P22 vs P91 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi

Pendahuluan

Memilih antara P22 dan P91 adalah keputusan teknis umum bagi insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur yang bekerja pada peralatan penahan tekanan dan sistem perpipaan suhu tinggi. Dilema pemilihan biasanya berpusat pada umur pakai di bawah uap/panas (kinerja creep), fabrikasi dan kemampuan pengelasan, serta total biaya terpasang (material ditambah pengelasan dan perlakuan panas). P22 (paduan kelas 2.25Cr–1Mo) dan P91 (baja penguat creep 9Cr–1Mo, mikro-paduan) sering dibandingkan karena keduanya digunakan di industri tenaga dan proses tetapi menargetkan envelope suhu-tekanan dan persyaratan fabrikasi yang berbeda.

Perbedaan teknis utama adalah bahwa P91 dirancang untuk kekuatan jangka panjang dan ketahanan creep yang jauh lebih tinggi pada suhu tinggi, sementara P22 memberikan keseimbangan kekuatan suhu tinggi yang memadai dengan fabrikasi yang lebih mudah dan biaya material yang lebih rendah. Perbedaan itu mendorong pemilihan material untuk komponen yang terkena paparan berkepanjangan terhadap uap atau layanan suhu tinggi.

1. Standar dan Penunjukan

• Standar dan penunjukan umum:
• ASTM/ASME: A335 / SA335 P22 dan P91 (pipa baja paduan ferritik tanpa sambungan), ASTM A213, A335, ASME SA335.
• EN: Baja setara dicakup di bawah standar EN untuk peralatan tekanan tetapi mungkin memiliki nama kelas yang berbeda (misalnya, varian 22CrMo dan 9CrMo).
• JIS/GB: Standar nasional akan mencantumkan hampir setara (misalnya, seri 2.25Cr–1Mo dan 9Cr–1Mo).
• Klasifikasi:
• P22: baja ferritik paduan rendah (sering dikelompokkan dengan baja tahan panas Cr–Mo).
• P91: baja ferritik paduan/kekuatan tinggi dengan mikro-paduan (Cr–Mo–V–Nb) — dianggap sebagai ferritik yang diperkuat creep (mirip HSLA dalam beberapa konteks, tetapi dirancang khusus untuk ketahanan creep suhu tinggi).

2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan

Tabel: Rentang komposisi tipikal (massa %) untuk P22 dan P91 (rentang representatif per spesifikasi umum).

Elemen	P22 (rentang kira-kira)	P91 (rentang kira-kira)
C	0.05 – 0.15	0.08 – 0.12
Mn	0.30 – 0.60	0.30 – 0.60
Si	0.10 – 0.50	0.20 – 0.60
P	≤ 0.03	≤ 0.02
S	≤ 0.03	≤ 0.01
Cr	2.00 – 2.60	8.00 – 9.50
Ni	≤ 0.40	≤ 0.40
Mo	0.80 – 1.10	0.85 – 1.05
V	– (jejak)	0.15 – 0.25
Nb (Cb)	– (jejak)	0.06 – 0.12
Ti	≤ 0.01	≤ 0.02
B	– (jejak)	≤ 0.001
N	≤ 0.03	~0.03 – 0.09

Catatan: - Rentang di atas menunjukkan kimia produksi tipikal yang digunakan untuk memenuhi spesifikasi berbasis ASME/ASTM. Batas yang tepat tergantung pada standar dan pemasok tertentu. - P91 mencakup mikro-paduan yang disengaja (V, Nb, N dan B terkontrol) untuk menstabilkan mikrostruktur martensitik yang dipanaskan dengan baik dan meningkatkan ketahanan creep. P22 mengandalkan terutama pada penambahan Cr dan Mo yang moderat untuk kekuatan suhu tinggi.

Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Kromium meningkatkan ketahanan oksidasi/karat dan kekuatan pada suhu; Cr yang lebih tinggi di P91 memungkinkan matriks martensitik yang dipanaskan stabil pada suhu yang lebih tinggi. - Molybdenum meningkatkan kekuatan suhu tinggi dan kemampuan pengerasan pada kedua kelas. - Vanadium dan niobium di P91 membentuk dispersi karbida/nitride yang mengikat batas butir dan memperlambat pertumbuhan creep/void yang memungkinkan kekuatan jangka panjang yang lebih tinggi. - Karbon dan mikro-paduan menyeimbangkan kemampuan pengerasan, kekuatan, dan kemampuan pengelasan — tingkat C yang terkontrol di P91 lebih tinggi daripada di beberapa baja paduan rendah tetapi dikelola melalui perlakuan panas dan desain paduan.

3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas

P22: - Mikrostruktur tipikal setelah normalisasi dan tempering: bainit yang dipanaskan / mikrostruktur ferritik-perlit tergantung pada perlakuan panas yang tepat. Normalisasi dan tempering konvensional menghasilkan mikrostruktur yang dipanaskan yang relatif kasar yang cocok untuk layanan uap suhu sedang. - Respons perlakuan panas: P22 merespons normalisasi dan tempering; over-tempering menurunkan kekuatan tetapi meningkatkan ketangguhan. Ini tidak dirancang untuk mikrostruktur martensitik halus yang terlihat di P91.

P91: - Mikrostruktur tipikal setelah normalisasi dan tempering: martensit lath yang dipanaskan dengan kepadatan dislokasi tinggi dan dispersi terkontrol karbida/nitride V/Nb; mikrostruktur halus dan stabil ini memberikan ketahanan creep yang tinggi. - Pemrosesan termo-mekanis dan kontrol ketat suhu normalisasi dan kondisi tempering sangat penting untuk mengembangkan mikrostruktur yang diinginkan dan menghindari embrittlement temper atau over-tempering. - P91 sensitif terhadap perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT) — PWHT yang benar sangat penting untuk memulihkan ketangguhan dan mengurangi tegangan sisa tanpa memperbesar presipitasi.

Perbandingan: - P91 mencapai kekuatan dan ketahanan creep yang lebih tinggi dengan membentuk struktur martensitik yang dipanaskan yang distabilkan oleh presipitat mikro-paduan; P22 mengandalkan penguatan Cr–Mo dalam matriks ferritik/bainitik yang lebih besar. - Keduanya memerlukan perlakuan panas yang terkontrol, tetapi P91 biasanya membutuhkan kontrol yang lebih ketat (dinormalisasi pada suhu lebih tinggi dan dipanaskan pada suhu tertentu) dan PWHT yang konsisten untuk memenuhi spesifikasi creep.

4. Sifat Mekanik

Tabel: Deskriptor komparatif untuk sifat mekanik dalam kondisi yang umum disuplai (dinormalisasi & dipanaskan).

Sifat	P22	P91	Komentar
Kekuatan Tarik	Sedang	Tinggi	P91 memberikan kekuatan tarik yang jauh lebih tinggi dalam kondisi dipanaskan karena struktur martensitik dan mikro-paduan.
Kekuatan Luluh	Sedang	Tinggi	P91 memberikan kekuatan luluh yang lebih tinggi, yang menguntungkan bagian yang lebih tipis untuk beban yang sama.
Peregangan (duktilitas)	Baik	Sedang	P22 cenderung lebih duktil; P91 mengorbankan beberapa duktilitas untuk kekuatan dan ketahanan creep.
Ketangguhan Dampak	Baik (pada suhu lebih rendah)	Baik hingga sangat baik (ketika diperlakukan panas dengan benar)	P91 dapat mencapai ketangguhan yang baik tetapi lebih sensitif terhadap proses; P91 yang diperlakukan panas secara salah mungkin menunjukkan ketangguhan yang berkurang.
Kekerasan	Sedang	Lebih tinggi	P91 menunjukkan kekerasan yang lebih tinggi setelah dipanaskan; kekerasan harus dikontrol untuk menghindari embrittlement dan memenuhi spesifikasi pengelasan/perlakuan panas.

Interpretasi: - P91 adalah material yang lebih kuat dan lebih tahan creep untuk layanan suhu tinggi, tetapi mencapai sifat mekaniknya memerlukan pemrosesan yang terkontrol dan PWHT. - P22 menawarkan keseimbangan kekuatan, ketangguhan, dan duktilitas yang cocok untuk banyak layanan hingga suhu tinggi sedang dan umumnya lebih mudah dalam fabrikasi.

5. Kemampuan Pengelasan

Pertimbangan kemampuan pengelasan mencakup kandungan karbon, kandungan paduan, kemampuan pengerasan, dan keberadaan elemen mikro-paduan. Rumus prediktif yang umum digunakan untuk penilaian kualitatif:

• Ekivalen Karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (parameter kemampuan pengelasan): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretasi kualitatif: - P22: ekivalen karbon sedang; umumnya baik hingga cukup baik dalam kemampuan pengelasan dengan praktik pemanasan awal dan PWHT standar untuk bagian yang lebih tebal. Umumnya dilas dalam fabrikasi pembangkit listrik dengan prosedur yang sudah mapan. - P91: kemampuan pengerasan yang lebih tinggi karena Cr yang lebih tinggi dan mikro-paduan; memiliki CE dan Pcm yang lebih tinggi, yang berarti risiko lebih besar dari HAZ yang keras dan rapuh jika dilas tanpa kontrol yang ketat. P91 memerlukan logam pengisi yang dikontrol dengan hati-hati, pemanasan awal, suhu antar proses, dan PWHT yang wajib untuk memulihkan ketangguhan dan mengurangi tegangan sisa. - Dalam praktiknya, prosedur pengelasan P91 lebih menuntut dan memerlukan prosedur pengelasan dan pengelas yang berkualitas; sambungan logam yang berbeda (misalnya, P91 ke P22 atau ke baja karbon standar) memerlukan prosedur pengelasan transisi khusus.

6. Korosi dan Perlindungan Permukaan

• Kedua P22 dan P91 adalah baja paduan ferritik non-stainless dan mengandalkan pelapis atau perlindungan penghalang untuk ketahanan korosi dalam atmosfer yang bersifat akuatik atau agresif.
• Perlindungan tipikal: pengecatan, galvanisasi (di mana kompatibel), pelapisan (misalnya, overlay pengelasan atau liner tahan korosi), atau inhibitor dalam sistem tertutup.
• PREN (angka ekivalen ketahanan pitting) tidak berlaku untuk baja non-stainless ini; untuk kelas stainless indeksnya adalah: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Untuk ketahanan oksidasi/karat suhu tinggi, kandungan Cr yang lebih tinggi pada P91 memberikan kinerja yang lebih baik dibandingkan dengan P22, tetapi tidak ada kelas yang menggantikan baja stainless untuk lingkungan yang kritis terhadap korosi.

7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas

• Kemampuan mesin: P22 umumnya lebih mudah untuk diproses karena kekerasan yang lebih rendah dan mikrostruktur yang lebih sederhana. Kekerasan dan paduan yang lebih tinggi pada P91 dapat meningkatkan keausan alat dan memerlukan umpan/kecepatan pemotongan yang lebih lambat.
• Pembentukan/membengkok: P22 lebih duktil dan lebih mudah dalam operasi pembentukan. Pembentukan dingin P91 terbatas dan biasanya memerlukan strategi termal/pembentukan atau deformasi terbatas; pembentukan panas dapat digunakan tetapi memerlukan kontrol yang hati-hati.
• Penyelesaian: Persiapan permukaan dan perlakuan panas pasca-fabrikasi (terutama PWHT untuk P91) menambah langkah dan biaya. Kontrol distorsi pengelasan lebih kritis untuk P91 karena tegangan sisa dan kekerasan yang lebih tinggi di HAZ.

8. Aplikasi Tipikal

Tabel: Penggunaan tipikal untuk setiap kelas dan alasan pemilihan.

P22 (2.25Cr–1Mo)	P91 (9Cr–1Mo–V–Nb)
Pipa boiler dan perpipaan uap suhu sedang (unit subkritikal dan superkritikal lebih rendah)	Pipa uap suhu tinggi, header, dan komponen di boiler ultra-superkritikal dan superkritikal
Wadah tekan dan penukar panas untuk layanan suhu sedang	Komponen yang memerlukan ketahanan creep jangka panjang pada suhu lebih tinggi (misalnya, saluran uap bertekanan tinggi)
Perpipaan proses umum di mana kekuatan suhu tinggi sedang memadai	Pipa uap utama pembangkit listrik, header reheater dan superheater, dan komponen di mana umur desain di bawah creep sangat penting

Alasan pemilihan: - Pilih P22 ketika suhu dan tegangan layanan sedang, ketika kesederhanaan fabrikasi dan kontrol biaya menjadi prioritas, dan ketika persyaratan umur creep jangka panjang tidak terlalu ketat. - Pilih P91 ketika tegangan desain dan suhu menuntut kekuatan creep tinggi dan stabilitas jangka panjang; P91 memungkinkan pengurangan ketebalan bagian atau perpanjangan umur komponen di bawah kondisi suhu tinggi yang parah.

9. Biaya dan Ketersediaan

• Biaya material: P91 biasanya lebih mahal per kilogram dibandingkan P22 karena kebutuhan paduan dan pemrosesan yang lebih tinggi.
• Biaya fabrikasi dan siklus hidup: P91 mungkin memerlukan bahan pengelasan yang lebih mahal, kualifikasi prosedur yang lebih ketat, dan PWHT yang wajib—meningkatkan biaya terpasang. Namun, untuk layanan suhu tinggi, biaya siklus hidup mungkin lebih menguntungkan P91 karena pengurangan penggantian dan pemeliharaan yang didorong oleh kekuatan creep yang superior.
• Ketersediaan: P22 tersedia secara luas dalam banyak bentuk produk (pelat, pipa, fitting) dan umumnya tersedia di stok. P91 diproduksi secara luas untuk pembangkit listrik tetapi mungkin memiliki waktu tunggu yang lebih lama untuk bentuk produk tertentu dan forging diameter besar atau khusus.

10. Ringkasan dan Rekomendasi

Tabel: ringkasan komparatif yang ringkas.

Kriteria	P22	P91
Kemampuan Pengelasan	Baik hingga cukup baik (prosedur standar)	Cukup baik hingga menantang (memerlukan kontrol ketat & PWHT)
Kekuatan–Ketangguhan (suhu tinggi)	Sedang	Tinggi (ketahanan creep superior)
Biaya (material + fabrikasi)	Lebih rendah	Lebih tinggi
Fabrikasi / Kemampuan Mesin	Lebih mudah	Lebih menuntut

Kesimpulan dan panduan pemilihan: - Pilih P22 jika Anda memerlukan paduan Cr–Mo yang hemat biaya dan lebih mudah untuk difabrikasi untuk aplikasi suhu tinggi sedang di mana umur creep jangka panjang bukanlah penggerak desain yang utama. Konteks tipikal: pipa boiler konvensional, wadah tekan suhu sedang, dan perpipaan proses umum. - Pilih P91 jika komponen harus menahan tegangan yang lebih tinggi pada suhu tinggi untuk waktu layanan yang lama (misalnya, superheater/reheater/header di pembangkit listrik canggih), ketika meminimalkan ketebalan dinding atau memperpanjang umur layanan membenarkan biaya material dan fabrikasi yang lebih tinggi. Pastikan bahwa prosedur pengelasan yang berkualitas, metalurgi pengisi yang benar, dan PWHT yang terkontrol sudah diterapkan.

Catatan praktis akhir: Pemilihan material harus selalu disertai dengan penilaian rekayasa terhadap suhu operasi, tegangan, umur yang diharapkan, kemampuan pengelasan dan inspeksi, serta biaya siklus hidup. Ketika ragu untuk layanan suhu tinggi dan umur panjang, konsultasikan kurva data creep, aturan kode yang berlaku (ASME BPVC/standar EN), dan spesialis material untuk memvalidasi pilihan antara P22 dan P91.