biaya saat memilih antara kedua kelas ini. Konteks keputusan yang umum termasuk memilih kelas untuk tekanan operasi yang lebih tinggi (mengutamakan kekuatan) dibandingkan dengan memprioritaskan ketangguhan notch pada suhu rendah atau kemampuan pengelasan yang lebih baik (mengutamakan kandungan karbon yang lebih rendah dan duktilitas).
Perbedaan utama antara A516 Kelas 60 dan Kelas 70 adalah tingkat kekuatan mekanik yang diperlukan: Kelas 70 ditentukan untuk memenuhi kekuatan minimum yang lebih tinggi dibandingkan Kelas 60. Karena kedua kelas ini memiliki komposisi dasar dan jalur pemrosesan yang serupa, mereka sering dibandingkan ketika desain memerlukan keseimbangan antara kemampuan tekanan, ketahanan patah, dan ekonomi fabrikasi.
1. Standar dan Penunjukan
- Spesifikasi utama: ASTM A516 / ASME SA-516 — “Pelat Bejana Tekan, Baja Karbon, untuk Layanan Suhu Sedang dan Rendah.”
- Kode terkait: Kode Boiler & Bejana Tekan ASME (Bagian II dan VIII) saat digunakan dalam bejana tekan.
- Standar internasional yang sebanding (digunakan untuk referensi silang): seri EN 10028 (pelat bejana tekan), JIS G3115 (pelat baja bejana tekan), dan varian GB/T 3274/7131 dalam standar Tiongkok. Kesetaraan yang tepat tergantung pada sifat yang diperlukan dan pengujian (misalnya, persyaratan energi dampak).
- Klasifikasi: Baik A516 Gr60 maupun Gr70 adalah baja karbon-mangan (baja karbon non-paduan). Mereka bukan baja tahan karat, baja alat, atau kelas HSLA paduan tinggi dalam arti paduan mikro yang signifikan; beberapa pabrik komersial mungkin menambahkan elemen paduan mikro dalam jumlah kecil untuk mencapai sifat target.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Di bawah ini adalah tabel ilustratif dari rentang komposisi tipikal (wt%). Ini adalah rentang komersial yang representatif untuk kelas pelat A516; komposisi yang dijamin secara aktual harus dikonfirmasi pada sertifikat uji pabrik untuk setiap heat.
| Elemen | Rentang tipikal atau maksimum (wt%) |
|---|---|
| C (Karbon) | 0.18 – 0.28 (tergantung kelas & pabrik) |
| Mn (Mangan) | 0.60 – 1.35 |
| Si (Silikon) | 0.10 – 0.35 |
| P (Fosfor) | ≤ 0.035 (maks) |
| S (Belerang) | ≤ 0.035 (maks) |
| Cr (Krom) | jejak – ~0.30 (jika ada) |
| Ni (Nikel) | jejak – ~0.40 (jika ada) |
| Mo (Molybdenum) | jejak – ~0.10 (jika ada) |
| V (Vanadium) | biasanya jejak (jika dipaduan mikro) |
| Nb (Niobium) | biasanya jejak (jika dipaduan mikro) |
| Ti (Titanium) | biasanya jejak (jika ada untuk deoksidasi) |
| B (Boron) | jejak jika digunakan secara sengaja |
| N (Nitrogen) | rendah (ppm) |
Catatan: - ASTM A516 tidak memerlukan penambahan paduan yang substansial; baja terutama adalah komposisi karbon-mangan. Beberapa produsen menerapkan paduan mikro (V, Nb, Ti) atau pemrosesan terkontrol untuk mengoptimalkan kekuatan dan ketangguhan. - Kekuatan yang lebih tinggi (Gr70) umumnya dicapai melalui kimia yang terkontrol ditambah pemrosesan termo-mekanis atau praktik penggulungan daripada melalui paduan berat.
Bagaimana paduan mempengaruhi perilaku: - Karbon meningkatkan kekuatan dan kemampuan pengerasan tetapi mengurangi kemampuan pengelasan dan duktilitas. Tingkat karbon yang moderat mempertahankan keseimbangan. - Mangan meningkatkan kemampuan pengerasan dan kekuatan tarik serta mempromosikan deoksidasi tetapi jika berlebihan dapat meningkatkan kemampuan pengerasan dan mempengaruhi ketangguhan. - Silikon membantu deoksidasi; jumlah kecil tidak mengubah perilaku mekanis secara signifikan. - Elemen paduan mikro (V, Nb, Ti) memperhalus ukuran butir, mempromosikan penguatan presipitasi, dan dapat meningkatkan kekuatan tanpa secara proporsional mengurangi ketangguhan ketika digunakan dalam jumlah yang terkontrol.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Pelat A516 yang digulung biasanya menunjukkan mikrostruktur ferrit–pearlit dalam kondisi yang diproduksi. Perbedaan antara Kelas 60 dan Kelas 70 sebagian besar bersifat kuantitatif (gradien karbon dan Mn, ukuran butir, kepadatan dislokasi) daripada kualitatif. - Pemrosesan termo-mekanis yang terkontrol (TMCP) dapat menghasilkan ukuran butir ferrit yang lebih halus dan beberapa konstituen bainitik, meningkatkan baik kekuatan maupun ketangguhan dibandingkan dengan pelat yang digulung secara konvensional.
Respons perlakuan panas: - A516 biasanya disuplai dalam kondisi normalisasi yang digulung; pendinginan penuh dan temper tidak umum untuk spesifikasi ini karena produk ini dimaksudkan untuk layanan suhu sedang dan konstruksi yang dilas. - Normalisasi (pemanasan di atas kritis dan pendinginan terkontrol) memperhalus ukuran butir dan meningkatkan ketangguhan; ini adalah jalur yang diterima untuk meningkatkan ketangguhan notch tanpa paduan yang berlebihan. - Pendinginan dan tempering dapat mencapai tingkat kekuatan yang lebih tinggi dan profil ketangguhan yang berbeda tetapi tidak umum ditentukan untuk pelat A516 standar; perlakuan semacam itu mengubah kelas produk dan dapat mempengaruhi prosedur pengelasan dan ketangguhan notch. - Jalur termo-mekanis (penggulungan terkontrol + pendinginan dipercepat) digunakan oleh pabrik untuk memberikan sifat Gr70 dengan mikrostruktur butir halus dan ketangguhan suhu rendah yang baik.
4. Sifat Mekanis
Batas kuantitatif dalam spesifikasi bervariasi berdasarkan kelas, ketebalan, dan pengujian dampak opsional. Alih-alih menyatakan minimum numerik yang tepat (yang harus diambil dari spesifikasi ASTM/ASME saat ini dan laporan uji pabrik), perbandingan relatif dirangkum di bawah ini.
| Sifat | A516 Kelas 60 | A516 Kelas 70 |
|---|---|---|
| Kekuatan Tarik | Rentang lebih rendah (cukup untuk tekanan sedang) | Lebih tinggi (dirancang untuk layanan tekanan lebih tinggi) |
| Kekuatan Luluh | Minimum luluh lebih rendah | Minimum luluh lebih tinggi |
| Peregangan (duktilitas) | Sebanding; sering sedikit lebih tinggi duktilitas pada ketebalan yang sama | Duktilitas sedikit lebih rendah karena kekuatan yang lebih tinggi, tetapi masih cocok untuk pembentukan |
| Ketangguhan Dampak | Ditentukan oleh persyaratan Charpy V-notch jika diperlukan; baik dengan pemrosesan yang tepat | Dapat memenuhi ketangguhan yang sama atau lebih tinggi tergantung pada pemrosesan; sering ditentukan untuk bagian yang lebih tebal dan tekanan lebih tinggi |
| Kekerasan | Sedikit lebih rendah | Sedikit lebih tinggi |
Interpretasi: - Kelas 70 memberikan margin kekuatan yang lebih tinggi, memungkinkan baik bagian yang lebih tipis untuk tekanan yang sama atau tekanan yang lebih tinggi yang diizinkan untuk ketebalan yang sama. - Ketangguhan dikendalikan oleh kimia, ketebalan, dan pemrosesan pabrik — Gr70 yang diproses dengan benar dapat memiliki ketangguhan yang sama atau lebih baik dibandingkan Gr60, tetapi seiring dengan meningkatnya kekuatan, perhatian yang cermat terhadap ketangguhan notch dan pengujian dampak diperlukan. - Desainer harus berkonsultasi dengan sertifikat sifat mekanis aktual dan pengujian dampak yang diperlukan (suhu, energi) untuk aplikasi mereka.
5. Kemampuan Pengelasan
Pertimbangan kemampuan pengelasan bergantung pada kandungan karbon, kemampuan pengerasan, dan paduan residu. Dua rumus ekuivalen karbon yang umum digunakan untuk memperkirakan kemampuan pengelasan ditunjukkan di bawah ini dan harus digunakan secara kualitatif:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
dan
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi: - Nilai yang lebih rendah dari $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ menunjukkan kemampuan pengelasan yang lebih mudah dan risiko retak dingin yang lebih rendah; kedua kelas A516 biasanya memiliki ekuivalen karbon yang rendah hingga sedang. - Kelas 70 mungkin memiliki sedikit lebih tinggi ekuivalen karbon dibandingkan Kelas 60 tergantung pada kimia dan pemrosesan, sehingga pemanasan awal dan suhu antar yang terkontrol mungkin lebih umum direkomendasikan untuk bagian yang lebih tebal atau pengelasan pada suhu lingkungan yang rendah. - Perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) jarang diperlukan untuk sebagian besar pelat bejana baja karbon tetapi mungkin diwajibkan oleh kode desain atau kondisi layanan; keputusan harus mengikuti persyaratan kode ASME dan kualifikasi prosedur pengelasan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Kelas 60 dan 70 A516 adalah baja karbon non-tahan karat; ketahanan korosi yang melekat terbatas pada baja dasar dan lingkungan. Strategi perlindungan korosi termasuk pelapisan (cat, epoksi), galvanisasi (primer hot-dip atau kaya seng), dan perlindungan katodik untuk layanan yang terkubur atau terendam.
- Indeks korosi baja tahan karat seperti PREN tidak berlaku untuk A516 karena bukan paduan tahan korosi. Sebagai referensi, PREN dihitung sebagai:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
tetapi indeks ini hanya berlaku untuk baja tahan karat austenitik dan duplex. - Pemilihan perlindungan permukaan harus mempertimbangkan fluida operasi, suhu, dan keausan mekanis. Untuk lingkungan yang agresif, pertimbangkan bahan tahan karat atau solusi berlapis/dilapisi daripada mengandalkan baja karbon biasa.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Pembentukan
- Pemotongan: Kedua kelas dapat dipotong dan dipotong dengan api dengan mudah; pemotongan plasma dan laser adalah umum. Kekuatan yang sedikit lebih tinggi di Gr70 mungkin memerlukan sedikit lebih banyak gaya atau keausan alat.
- Pembengkokan/Pembentukan: Gr60 biasanya lebih toleran untuk operasi pembentukan karena sedikit lebih besar duktilitas pada ketebalan yang setara. Gr70 dapat dibentuk tetapi mungkin memerlukan jari-jari bengkok yang lebih besar atau regangan bengkok yang lebih rendah.
- Kemampuan mesin: Tidak ada kelas yang merupakan paduan dengan kemampuan mesin tinggi; alat standar dan laju umpan berlaku. Kekuatan yang sedikit lebih tinggi di Gr70 dapat meningkatkan keausan alat.
- Penyelesaian permukaan (penggilingan, pemolesan) berperilaku serupa untuk kedua kelas; perlakuan sebelum dan sesudah pengelasan serupa.
8. Aplikasi Tipikal
| A516 Kelas 60 — Penggunaan Tipikal | A516 Kelas 70 — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Tangki penyimpanan, bejana tekan dengan tekanan rendah hingga sedang, bagian boiler di mana ketangguhan diutamakan dibandingkan tekanan maksimum yang diizinkan | Boiler dan bejana tekan dengan tekanan lebih tinggi, tangki dan reaktor di mana tegangan yang lebih tinggi diizinkan atau bagian yang lebih tipis diinginkan |
| Komponen yang dibuat di mana kemampuan pembentukan yang lebih baik bermanfaat | Aplikasi yang menuntut tegangan desain yang lebih tinggi atau penghematan berat melalui pengurangan ketebalan |
| Layanan suhu rendah dengan pengujian dampak yang sesuai jika diperlukan | Pelat yang lebih tebal dan layanan tekanan lebih tinggi dengan pemrosesan terkontrol untuk mempertahankan ketangguhan |
Rasional pemilihan: - Pilih kelas yang kombinasi kekuatan dan ketangguhannya memenuhi tegangan desain, margin keselamatan yang diperlukan, dan persyaratan suhu dampak sambil meminimalkan biaya dan kompleksitas fabrikasi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: Kelas 70 biasanya memiliki premi yang moderat dibandingkan Kelas 60 karena kekuatan yang lebih tinggi dan terkadang pemrosesan yang lebih terkontrol (TMCP). Namun, jika Kelas 70 memungkinkan pelat yang lebih tipis untuk memenuhi desain yang sama, biaya material keseluruhan dan biaya fabrikasi dapat lebih rendah.
- Ketersediaan: Kedua kelas diproduksi secara luas dan tersedia dalam ketebalan dan lebar pelat bejana tekan standar. Ketersediaan ketebalan tertentu, penyelesaian permukaan, dan pengujian dampak bersertifikat pada suhu rendah bervariasi menurut pabrik; pengadaan harus mengonfirmasi waktu pengiriman dan sertifikasi uji.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif):
| Kriteria | A516 Gr60 | A516 Gr70 |
|---|---|---|
| Kemampuan Pengelasan | Sangat baik (sedikit lebih mudah) | Sangat baik (mungkin memerlukan lebih banyak pemanasan awal untuk bagian tebal) |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Sangat baik untuk aplikasi umum | Kekuatan lebih tinggi; dapat menyamai ketangguhan jika diproses dengan benar |
| Biaya | Biaya material lebih rendah | Biaya material lebih tinggi tetapi dapat mengurangi berat/biaya keseluruhan melalui bagian yang lebih tipis |
Rekomendasi: - Pilih A516 Kelas 60 jika: - Desain lebih mengutamakan duktilitas yang lebih tinggi dan kemudahan fabrikasi. - Tekanan operasi dan tegangan yang diizinkan sedang dan memungkinkan penggunaan kelas dengan kekuatan lebih rendah. - Kontrol biaya dan prosedur pengelasan yang lebih sederhana menjadi prioritas. - Persyaratan ketangguhan suhu rendah dapat dipenuhi dengan pemrosesan Kelas 60.
- Pilih A516 Kelas 70 jika:
- Kekuatan minimum yang lebih tinggi diperlukan untuk memenuhi persyaratan tekanan atau struktural, atau jika pengurangan berat melalui pelat yang lebih tipis diinginkan.
- Desainer memerlukan nilai tegangan yang lebih tinggi untuk desain bejana dan siap untuk menentukan pengujian dampak yang sesuai dan mungkin kontrol pengelasan yang lebih ketat.
- Pabrik dapat menyediakan Gr70 dengan ketangguhan yang diperlukan (melalui TMCP atau penggulungan terkontrol).
Catatan akhir: Kedua kelas cocok untuk konstruksi bejana tekan ketika ditentukan dan disediakan sesuai dengan ASTM A516 dan kode yang berlaku (ASME). Untuk setiap pemilihan kritis, insinyur harus meninjau spesifikasi ASTM/ASME saat ini, memerlukan laporan uji pabrik (kimia dan mekanis), memverifikasi dokumentasi uji dampak pada suhu layanan yang diperlukan, dan memvalidasi prosedur pengelasan untuk kelas dan ketebalan yang dipilih.