P22 vs P91 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
P22 dan P91 adalah dua baja yang banyak digunakan untuk bejana tekan dan pipa dalam pembangkit listrik, petrokimia, dan peralatan industri berat. Insinyur dan profesional pengadaan sering mempertimbangkan biaya, kemampuan fabrikasi, dan kinerja jangka panjang saat memilih di antara keduanya—misalnya, menyeimbangkan biaya material awal dan kemampuan pengelasan terhadap kekuatan suhu tinggi yang diperlukan dan umur creep.
Perbedaan rekayasa utama adalah bahwa P91 diformulasikan dan diproses untuk memberikan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep yang jauh lebih besar dibandingkan P22, sebagian besar melalui kandungan kromium yang lebih tinggi dan pengendalian mikroaloy serta perlakuan panas. Perbedaan ini menjadikannya alternatif umum untuk komponen yang terpapar suhu dan stres tinggi, itulah sebabnya perbandingan sering dilakukan dalam spesifikasi komponen dan analisis biaya siklus hidup.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar umum:
- ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (pipa baja paduan ferritik tanpa sambungan) — P22, P91
- EN: EN 10216 / EN 10222 ekuivalen (berbagai kelas baja EN dipetakan ke kelas P ini)
- JIS / GB: standar nasional sering memberikan ekuivalen yang mendekati (konsultasikan konversi spesifik)
- Klasifikasi material:
- P22: baja ferritik paduan rendah (1,25% Cr — biasanya disebut 1,25Cr-0,5Mo). Diklasifikasikan sebagai baja paduan untuk layanan suhu tinggi.
- P91: baja ferritik martensitik dengan kromium tinggi, diperkuat ketahanan creep (nominal 9Cr-1Mo dengan tambahan V/Nb). Sering diperlakukan sebagai baja martensitik paduan/HSLA (high-strength low-alloy) yang dioptimalkan untuk ketahanan creep.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel: Rentang komposisi tipikal (wt%). Nilai yang ditunjukkan adalah rentang representatif dari spesifikasi umum; batas yang tepat tergantung pada standar dan panas tertentu.
| Elemen | P22 (rentang tipikal) | P91 (rentang tipikal) |
|---|---|---|
| C | 0,04–0,12 | 0,08–0,12 |
| Mn | 0,25–0,60 | 0,25–0,60 |
| Si | 0,10–0,50 | 0,20–0,60 |
| P | ≤0,025 | ≤0,02 |
| S | ≤0,015 | ≤0,01 |
| Cr | 0,9–1,5 | 8,0–9,5 |
| Ni | jejak | jejak–rendah |
| Mo | 0,38–0,65 | 0,85–1,05 |
| V | — | 0,08–0,25 |
| Nb (Cb) | — | 0,03–0,12 |
| Ti | jejak | jejak |
| B | — | jejak (tingkat ppm) |
| N | jejak | 0,02–0,06 |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Kromium (Cr) meningkatkan ketahanan oksidasi dan kemampuan pengerasan; Cr yang jauh lebih tinggi di P91 adalah kontributor utama untuk peningkatan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan oksidasi. - Molybdenum (Mo) meningkatkan kekuatan pada suhu tinggi dan ketahanan creep di kedua kelas; P91 biasanya memiliki ~1% Mo dibandingkan ~0,5% di P22. - Vanadium (V) dan niobium (Nb) di P91 membentuk karbida/nitrida halus yang menstabilkan mikrostruktur martensitik dan menghambat deformasi creep dengan menjepit dislokasi dan batas butir. - Karbon memberikan kekuatan melalui martensit/martensit yang dipanaskan, tetapi karbon yang lebih tinggi juga meningkatkan kemampuan pengerasan dan risiko retak; P91 menggunakan kandungan C yang terkontrol untuk menyeimbangkan kekuatan dan kemampuan pengelasan. - Penambahan kecil B dan N yang terkontrol di P91 dapat lebih memperhalus sifat dengan mempengaruhi presipitasi dan kemampuan pengerasan.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- P22: Mikrostruktur tipikal setelah normalisasi dan tempering adalah bainit yang dipanaskan/ferit yang dipanaskan dengan karbida kaya Mo yang terdispersi. Ini tidak membentuk struktur martensitik sepenuhnya dengan cara yang sama seperti P91 setelah perlakuan panas yang tipikal. Mikrostruktur ini stabil untuk layanan suhu tinggi yang moderat tetapi kurang tahan terhadap creep jangka panjang dibandingkan P91.
- P91: Dirancang untuk membentuk struktur martensitik halus setelah normalisasi dan pendinginan cepat, diikuti oleh langkah tempering yang mempresipitasi karbida dan nitrida halus (misalnya, M23C6, presipitat tipe MX). Pemrosesan termomekanik dan tempering yang terkontrol sangat penting untuk mendapatkan mikrostruktur martensitik yang dipanaskan yang dioptimalkan untuk memberikan kekuatan creep yang tinggi.
- Efek pemrosesan:
- Normalisasi: memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya; P91 biasanya memerlukan normalisasi suhu yang lebih tinggi dibandingkan P22 untuk melarutkan karbida paduan dan mempromosikan pembentukan martensit yang tepat.
- Pendinginan dan tempering / Normalisasi dan tempering: kedua kelas memerlukan tempering setelah pengerasan. Tempering P91 sangat penting untuk menstabilkan struktur martensitik dan mencapai ketangguhan sambil mengurangi stres residual.
- Perlakuan termomekanik dan laju pendinginan yang terkontrol lebih kritis untuk P91 untuk menghindari presipitat kasar dan mengontrol kinerja creep jangka panjang.
4. Sifat Mekanik
Tabel: Perbandingan kualitatif (nilai tipikal setelah normalisasi & tempering; sifat aktual tergantung pada perlakuan panas yang tepat, ketebalan, dan spesifikasi).
| Sifat | P22 (tipikal) | P91 (tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (ultimate) | Sedang | Tinggi |
| Kekuatan luluh | Sedang | Tinggi |
| Peregangan (duktilitas) | Baik (lebih tinggi dari P91) | Sedang (lebih rendah dari P22) |
| Ketangguhan impak (RT) | Baik jika dipanaskan dengan benar | Baik jika dipanaskan dengan benar; dapat sensitif terhadap perlakuan panas |
| Kekerasan | Sedang | Lebih tinggi (lebih rentan terhadap keausan) |
Penjelasan: - P91 memberikan kekuatan tarik dan kekuatan luluh yang jauh lebih tinggi serta ketahanan creep jangka panjang yang superior pada suhu tinggi berkat mikrostruktur martensitik dan mikroaloying (V, Nb) dibandingkan dengan struktur ferritik bainitik/paduan P22 yang lebih rendah. - P22 umumnya menawarkan duktilitas yang lebih besar dan mungkin memberikan kontrol ketangguhan yang lebih mudah pada beberapa ketebalan; P91 dapat mencapai ketangguhan yang baik tetapi memerlukan kontrol ketat terhadap perlakuan panas dan perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT).
5. Kemampuan Pengelasan
Faktor kunci: setara karbon, kemampuan pengerasan, dan kandungan mikroaloy menentukan kebutuhan preheat/PWHT dan risiko retak HAZ.
Indeks kemampuan pengelasan umum (digunakan untuk menilai risiko secara kualitatif): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi (kualitatif): - P22: Cr yang lebih rendah dan kemampuan pengerasan yang lebih rendah relatif terhadap P91—nilai setara karbon yang sedang. Pengelasan P22 biasanya memerlukan preheat dan PWHT untuk meminimalkan kekerasan HAZ dan kerentanan terhadap retak yang dibantu hidrogen, tetapi siklus PWHT standar sudah mapan dan relatif toleran. - P91: Cr, Mo, dan elemen mikroaloy yang lebih tinggi meningkatkan kemampuan pengerasan dan meningkatkan risiko pembentukan martensit keras di HAZ; oleh karena itu, pengelasan P91 lebih menuntut. Preheat yang tepat, suhu antar-passing yang terkontrol, dan siklus PWHT yang ditentukan dengan hati-hati sangat penting untuk menghindari kerapuhan HAZ dan untuk menstabilkan HAZ martensitik. Penggunaan logam pengisi yang cocok atau lebih cocok dan kualifikasi prosedur yang ketat adalah hal yang umum. - Nasihat praktis: Prosedur pengelasan P91 memerlukan WPS/PQR yang terakreditasi dan personel yang berpengalaman; pengelasan perbaikan dan tempering pasca pengelasan harus mengikuti siklus yang disetujui oleh produsen atau kode. P22 lebih toleran tetapi tetap memerlukan PWHT yang benar untuk komponen layanan tekanan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik P22 maupun P91 bukanlah stainless. Ketahanan korosi di lingkungan basah/asam harus dikelola melalui pemilihan material, pelapisan, atau inhibitor.
- Strategi perlindungan umum: pengecatan, aluminizing suhu tinggi, penyemprotan termal, atau spesifikasi toleransi korosi. Untuk lingkungan luar ruangan atau lembab, pelapisan standar dan perlindungan katodik digunakan sesuai kebutuhan.
- PREN (indeks korosi pitting) tidak berlaku untuk baja ferritik non-stainless ini karena PREN digunakan untuk paduan stainless: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Untuk ketahanan oksidasi/scale suhu tinggi, Cr yang lebih tinggi di P91 memberikan ketahanan oksidasi yang lebih baik dibandingkan P22, tetapi keduanya tidak memberikan perlindungan korosi setara stainless.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Bentuk
- Pengolahan:
- P22: lebih mudah diproses dibandingkan P91 karena kekuatan dan kekerasan yang lebih rendah; kecepatan pemotongan dapat lebih tinggi dan alat memiliki umur yang lebih panjang.
- P91: lebih keras dan lebih kuat, cenderung mengeras saat bekerja; memerlukan alat yang lebih kokoh, kecepatan pemotongan yang lebih rendah, dan pengaturan yang kaku.
- Pembentukan/membengkok:
- P22: karakteristik pembentukan dingin yang lebih baik; pengurangan yang lebih besar mungkin dilakukan tanpa retak.
- P91: kemampuan pembentukan dingin terbatas—pembentukan panas atau kehati-hatian yang lebih besar dan jari-jari bengkok yang lebih besar mungkin diperlukan.
- Penyelesaian permukaan: P91 dapat memerlukan langkah penggilingan/polishing yang lebih agresif dan dapat menghasilkan chip yang lebih sulit untuk diproses; penggilingan biasanya digunakan untuk menghilangkan lapisan dekabur HAZ setelah pengelasan sebelum PWHT dalam kasus kritis.
8. Aplikasi Tipikal
| P22 (penggunaan tipikal) | P91 (penggunaan tipikal) |
|---|---|
| Pipa uap, header, dan bejana tekan dalam boiler dan kilang suhu sedang (hingga ~540–565°C layanan, tergantung pada desain) | Header suhu tinggi, pipa superheater/reheater, saluran uap, dan komponen tekanan dalam pembangkit listrik ultra-supercritical dan fosil canggih di mana kekuatan creep tinggi diperlukan |
| Penukar panas, drum, dan pipa suhu tinggi non-kritis di mana biaya dan ketersediaan mendukung 1,25Cr-0,5Mo | Komponen stres tinggi, umur panjang yang terpapar suhu dan stres tinggi di mana ketebalan dinding yang lebih rendah atau umur creep yang lebih lama diperlukan |
| Komponen tekanan industri umum di mana umur desain konvensional dapat diterima | Aplikasi bangunan baru atau retrofit yang menargetkan suhu/tekanan uap yang lebih tinggi dan interval layanan yang lebih lama |
Alasan pemilihan: - Pilih P22 untuk layanan suhu sedang di mana kemampuan pengelasan, duktilitas, dan biaya material yang lebih rendah adalah prioritas. - Pilih P91 di mana ketahanan creep jangka panjang, kekuatan suhu tinggi, dan potensi untuk bagian yang lebih tipis atau umur layanan yang lebih lama membenarkan biaya material dan fabrikasi yang lebih tinggi.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: P91 biasanya lebih mahal daripada P22 berdasarkan per kilogram/kaki karena kandungan paduan yang lebih tinggi dan persyaratan pemrosesan/perlakuan panas yang lebih ketat.
- Ketersediaan: P22 tersedia secara luas dalam banyak bentuk produk (pipa, pelat, fitting). P91 tersedia secara luas tetapi mungkin memiliki waktu tunggu yang lebih lama untuk bentuk produk tertentu, komponen yang diproses dengan toleransi ketat, atau ketika fabrikasi kelas lebih tinggi (misalnya, bahan pengelasan) diperlukan.
- Catatan pengadaan: total biaya terpasang harus mempertimbangkan tidak hanya harga material tetapi juga kualifikasi prosedur pengelasan, siklus PWHT, inspeksi, dan potensi interval penggantian siklus hidup.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif):
| Kriteria | P22 | P91 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih mudah; PWHT standar | Lebih menuntut; preheat/PWHT yang ketat dan prosedur yang terakreditasi |
| Kekuatan–Ketangguhan (suhu ruang) | Kekuatan sedang, duktilitas/ketangguhan yang baik | Kekuatan tinggi, ketangguhan yang baik jika diperlakukan dengan benar; duktilitas lebih rendah |
| Ketahanan creep suhu tinggi | Sedang; cocok untuk layanan suhu rendah/siklus tinggi | Superior; dirancang untuk layanan creep yang diperpanjang |
| Biaya | Biaya material lebih rendah; fabrikasi lebih sederhana | Biaya material dan fabrikasi lebih tinggi |
| Ketersediaan | Tersedia secara luas | Tersedia secara luas tetapi pemrosesan khusus dapat meningkatkan waktu tunggu |
Rekomendasi: - Pilih P22 jika Anda memerlukan paduan yang hemat biaya untuk layanan suhu tinggi sedang di mana PWHT standar dapat diterima, duktilitas dan fabrikasi yang lebih mudah adalah prioritas, dan umur creep jangka panjang di luar batas desain konvensional tidak diperlukan. - Pilih P91 jika desain menuntut kekuatan yang jauh lebih tinggi dan ketahanan creep jangka panjang pada suhu tinggi (misalnya, parameter uap pembangkit listrik canggih), atau di mana mengurangi ketebalan/berat dinding dan memperpanjang interval pemeliharaan membenarkan biaya material dan fabrikasi yang lebih tinggi serta kontrol pengelasan yang lebih ketat.
Catatan akhir: Pemilihan grade yang tepat harus mempertimbangkan stres desain komponen, umur desain yang diperlukan, kode yang berlaku (ASME/EN/JIS/GB), kemampuan pengelasan dan inspeksi, serta analisis biaya siklus hidup. Untuk komponen penahan tekanan yang kritis, konsultasikan persyaratan kode dan pemasok material untuk data kimia dan mekanik yang bersertifikat serta untuk kualifikasi prosedur pengelasan.