P22 vs P91 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
P22 dan P91 adalah dua baja paduan yang banyak digunakan untuk komponen yang menahan tekanan dalam pembangkit listrik, petrokimia, dan industri proses berat. Insinyur, manajer pengadaan, dan perencana manufaktur sering menghadapi trade-off saat memilih di antara keduanya: biaya material dan fabrikasi yang lebih rendah dengan kekuatan suhu tinggi yang dapat diterima versus kemampuan suhu yang lebih tinggi dan ketahanan creep jangka panjang yang memerlukan kontrol fabrikasi yang lebih ketat.
Faktor pembeda utama adalah kinerja yang dirancang dalam layanan suhu tinggi: satu grade dioptimalkan untuk kekuatan suhu tinggi yang moderat dengan pemrosesan yang lebih sederhana, sementara yang lainnya dirancang untuk ketahanan creep yang jauh lebih tinggi pada suhu uap dan proses melalui peningkatan paduan dan stabilisasi mikro paduan. Karena keduanya muncul dalam spesifikasi produk ASME/ASTM yang serupa (pipa, fitting, komponen yang ditempa), perbandingan sering dilakukan saat meningkatkan sistem, menentukan pengganti, atau merancang peralatan tekanan baru.
1. Standar dan Penunjukan
- ASTM / ASME:
- P22 — ASTM A335 / ASME SA335 P22 (sering ditentukan sebagai 2.25Cr–1Mo)
- P91 — ASTM A335 / ASME SA335 P91 (9Cr–1Mo–V–Nb, juga dikenal sebagai Grade 91)
- EN / Eropa: ekuivalen biasanya diberikan sebagai baja dalam keluarga 13Cr dan martensitik 9–12%Cr; ekuivalen numerik langsung tidak satu banding satu.
- JIS / GB: standar nasional dapat mencantumkan ekuivalen fungsional yang dekat, tetapi spesifikasi batas kimia dan perlakuan panas harus diperiksa.
- Klasifikasi: keduanya adalah baja paduan (bukan baja tahan karat atau baja alat). Mereka adalah baja paduan yang kuat, tahan panas yang dirancang untuk layanan suhu tinggi. P22 adalah grade Cr–Mo paduan rendah; P91 adalah paduan martensitik dengan kromium tinggi, diperkuat ketahanan creep dengan tambahan mikro paduan.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut menunjukkan rentang komposisi tipikal (wt%) yang digunakan oleh industri dan badan standar untuk P22 dan P91. Nilai-nilai tersebut bersifat representatif; konsultasikan spesifikasi material yang berlaku atau sertifikat uji pabrik untuk pengadaan.
| Elemen | P22 (rentang tipikal, wt%) | P91 (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| 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 – 0.50 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.020 |
| S | ≤ 0.015 | ≤ 0.010 |
| Cr | 2.0 – 2.6 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.85 – 1.05 | 0.85 – 1.05 |
| V | jejak – rendah | 0.10 – 0.25 |
| Nb (Nb+Ta) | jejak – rendah | 0.06 – 0.12 |
| Ti | — | ≤ 0.02 (jika ditentukan) |
| B | — | ≤ 0.001 (mikro paduan) |
| N | ≤ 0.015 | 0.03 – 0.07 |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Kromium dan molibdenum meningkatkan kekuatan panas dan kemampuan pengerasan; peningkatan Cr dari ~2.3% (P22) menjadi ~9% (P91) adalah langkah kimia utama yang meningkatkan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan oksidasi. - Vanadium dan niobium dalam P91 membentuk karbida/nitrida yang stabil yang mengikat batas butir dan mengurangi embrittlement, meningkatkan kekuatan creep dan stabilitas pada suhu tinggi. - Tingkat karbon dan nitrogen dikendalikan untuk menyeimbangkan kekuatan dan kemampuan las; karbon yang lebih tinggi meningkatkan kekuatan tetapi meningkatkan risiko pengerasan dan retak dingin. - Elemen mikro paduan (V, Nb, B) dalam P91 ditambahkan secara khusus untuk meningkatkan ketahanan creep melalui penguatan presipitasi dan pemurnian butir selama perlakuan panas.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - P22: Dalam kondisi dinormalisasi dan dipanaskan, P22 umumnya menunjukkan struktur bainitik/ferritik yang dipanaskan dengan karbida yang terdispersi (karbida Cr–Mo). Ini kurang rentan untuk membentuk mikrostruktur martensit yang sangat keras di bawah pemrosesan konvensional, sehingga lebih toleran dalam pengelasan dan perlakuan panas. - P91: P91 adalah baja martensitik setelah pendinginan; kondisi yang disampaikan biasanya dinormalisasi dan dipanaskan untuk mengembangkan mikrostruktur martensitik yang dipanaskan dengan presipitat M23C6 dan tipe MX (karbida/nitrida V/Nb) yang halus dan terdispersi yang memberikan ketahanan creep dan stabilitas pada suhu tinggi.
Efek perlakuan panas: - Normalisasi (pendinginan udara dari suhu austenitisasi yang ditentukan) dan pemanasan sangat penting untuk kedua grade tetapi lebih kritis untuk P91 untuk mendapatkan mikrostruktur martensitik yang dipanaskan yang dimaksudkan dan untuk mengendapkan karbida/nitrida yang memperkuat. - Pendinginan & pemanasan (untuk komponen yang ditempa) harus dikendalikan dengan hati-hati untuk P91 untuk menghindari kekerasan yang berlebihan yang mengganggu kemampuan las dan untuk memastikan parameter perlakuan panas pasca las (PWHT) terpenuhi. - Perlakuan termo-mekanis dan penuaan stabilitas: P91 mendapatkan manfaat dari pemrosesan dan pemanasan yang terkontrol untuk menstabilkan presipitat yang tahan creep; pemanasan berlebihan atau PWHT yang tidak tepat dapat mengurangi kekuatan atau menyebabkan embrittlement pemanasan.
4. Sifat Mekanik
Rentang sifat mekanik representatif (suhu ruang, dinormalisasi & dipanaskan; nilai spesifik tergantung pada bentuk produk dan perlakuan panas yang tepat):
| Sifat | P22 (tipikal) | P91 (tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~415 – 585 | ~620 – 850 |
| Kekuatan luluh (0.2% offset, MPa) | ~250 – 350 | ~450 – 650 |
| Peregangan (%) | ~20 – 25 | ~15 – 25 |
| Kekerasan impak (Charpy V-notch, J) | sedang; baik pada suhu ambien | umumnya baik; dirancang untuk ketahanan suhu tinggi |
| Kekerasan (HRC / HB) | ~170–220 HB (bervariasi) | ~200–300 HB (bervariasi dengan kondisi) |
Interpretasi: - P91 secara material lebih kuat dalam kekuatan luluh dan tarik ketika dinormalisasi dan dipanaskan dengan benar; ini terutama disebabkan oleh Cr yang lebih tinggi dan presipitat mikro paduan. - Duktibilitas (peregangan) serupa atau sedikit berkurang pada P91 dibandingkan P22 dalam beberapa kondisi karena kekuatan yang lebih tinggi dan martensit yang dipanaskan. - Ketahanan dapat sangat baik pada kedua grade jika perlakuan panas yang tepat dan perlakuan panas pasca las dilakukan; P91 harus diproses dengan benar untuk menghindari zona martensit yang rapuh.
5. Kemampuan Las
Pertimbangan kemampuan las berasal dari ekivalen karbon, kemampuan pengerasan, dan mikro paduan. Indeks empiris umum digunakan untuk penilaian kualitatif.
Ekivalen karbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Indeks alternatif Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - P22 memiliki ekivalen karbon yang lebih rendah dibandingkan P91 karena kandungan Cr dan mikro paduan yang lebih rendah, sehingga relatif lebih mudah untuk dilas dengan persyaratan pemanasan awal dan perlakuan panas pasca las (PWHT) yang kurang ketat. - P91 memiliki kemampuan pengerasan yang lebih tinggi karena Cr dan mikro paduan (V, Nb, B) yang lebih besar. Itu meningkatkan kerentanan untuk membentuk daerah martensit yang keras dan/atau tidak dipanaskan di zona yang terpengaruh panas las (HAZ), meningkatkan risiko retak dingin jika tidak dipanaskan dan PWHT dengan benar. - Mengelas P91 biasanya memerlukan bevel yang terkontrol, metalurgi pengisi yang cocok (misalnya, pengisi P91 atau varian yang distabilkan), suhu antar-lapis yang tepat, dan PWHT untuk memanaskan martensit dan mengembalikan duktibilitas serta kekuatan creep. Prosedur lebih kompleks dan sering kali tunduk pada kualifikasi prosedur yang ketat. - Untuk kedua grade, kontrol hidrogen, prosedur rendah-hidrogen, dan PWHT yang tepat sangat penting untuk layanan jangka panjang yang dapat diandalkan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik P22 maupun P91 adalah baja paduan non-tahan karat; ketahanan korosi umum dalam kondisi ambien adalah sedang tetapi tidak dapat dibandingkan dengan paduan tahan karat. Perlindungan permukaan biasanya digunakan:
- Pelapis pelindung: pengecatan, epoksi, cat suhu tinggi.
- Pelapis metalurgi: semprotan termal (Al/Al-silikat), pelapisan untuk layanan yang intensif korosi.
- Galvanisasi celup panas dimungkinkan untuk beberapa aplikasi P22 dalam kondisi ambien tetapi tidak umum untuk layanan suhu tinggi; galvanisasi tidak cocok untuk suhu tinggi yang berkelanjutan.
- PREN (Angka Ekivalen Ketahanan Pitting) digunakan untuk paduan tahan karat: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN tidak berlaku untuk P22 dan P91 karena mereka bukan baja tahan karat yang dirancang untuk membentuk film pasif kaya kromium yang melindungi. Manajemen korosi mereka berfokus pada pelapis, pelapisan, dan pemilihan material untuk lingkungan tertentu (oksidasi, sulfidasi, pitting).
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Bentuk
- Kemampuan mesin:
- P22 lebih mudah diproses dibandingkan P91 dalam kondisi yang sebanding karena kekerasan yang lebih rendah dan kandungan paduan yang lebih rendah.
- P91, yang memiliki kekuatan lebih tinggi dan lebih banyak paduan, lebih keras pada alat pemotong dan mungkin memerlukan kecepatan pemotongan yang lebih lambat dan alat yang lebih kuat.
- Kemampuan bentuk dan pengerjaan dingin:
- Kedua grade tidak dimaksudkan untuk penempaan dingin atau pembentukan yang luas setelah perlakuan panas akhir; pembentukan umumnya dilakukan dalam kondisi yang lebih lunak (seperti digulung atau dinormalisasi) sebelum perlakuan panas akhir.
- Penyelesaian:
- Pemotongan dan persiapan permukaan untuk P91 memerlukan perhatian untuk menghindari pengenalan cacat permukaan yang dapat berfungsi sebagai situs inisiasi creep atau kelelahan.
- Perencanaan fabrikasi:
- P91 memerlukan prosedur pengelasan yang berkualifikasi dan pengelas yang berpengalaman. Kontrol distorsi dan manajemen stres residual sangat penting karena siklus PWHT diperlukan.
8. Aplikasi Tipikal
| P22 (penggunaan umum) | P91 (penggunaan umum) |
|---|---|
| Pipa dan header pembangkit listrik fosil yang beroperasi pada suhu uap sedang (hingga ~540–565°C) | Pipa uap, header, dan komponen pembangkit listrik fosil ultra-supercritical dan canggih dengan suhu uap yang lebih tinggi (sering >550°C) |
| Wadah tekanan dan boiler di mana biaya dan fabrikasi yang lebih sederhana adalah prioritas | Turbine uap suhu tinggi, pemanas ulang, pemanas super, dan pipa tekanan tinggi yang memerlukan ketahanan creep jangka panjang |
| Pipa pemanas petrokimia, pipa proses pada suhu sedang | Komponen di pembangkit listrik dan pabrik kimia yang memerlukan kekuatan creep tinggi dan stabilitas mikrostruktur |
| Material pengganti ekonomis untuk baja paduan rendah yang lebih tua | Desain baru yang menargetkan umur panjang pada suhu tinggi; pengelasan kritis yang memerlukan PWHT |
Rasional pemilihan: - Pilih P22 ketika suhu layanan dan persyaratan creep yang diharapkan sedang dan ketika kesederhanaan pengadaan/fabrikasi dan biaya penting. - Pilih P91 ketika paparan jangka panjang pada suhu dan tekanan yang lebih tinggi menuntut ketahanan creep yang lebih baik, stabilisasi presipitat yang lebih halus, dan tegangan yang diizinkan lebih tinggi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: P91 biasanya lebih mahal per kilogram dibandingkan P22 karena kandungan paduan yang lebih tinggi (terutama kromium dan tambahan mikro paduan) dan kontrol proses yang lebih ketat. Biaya fabrikasi dan kualifikasi prosedur las meningkatkan total biaya terpasang untuk P91.
- Ketersediaan:
- P22 tersedia secara luas dalam bentuk pipa, fitting, dan forging dari banyak pabrik dan distributor.
- P91 tersedia secara luas tetapi bentuk produk tertentu (forging besar, kombinasi diameter/ketebalan khusus) mungkin memiliki waktu tunggu yang lebih lama dan lebih mungkin diperoleh dari pemasok khusus. Ketersediaan dapat bervariasi berdasarkan wilayah dan permintaan pasar.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan — perbandingan kualitatif:
| Atribut | P22 | P91 |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Lebih mudah; CE lebih rendah, PWHT kurang ketat | Lebih sulit; CE/kemampuan pengerasan lebih tinggi; memerlukan PWHT yang terkontrol dan prosedur yang berkualifikasi |
| Kekuatan–Ketahanan (suhu tinggi) | Kekuatan suhu tinggi sedang; memadai hingga ~540–565°C | Kekuatan suhu tinggi yang tinggi dan ketahanan creep; cocok untuk suhu lebih tinggi/umur lebih panjang |
| Biaya (material + fabrikasi) | Lebih rendah | Lebih tinggi |
Rekomendasi: - Pilih P22 jika Anda memerlukan baja paduan yang lebih murah dan lebih mudah dilas untuk peralatan tekanan dan pipa yang beroperasi pada suhu tinggi sedang, ketika creep jangka panjang pada suhu tinggi bukanlah kriteria desain yang mengatur. - Pilih P91 jika aplikasi menuntut ketahanan creep yang signifikan dan tegangan yang diizinkan lebih tinggi pada suhu tinggi (sistem uap tekanan tinggi, umur panjang), dan jika proyek dapat mendukung kontrol fabrikasi yang diperlukan, prosedur pengelasan yang berkualifikasi, dan biaya tambahan.
Catatan akhir: Kedua grade memerlukan spesifikasi grade material yang tepat, kondisi perlakuan panas, dan prosedur pengelasan dalam dokumen pengadaan dan desain. Untuk layanan suhu tinggi yang kritis terhadap keselamatan dan jangka panjang, libatkan insinyur material dan pengelasan lebih awal untuk mengonfirmasi tegangan desain yang diizinkan, parameter PWHT yang diperlukan, dan pengujian kualifikasi untuk memastikan kinerja yang dapat diandalkan selama penggunaan.