P11 vs P22 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
P11 dan P22 adalah dua baja paduan Cr–Mo yang banyak digunakan untuk komponen yang menahan tekanan, terutama pipa, header, dan tabung boiler di pembangkit listrik dan pabrik petrokimia. Insinyur dan tim pengadaan sering mempertimbangkan trade-off antara kekuatan yang lebih tinggi dan kemampuan suhu tinggi dibandingkan dengan biaya, kemampuan las, dan ketangguhan saat memilih di antara keduanya.
Fitur pembeda utama adalah kandungan kromium dan molibdenum yang lebih tinggi pada P22 dibandingkan dengan P11, yang menggeser kinerja menuju kekuatan yang lebih besar, ketahanan creep, dan kemampuan pengerasan dengan mengorbankan kemampuan las yang sedikit lebih rendah dan biaya material yang lebih tinggi. Karena mereka berada di titik yang berdekatan pada spektrum paduan Cr–Mo, kelas ini biasanya dibandingkan saat merancang sistem tekanan suhu menengah (hingga beberapa ratus °C).
1. Standar dan Penunjukan
- Standar umum:
- ASTM/ASME: SA/SAE A335 P11, P22 (pipa baja paduan ferritik tanpa sambungan), A/SA 335 ditentukan untuk layanan suhu tinggi.
- EN: Keluarga grade Cr–Mo yang setara dalam standar EN (misalnya seri EN 10216/10222 memiliki keluarga produk Cr–Mo yang serupa).
- JIS/GB: Standar Jepang dan Cina mencakup baja Cr–Mo yang sebanding dengan kimia dan sifat yang serupa.
- Klasifikasi:
- Baik P11 maupun P22 adalah baja paduan (grade ferritik kromium–molybdenum), bukan baja tahan karat atau baja alat. Mereka tidak diklasifikasikan sebagai HSLA dalam arti yang ketat tetapi adalah baja bejana tekanan paduan rendah yang dirancang untuk kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel: rentang komposisi nominal tipikal (wt%, mewakili spesifikasi umum dan praktik komersial)
| Elemen | P11 (tipikal) | P22 (tipikal) |
|---|---|---|
| C | 0.05–0.15 | 0.05–0.15 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.25–0.60 |
| Si | 0.10–0.50 | 0.10–0.50 |
| P | ≤0.03 | ≤0.03 |
| S | ≤0.03 | ≤0.03 |
| Cr | ~0.9–1.4 (≈1.0–1.25) | ~2.0–2.6 (≈2.25) |
| Mo | ~0.4–0.6 (≈0.5) | ~0.8–1.15 (≈1.0) |
| Ni | ≤0.40 | ≤0.40 |
| V, Nb, Ti, B, N | Jejak/tidak ada (tergantung pada produsen) | Jejak/tidak ada (tergantung pada produsen) |
Catatan: - Nilai yang ditunjukkan adalah rentang nominal tipikal dari spesifikasi bejana tekanan/pipa daripada batas kontrol presisi untuk semua bentuk produk. Sertifikasi pabrik dan standar spesifik harus dikonsultasikan untuk proyek yang kritis terhadap kontrak. - Strategi paduan kunci adalah bahwa P22 memiliki Cr dan Mo tambahan yang substansial dibandingkan dengan P11. Ini meningkatkan kemampuan pengerasan, kekuatan suhu tinggi, dan ketahanan oksidasi/korosi di beberapa lingkungan, sementara P11 memberikan kimia yang lebih sederhana dengan kemampuan las yang sedikit lebih baik dan biaya material yang lebih rendah.
Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Kromium meningkatkan ketahanan oksidasi, kemampuan pengerasan, dan kekuatan suhu tinggi; ia juga mendorong pembentukan karbida yang menstabilkan kekuatan pada suhu tinggi. - Molybdenum memperkuat matriks ferrit, meningkatkan ketahanan creep, dan meningkatkan kemampuan pengerasan, memperbaiki retensi kekuatan pada suhu tinggi. - Karbon, Mn, dan Si menetapkan kekuatan dan kemampuan pengerasan dasar; karbon yang lebih tinggi meningkatkan kekuatan tetapi dapat mengurangi kemampuan las dan ketangguhan jika tidak dikontrol.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Dalam kondisi dinormalisasi dan dikeraskan, kedua grade menunjukkan mikrostruktur martensit yang dikeraskan atau mikrostruktur bainit yang dikeraskan tergantung pada laju pendinginan dan kandungan paduan. P22, dengan Cr dan Mo yang lebih tinggi, lebih kuat mendukung pembentukan martensit/bainit dan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi untuk siklus termal yang sama dibandingkan P11. - Mikrostruktur yang digulung untuk keduanya adalah pearlit/ferrit yang dikeraskan dengan karbida paduan (karbida Cr–Mo) yang terdispersi.
Respons perlakuan panas: - Normalisasi (pendinginan udara dari atas A3) memperhalus ukuran butir dan menghasilkan mikrostruktur yang seragam. P22 biasanya memerlukan suhu pengerasan yang lebih tinggi untuk mencapai ketangguhan yang sebanding karena peningkatan kemampuan pengerasan. - Pendinginan dan pengerasan: Kedua grade dapat didinginkan dan dikeraskan; P22 akan mencapai tingkat kekuatan yang lebih tinggi setelah pendinginan yang sama karena kandungan Cr–Mo, tetapi jadwal pengerasan harus disesuaikan untuk memulihkan ketangguhan dan mengurangi kekerasan residu. - Pemrosesan termo-mekanis: Penggulungan yang terkontrol diikuti oleh pengerasan meningkatkan ketangguhan dan ketahanan creep; tambahan mikro-paduan (Nb, V, Ti) jika ada lebih lanjut memperhalus ukuran butir dan pengikatan dislokasi.
Pertimbangan praktis: - Kemampuan pengerasan P22 yang lebih tinggi berarti bagian yang lebih tebal dan heatsink kasar dapat membentuk mikrostruktur yang lebih keras (risiko retak dingin di HAZ las tanpa pemanasan awal). - Pengerasan sangat penting untuk menyeimbangkan kekuatan dan ketangguhan untuk kedua grade, terutama untuk suhu operasi di mana creep menjadi perhatian.
4. Sifat Mekanis
Tabel: perbandingan kualitatif (kondisi produk yang dinormalisasi & dikeraskan)
| Sifat | P11 | P22 |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Sedang | Lebih tinggi |
| Kekuatan luluh | Sedang | Lebih tinggi |
| Peregangan (duktilitas) | Umumnya lebih tinggi | Sedikit lebih rendah |
| Ketangguhan impak (pada suhu ruang) | Baik jika dikeraskan dengan benar | Baik tetapi dapat lebih sensitif terhadap perlakuan panas |
| Kekerasan (seperti yang disampaikan) | Lebih rendah | Lebih tinggi |
Penjelasan: - P22 cenderung mencapai kekuatan tarik dan kekuatan luluh yang lebih tinggi terutama karena kandungan Cr dan Mo yang lebih tinggi yang meningkatkan kekuatan dan kemampuan pengerasan. P11 umumnya lebih duktil dan sedikit lebih mudah untuk mencapai HAZ yang tangguh setelah pengelasan. - Ketangguhan impak untuk keduanya dapat sangat baik ketika dinormalisasi dan dikeraskan dengan benar; namun, kemampuan pengerasan P22 yang lebih tinggi berarti kontrol termal yang tidak tepat dapat mengurangi ketangguhan di bagian tebal atau sambungan yang dilas dengan buruk. - Keseimbangan antara kekuatan dan ketangguhan dapat disesuaikan melalui pengerasan; desain harus menentukan energi impak yang diperlukan dan perlakuan panas untuk memastikan kepatuhan.
5. Kemampuan Las
Pendorong kemampuan las: - Setara karbon dan kemampuan pengerasan adalah indikator utama dari kerentanan terhadap pengerasan HAZ dan retak dingin. Kedua grade memerlukan pemanasan awal dan perlakuan panas pasca las (PWHT) untuk aplikasi tekanan, tetapi P22 biasanya memerlukan kontrol yang lebih konservatif. - Penggunaan rumus setara karbon memberikan penilaian kemampuan las kualitatif.
Indeks umum (hanya untuk interpretasi): - Setara karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parameter International Welding Institute: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - Karena P22 memiliki Cr dan Mo yang lebih tinggi, nilai $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ akan lebih tinggi untuk P22 dibandingkan dengan P11 dengan kimia yang serupa, menunjukkan kemampuan pengerasan yang lebih besar dan risiko yang lebih tinggi dari pengerasan HAZ dan retak dingin. - Konsekuensi praktis: peningkatan pemanasan awal, kontrol suhu antar las yang ketat, bahan habis pakai rendah hidrogen, dan PWHT pada suhu yang ditentukan lebih kritis untuk P22, terutama di bagian yang lebih tebal.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik P11 maupun P22 bukanlah baja tahan karat; ketahanan korosi di lingkungan basah atau agresif secara kimia terbatas. Perilaku pembentukan kromia meningkat dengan kandungan Cr, sehingga P22 menawarkan ketahanan oksidasi yang sedikit lebih baik pada suhu tinggi dan dapat membentuk lapisan oksida yang lebih pelindung di atmosfer pengoksidasi suhu tinggi.
- Untuk korosi atmosfer atau air umum, perlindungan permukaan diperlukan: pengecatan, pelapisan epoksi, atau galvanisasi (di mana kompatibel) adalah hal yang umum. Untuk layanan terkubur atau bawah laut, pelapisan epoksi dan perlindungan katodik adalah hal yang umum.
- PREN tidak berlaku untuk baja non-tahan karat ini; untuk konteks, PREN adalah: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Penggunaan PREN hanya berarti untuk grade tahan karat yang mengandung nikel dan nitrogen yang signifikan; untuk P11/P22, kandungan kromium dan molibdenum rendah dibandingkan dengan baja tahan karat, sehingga perencanaan ketahanan korosi harus bergantung pada pelapisan, inhibitor, dan pemilihan material.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Bentuk
- Kemampuan mesin: Keduanya dapat dikerjakan dalam kondisi dinormalisasi/dikeraskan; kekuatan dan kekerasan P22 yang lebih tinggi dapat mengurangi umur alat dan memerlukan parameter pemesinan yang lebih berat dibandingkan dengan P11.
- Kemampuan bentuk/tekuk: Pembentukan dingin lebih mudah dengan P11 karena kekuatan luluh yang lebih rendah dan duktilitas yang lebih tinggi. P22 kurang toleran dalam tekukan yang ketat dan mungkin memerlukan jari-jari tekuk yang lebih besar atau parameter pembentukan/tekukan suhu tinggi yang terkontrol.
- Penyelesaian permukaan: Keduanya merespons dengan baik terhadap operasi penyelesaian standar; penggilingan dan pemolesan cukup sederhana ketika dikeraskan hingga kekerasan sedang.
- Praktik pengelasan: Untuk sistem tekanan, keduanya memerlukan logam pengisi yang memenuhi syarat yang kompatibel dengan pengerasan dan PWHT untuk menghindari embrittlement; P22 sering membutuhkan pilihan pengisi yang lebih tangguh dan kontrol proses yang lebih ketat.
8. Aplikasi Tipikal
| P11 (penggunaan tipikal) | P22 (penggunaan tipikal) |
|---|---|
| Tabung boiler suhu rendah hingga menengah, header, dan pipa di mana biaya dan kemampuan las diprioritaskan | Pipa layanan suhu tinggi, saluran uap, header dan tabung superheater/reheater di mana kekuatan suhu tinggi diperlukan |
| Komponen struktural di pembangkit listrik di mana ketahanan creep sedang sudah memadai | Komponen yang terpapar suhu dan tekanan uap yang lebih tinggi di mana ketahanan creep dan oksidasi penting |
| Penukar panas dan bejana tekanan dalam layanan petrokimia dengan suhu/tekanan sedang | Komponen bejana tekanan kritis dan pipa di kilang dan pembangkit listrik yang memerlukan kekuatan lebih tinggi dan ketahanan oksidasi suhu tinggi yang lebih baik |
Rasional pemilihan: - Pilih P11 ketika keseimbangan biaya, kemudahan fabrikasi, dan kinerja suhu tinggi yang dapat diterima diperlukan untuk kondisi layanan sedang. - Pilih P22 ketika layanan melibatkan suhu yang lebih tinggi, tegangan desain yang lebih tinggi, atau ketika ketahanan creep dan kinerja oksidasi yang lebih baik membenarkan biaya material dan fabrikasi yang lebih tinggi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: P22 umumnya lebih mahal daripada P11 karena kandungan kromium dan molibdenum yang lebih tinggi serta persyaratan pemrosesan/perlakuan panas yang lebih ketat. Molybdenum adalah tambahan paduan yang relatif mahal.
- Ketersediaan: Kedua grade umum dalam rentang produk pipa tanpa sambungan dan dapat dilas; P11 dan P22 banyak tersedia untuk pasar pembangkit listrik dan petrokimia. Ketersediaan berdasarkan bentuk produk (pipa, pelat, penempaan) tergantung pada inventaris pabrik dan pasokan regional. Waktu tunggu untuk P22 dapat lebih lama selama masa ketatnya pasar molibdenum.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel: ringkasan perbandingan (kualitatif)
| Atribut | P11 | P22 |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Lebih baik (kemampuan pengerasan lebih rendah) | Lebih menuntut (kemampuan pengerasan lebih tinggi) |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan sedang, duktilitas baik | Kekuatan lebih tinggi, dapat kurang duktil jika tidak dikeraskan dengan benar |
| Biaya | Lebih rendah | Lebih tinggi |
Rekomendasi: - Pilih P11 jika: - Anda memerlukan paduan Cr–Mo yang hemat biaya untuk sistem tekanan suhu sedang. - Kemudahan pengelasan, fabrikasi, dan duktilitas adalah prioritas. - Suhu dan tegangan layanan berada dalam kemampuan P11 dan creep bukanlah kriteria desain yang mengendalikan. - Pilih P22 jika: - Aplikasi memerlukan kekuatan suhu tinggi yang lebih tinggi, ketahanan creep yang lebih baik, atau ketahanan oksidasi yang lebih baik pada suhu uap/gas yang lebih tinggi. - Anda dapat menerapkan kontrol pengelasan yang lebih ketat, pemanasan awal/PWHT, dan menerima biaya material yang lebih tinggi untuk kinerja jangka panjang yang lebih baik.
Catatan akhir: Tentukan perlakuan panas yang diperlukan, energi impak, pemanasan awal, dan PWHT dalam dokumen pengadaan; konsultasikan sertifikat uji pabrik untuk kimia dan mekanik aktual untuk setiap lot. Untuk desain bejana tekanan kritis atau suhu tinggi, validasi pilihan dengan data creep, sifat jangka panjang, dan kepatuhan kode yang relevan.