P91 vs P92 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
P91 dan P92 adalah baja martensitik tahan creep, kromium–molybdenum–vanadium (Cr–Mo–V) yang banyak digunakan dalam peralatan pembangkit listrik dan petrokimia suhu tinggi seperti pipa boiler, header, dan pipa uap. Insinyur, manajer pengadaan, dan produsen sering menghadapi dilema pemilihan antara P91 dan P92 ketika menyeimbangkan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep jangka panjang terhadap kemampuan pengelasan, kemudahan fabrikasi, dan biaya siklus hidup secara keseluruhan. Konteks keputusan yang umum termasuk meningkatkan kemampuan suhu uap, mengoptimalkan interval pemeliharaan untuk komponen tekanan tinggi, atau memilih material untuk boiler efisiensi tinggi yang baru.
Perbedaan metalurgi kunci yang mendorong perbedaan kinerja adalah strategi paduan—terutama bagaimana tungsten (W) dan molybdenum (Mo) seimbang dengan elemen mikro paduan lainnya (V, Nb, B). Strategi substitusi ini mempengaruhi kimia karbida, stabilitas presipitat, dan kemampuan pengerasan, yang pada gilirannya mempengaruhi kekuatan creep, ketangguhan, dan kemampuan pengelasan. Itulah sebabnya P91 dan P92 sering dibandingkan untuk komponen suhu tinggi.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar dan spesifikasi umum:
- ASME/ASTM: ASME SA-335 / P91 dan P92 (pipa paduan ferritik tanpa sambungan untuk suhu tinggi), ASTM A213, ASTM A387 (varian pelat), dan kode boiler serta bejana tekan ASME terkait.
- EN: Kelas setara sering muncul di bawah penunjukan EN dan EN-modifikasi (misalnya, X10CrMoVNb9-1 untuk kimia mirip P91 dan X10CrWMoVNb9-2 untuk kimia mirip P92).
- JIS/GB: Standar lokal memberikan komposisi serupa di bawah penomoran yang berbeda; konfirmasi dengan sertifikasi pemasok.
- Klasifikasi:
- Kedua P91 dan P92 adalah baja paduan yang dirancang untuk layanan suhu tinggi; mereka kadang-kadang dikelompokkan dengan baja ferritik yang ditingkatkan kekuatan creep HSLA/martensitik (bukan baja tahan karat atau baja alat).
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut menunjukkan rentang komposisi tipikal untuk P91 dan P92 dalam persen berat. Ini mewakili spesifikasi material yang dinormalisasi dan dipanaskan; nilai aktual tergantung pada subgrade dan standar tertentu.
| Elemen | P91 (rentang tipikal, wt%) | P92 (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.60 | 0.20–0.60 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.0–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.50 | ≤0.50 |
| Mo | 0.85–1.05 | 0.20–0.50 |
| W | jejak–0.3 | 1.7–2.0 |
| V | 0.15–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | ≤0.01 | ≤0.01 |
| B | 0.0005–0.003 | 0.0005–0.005 |
| N | 0.03–0.07 | 0.03–0.07 |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat - Kromium memberikan ketahanan oksidasi dan korosi pada suhu tinggi dan membentuk karbida M23C6 yang mempengaruhi perilaku creep dan tempering. - Molybdenum (Mo) meningkatkan penguatan larutan padat dan berkontribusi pada pembentukan karbida yang stabil; Mo secara tradisional menjadi pusat kekuatan creep P91. - Tungsten (W) dalam P92 digunakan sebagai pengganti parsial untuk Mo: W membentuk karbida yang lebih stabil, perlahan-lahan membesar dan berkontribusi pada kekuatan creep jangka panjang yang lebih tinggi pada suhu yang sangat tinggi. - Vanadium (V) dan niobium (Nb) membentuk karbonitrida MX halus yang mengikat batas butir, menghambat pemulihan dan rekristalisasi, serta meningkatkan kekuatan patah creep. - Penambahan boron yang sangat rendah meningkatkan kekuatan creep dengan tersegregasi ke batas butir austenit sebelumnya dan menunda kavitasi selama paparan jangka panjang.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal - Baik P91 maupun P92 menghasilkan mikrostruktur martensitik yang dipanaskan setelah siklus perlakuan panas standar (normalisasi di atas Ac3 diikuti dengan pendinginan dan tempering). - Mikrostruktur yang dipanaskan terdiri dari martensit lath dengan karbida dan karbonitrida yang terdistribusi: M23C6 (kaya Cr) di sepanjang batas butir austenit sebelumnya dan batas lath, serta presipitat MX (V,Nb) di dalam lath.
Efek paduan dan perlakuan panas - P91: Dengan Mo yang lebih tinggi dan W yang sedikit lebih rendah, distribusi karbida menguntungkan untuk kekuatan creep yang diperlukan dalam jendela desain asli (biasanya hingga sekitar 600–620 °C). Mo berkontribusi pada penguatan matriks dan stabilitas presipitat, tetapi karbida kaya Mo dapat membesar setelah paparan lama. - P92: Substitusi parsial Mo oleh W menghasilkan karbida dan intermetallic dengan kinetika pembesaran yang lebih lambat pada suhu tinggi. P92 sering mengembangkan dispersi karbida yang lebih halus dan lebih stabil setelah tempering yang tepat, yang memberikan ketahanan creep jangka panjang yang lebih baik pada suhu uap yang lebih tinggi dan harapan hidup yang lebih lama. - Perlakuan termo-mekanis: Kedua grade merespons normalisasi + tempering dan pemrosesan termo-mekanis tertentu yang memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya dan mempromosikan distribusi presipitat yang diinginkan. Suhu tempering mengontrol trade-off antara ketangguhan dan kekuatan.
4. Sifat Mekanik
Tabel berikut memberikan sifat representatif untuk material yang dinormalisasi dan dipanaskan dalam kondisi yang disuplai. Nilai aktual tergantung pada kimia yang tepat, perlakuan panas, ketebalan/bentuk, dan standar pengujian.
| Sifat | P91 (representatif) | P92 (representatif) |
|---|---|---|
| Kekuatan luluh (0.2%, MPa) | ~415 (batas bawah tipikal) — hingga ~500–600 tergantung pada tempering | lebih tinggi: ~500–650 (rentang luas tergantung pada temper) |
| Kekuatan tarik (MPa) | ~550–700 | ~650–800 |
| Peregangan (%) | ~18–25 | ~12–20 (sering sedikit lebih rendah dari P91) |
| Dampak Charpy V-notch (suhu ruang, J) | sedang hingga baik (tergantung pada perlakuan panas; umumnya ≥40–60 J) | sedikit lebih rendah atau serupa tergantung pada tempering; lebih sensitif terhadap perlakuan panas |
| Kekerasan (HB) | ~180–260 (kondisi N&T tipikal) | ~200–300 (dapat lebih tinggi karena paduan dan tempering) |
Interpretasi - Kekuatan: P92 umumnya menawarkan kekuatan patah creep yang lebih tinggi dan kekuatan tarik/luluh yang lebih tinggi dalam banyak perlakuan panas komersial karena penambahan W dan stabilitas presipitat yang lebih baik. - Ketangguhan dan duktilitas: P91 cenderung sedikit lebih duktil dan lebih toleran dalam fabrikasi; P92 bisa kurang duktil dan memerlukan kontrol perlakuan panas dan PWHT yang lebih ketat untuk mengamankan ketangguhan. - Kekerasan: P92 sering menunjukkan kekerasan yang lebih tinggi dalam kondisi yang sebanding; itu membantu kekuatan suhu tinggi tetapi dapat meningkatkan kerentanan retak dalam pengelasan jika tidak dikelola.
5. Kemampuan Pengelasan
Pertimbangan kemampuan pengelasan untuk kedua grade berfokus pada setara karbon/kekerasan, mikro paduan, dan persyaratan PWHT.
Rumus kemampuan pengelasan tipikal untuk menilai kebutuhan preheat dan PWHT: - Setara karbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm Internasional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif - Baik P91 maupun P92 memiliki kekerasan yang cukup (Cr, Mo/W, V, Nb, B), yang mengarah pada kecenderungan tinggi untuk membentuk martensit keras di HAZ jika dilas tanpa preheat dan PWHT yang tepat. - W yang lebih tinggi dan keseimbangan paduan yang sedikit berbeda pada P92 meningkatkan kekerasan lebih lanjut, sehingga sering memerlukan kontrol preheat/PWHT yang lebih konservatif dan material pengisi yang disesuaikan untuk kimia P92. - PWHT (biasanya 700–760 °C untuk baja ini, spesifik untuk kode dan ketebalan) adalah wajib untuk menemper martensit di HAZ dan merelaksasi tegangan sisa. Kontrol hidrogen, suhu antar-lapisan yang terkontrol, dan bahan pengelasan rendah-hidrogen diperlukan. - Pemilihan pengisi las: Gunakan bahan habis pakai yang ditentukan untuk P91 atau P92 sesuai kebutuhan (bahan habis pakai yang cocok atau disetujui). Untuk pengelasan P92, kawat pengisi dan prosedur khusus lebih umum digunakan untuk meminimalkan ketidakcocokan mikrostruktural dan mencegah retak Tipe IV di zona creep jangka panjang.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik P91 maupun P92 bukanlah baja tahan karat; keduanya bergantung pada paduan untuk ketahanan oksidasi pada suhu tinggi daripada ketahanan korosi air umum.
- Dalam lingkungan air atau korosif, perlindungan permukaan biasanya diperlukan: pengecatan, metalisasi, pelapisan, atau pelapis yang sesuai. Untuk perlindungan atmosfer, pelapis industri atau galvanisasi celup panas (di mana berlaku oleh layanan) adalah opsi, tetapi galvanisasi mungkin tidak cocok untuk layanan uap suhu tinggi.
- PREN (Angka Setara Ketahanan Pitting) didefinisikan sebagai: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Indeks ini berlaku untuk baja tahan karat dan ketahanan korosi lokal dan tidak berarti untuk P91/P92 karena komposisi dan penggunaan yang dimaksudkan adalah untuk kinerja mekanis suhu tinggi daripada ketahanan pitting klorida.
- Oksidasi suhu tinggi: Kandungan kromium (≈9%) memberikan beberapa ketahanan oksidasi untuk layanan sisi uap, tetapi skala oksidasi jangka panjang dan perilaku karburisasi harus dipertimbangkan; P92 sering lebih disukai pada suhu uap yang lebih tinggi karena karbida yang mengandung W memperlambat pertumbuhan skala dan mempertahankan integritas mekanis lebih lama.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan
- Kemudahan pemesinan: Kedua baja kurang mudah diproses dibandingkan baja karbon biasa karena kandungan paduan dan kekerasan. Kekerasan P92 yang lebih tinggi dan potensi untuk kekerasan yang lebih tinggi dapat mengurangi umur alat dan meningkatkan gaya pemotongan yang diperlukan.
- Kemudahan pembentukan/penekanan: Pembentukan dingin terbatas; pembentukan/presing panas dan tempering yang terkontrol adalah hal yang umum. Kedua grade merespons buruk terhadap pembentukan dingin yang parah tanpa perlakuan panas berikutnya.
- Penyelesaian permukaan dan penggilingan: P92 yang lebih keras memerlukan alat/penggilingan yang lebih agresif. Kontrol tegangan sisa dan menghindari over-tempering penting selama penyelesaian.
- Perlakuan panas setelah fabrikasi: Siklus normalisasi dan tempering yang benar atau perlakuan panas pasca-las diperlukan untuk mencapai sifat yang dimaksudkan dan menghindari kerapuhan.
8. Aplikasi Tipikal
| Penggunaan Tipikal P91 | Penggunaan Tipikal P92 |
|---|---|
| Header uap, pipa dan tabung dalam boiler subkritikal dan awal superkritikal (≤ ~600 °C layanan) | Pipa uap suhu tinggi dan header dalam boiler canggih/superkritikal ultra (lingkungan permintaan creep yang lebih tinggi) |
| Pipa penukar panas, komponen bejana tekan untuk uap suhu sedang | Komponen tekanan tinggi, suhu tinggi di pembangkit listrik yang dirancang untuk suhu uap yang lebih tinggi dan umur yang lebih lama (HRSG, pemanas ulang) |
| Pipa petrokimia di mana kekuatan suhu tinggi yang baik diperlukan tetapi ada sensitivitas biaya | Layanan di mana umur creep yang diperpanjang dan stabilitas jangka panjang yang superior diprioritaskan meskipun biaya material dan pemrosesan lebih tinggi |
| Badan katup dan fitting untuk layanan suhu tinggi | Komponen kritis yang memerlukan kinerja patah creep maksimum untuk perpanjangan umur desain |
Alasan pemilihan - Pilih P91 ketika aplikasi memerlukan kekuatan creep yang terbukti pada suhu tinggi sedang dengan ketersediaan yang baik dan fabrikasi yang sedikit lebih mudah. - Pilih P92 ketika suhu desain dan umur creep yang diperlukan melebihi kemampuan P91, atau ketika operator mencari interval pemeliharaan yang lebih lama dan tegangan yang diizinkan lebih tinggi pada suhu layanan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: P92 umumnya lebih mahal daripada P91 karena kandungan paduan yang lebih tinggi (terutama W), kontrol peleburan yang khusus, dan permintaan/suplai yang lebih terbatas. Prosedur fabrikasi dan pengelasan untuk P92 juga dapat meningkatkan biaya terpasang.
- Ketersediaan: P91 memiliki sejarah penggunaan yang lebih luas dan lebih umum tersedia dalam banyak bentuk produk (pipa, pelat, penempaan). Ketersediaan P92 tergantung pada pasar regional dan produksi pabrik; waktu tunggu bisa lebih lama, terutama untuk bagian besar atau bentuk khusus.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Atribut | P91 | P92 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan (praktis) | Baik dengan prosedur P91 standar; kurang menuntut dibandingkan P92 | Lebih menuntut — kekerasan yang lebih tinggi memerlukan kontrol preheat/PWHT dan bahan habis pakai yang lebih ketat |
| Kekuatan–Ketangguhan pada suhu ruang | Seimbang — ketangguhan yang baik dan kekuatan yang memadai | Kekuatan dan ketahanan creep yang lebih tinggi, tetapi sering sedikit mengurangi duktilitas/ketangguhan jika tidak dioptimalkan |
| Kinerja creep pada suhu tinggi | Sangat baik hingga jendela desain (~hingga ~600–620 °C tipikal) | Ketahanan creep jangka panjang yang superior pada suhu lebih tinggi dan umur yang lebih lama |
| Biaya & ketersediaan | Lebih ekonomis dan tersedia secara luas | Biaya material dan pemrosesan yang lebih tinggi; ketersediaan bisa lebih terbatas |
Kesimpulan — pilih berdasarkan kondisi layanan: - Pilih P91 jika: Anda memerlukan baja tahan creep yang telah terbukti dan hemat biaya untuk layanan suhu tinggi dalam envelope desain P91 konvensional, menginginkan fabrikasi dan pengelasan yang sedikit lebih mudah, dan memprioritaskan ketersediaan serta biaya pembelian/fabrikasi yang lebih rendah. - Pilih P92 jika: aplikasi memerlukan kekuatan creep jangka panjang yang superior pada suhu uap tinggi (atau interval layanan yang diperpanjang), jika umur desain atau tegangan yang diizinkan lebih tinggi membenarkan biaya material dan pemrosesan yang lebih tinggi, dan jika kemampuan fabrikasi Anda dapat mengelola kontrol pengelasan yang lebih ketat dan kualifikasi.
Catatan praktis akhir: Untuk kedua grade, keberhasilan dalam layanan tergantung kurang pada nama grade nominal saja dan lebih pada verifikasi kimia yang benar, prosedur pengelasan yang disetujui, kontrol ketat perlakuan panas/PWHT, dan jaminan kualitas (NDT, pengujian mekanis, dan pelacakan). Ketika beralih dari P91 ke P92, harapkan penyesuaian dalam spesifikasi prosedur pengelasan, pemilihan material pengisi, dan mungkin waktu tunggu dan biaya pengadaan.