P91 vs P92 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Insinyur dan profesional pengadaan yang memilih baja untuk aplikasi daya dan proses suhu tinggi harus menyeimbangkan kekuatan, ketahanan creep, kemampuan las, dan biaya siklus hidup. P91 dan P92 adalah dua baja tahan panas 9% kromium yang banyak digunakan yang dikembangkan untuk sistem perpipaan uap dan tekanan tinggi; keputusan antara keduanya biasanya merupakan kompromi antara kinerja suhu tinggi jangka panjang dan biaya fabrikasi/pemeriksaan.
Perbedaan metalurgi utama adalah bahwa P92 mengembangkan keluarga klasik 9Cr–1Mo dengan mengalihkan sebagian strategi penguatan menuju penguatan refraktori yang lebih berat (tungsten dan mikroaloy yang dioptimalkan), yang meningkatkan ketahanan creep pada suhu tinggi. Karena perubahan aloi yang terarah itu, P92 umumnya menawarkan kekuatan jangka panjang yang lebih tinggi dan kinerja keretakan creep dengan mengorbankan praktik pengelasan dan fabrikasi yang sedikit lebih menuntut dibandingkan dengan P91.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar dan spesifikasi umum di mana P91 dan P92 muncul:
- ASME/ASTM: biasanya sebagai P91 dan P92 dalam SA-335 (pipa baja paduan ferritik tanpa sambungan) dan kode boiler/perpipaan terkait.
- EN: baja ini tersedia di bawah penunjukan Eropa dalam ekuivalen EN dan standar produk terperinci untuk tabung dan fitting.
- GB (Cina): diproduksi secara luas di bawah grade GB/T yang sesuai untuk baja tahan panas.
- JIS: standar Jepang kadang-kadang merujuk pada baja 9Cr ekuivalen untuk layanan suhu tinggi.
- Klasifikasi: baik P91 maupun P92 adalah baja ferritik-martensitik paduan rendah yang tahan panas (bukan baja tahan karat atau baja alat). Mereka paling baik dikategorikan sebagai baja paduan tahan creep berkekuatan tinggi (tipe HSLA untuk layanan suhu tinggi).
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut menunjukkan rentang komposisi tipikal (perkiraan, dibulatkan untuk mencerminkan spesifikasi umum dan praktik industri). Rentang yang tepat diizinkan didefinisikan dalam standar material yang berlaku atau lembar data vendor.
| Elemen | P91 (rentang tipikal, wt%) | P92 (rentang tipikal, wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.3–0.6 | 0.2–0.6 |
| Si | 0.2–0.5 | 0.2–0.6 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.0–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.40 | ≤0.40 |
| Mo | ~0.85–1.05 | ~0.4–0.7 |
| W | jejak hingga 0.5 | ~1.7–2.5 |
| V | 0.18–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | ≤0.02 | ≤0.02 |
| B | tingkat ppm sangat rendah | tingkat ppm sangat rendah |
| N | 0.02–0.07 | 0.03–0.07 |
Catatan: - P92 mengurangi total kandungan Mo dan memperkenalkan tungsten (W) yang disengaja untuk meningkatkan penguatan solid-solution dan presipitasi pada suhu tinggi. Mikroaloy dengan V dan Nb dipertahankan dan dioptimalkan di kedua grade untuk menstabilkan presipitat karbida/nitride halus yang mengontrol creep. - Boron pada tingkat parts-per-million sering digunakan untuk meningkatkan kemampuan pengerasan; nitrogen dikontrol untuk menstabilkan karbida/nitride dan mempengaruhi perilaku tempering. - Rentang ini bersifat indikatif; selalu konfirmasi dengan sertifikat pabrik dan persyaratan kode yang relevan.
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat: - Kromium memberikan ketahanan oksidasi dan stabilitas matriks pada suhu tinggi. - Mo dan W adalah kunci untuk penguatan solid-solution dan untuk membentuk karbida/ presipitat kompleks yang stabil yang memperlambat creep; mengganti sebagian Mo dengan W menggeser keseimbangan suhu-kekuatan ke arah kinerja creep jangka panjang yang lebih baik. - V dan Nb membentuk presipitat MX (karbonitride) halus yang mengunci dislokasi dan batas butir, yang meningkatkan kekuatan creep dan mengontrol embrittlement temper ketika seimbang dengan baik. - Karbon mengontrol kekerasan dan kekuatan tetapi meningkatkan kemampuan pengerasan dan kerentanan terhadap pembentukan martensit—oleh karena itu kontrol yang ketat dan perlakuan panas yang tepat diperlukan.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Kedua grade diproduksi dengan mikrostruktur martensitik/ferritik yang ditempa setelah perlakuan panas normalisasi dan tempering. Struktur yang dinormalisasi adalah paket lath martensit dengan batas butir austenit sebelumnya; tempering menghasilkan martensit yang ditempa dengan berbagai karbida dan karbonitride (presipitat tipe M23C6, MX). - Mikrostruktur P92 cenderung menunjukkan stabilitas presipitat yang lebih tinggi pada suhu layanan karena karbida yang mengandung W dan distribusi karbonitride Nb/V yang lebih halus (dirancang untuk menahan penggumpalan).
Rute perlakuan panas: - Normalisasi: pemanasan hingga suhu austenitisasi untuk melarutkan karbida paduan, diikuti dengan pendinginan udara untuk membentuk martensit; suhu tipikal ditentukan oleh kode/spesifikasi dan harus dipatuhi untuk kontrol dimensi dan sifat metalurgi. - Pendinginan tidak umum—baja ini dinormalisasi dan kemudian ditempa daripada dikeraskan dengan pendinginan dalam arti yang digunakan untuk baja alat. - Tempering: dilakukan untuk mengurangi kerapuhan, menghilangkan tegangan, dan presipitasi karbida penguat. Suhu dan waktu tempering secara signifikan mempengaruhi kekuatan creep, ketangguhan, dan kekerasan. - Pemrosesan termo-mekanis: beberapa bentuk produk (pelat, forging) mendapatkan manfaat dari penggulungan terkontrol dan pendinginan yang dipercepat untuk memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya dan mendistribusikan presipitat lebih merata.
Perbedaan efek: - Presipitat yang mengandung tungsten pada P92 dan keseimbangan Nb/V yang sedikit berbeda mengurangi penggumpalan presipitat pada suhu layanan, yang mengarah pada kekuatan creep jangka panjang yang lebih unggul dibandingkan dengan P91. Jendela tempering dan siklus PWHT harus dipilih dan dikontrol untuk menghindari over-tempering atau under-tempering pada kedua grade.
4. Sifat Mekanik
Tabel — rentang kualitatif dan tipikal (setelah normalisasi dan tempering yang tepat; nilai spesifik tergantung pada perlakuan panas yang tepat dan persyaratan kode):
| Sifat | P91 (tipikal) | P92 (tipikal) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (Rm) | ~600–750 MPa (suhu ruang, tipikal) | ~650–800 MPa (suhu ruang, tipikal) |
| Kekuatan luluh (Rp0.2) | ~415–520 MPa | ~480–560 MPa |
| Peregangan (A%) | ~18–25% | ~15–25% (duktilitas serupa) |
| Ketangguhan impak (Charpy V-notch) | Sedang hingga baik (tergantung pada tempering) | Baik, sebanding tetapi sensitif terhadap perlakuan panas |
| Kekerasan (HRC/HBW) | Biasanya ~180–250 HB | Biasanya ~190–260 HB |
Interpretasi: - P92 umumnya dirancang untuk memberikan kekuatan tarik dan kekuatan creep yang lebih tinggi, terutama pada suhu tinggi dan waktu paparan yang lama. - Duktibilitas dan ketangguhan impak dapat serupa pada suhu ruang ketika perlakuan panas yang tepat diterapkan, tetapi kedua grade memerlukan tempering yang hati-hati untuk mempertahankan ketangguhan yang diperlukan, terutama di sepanjang las. - Kekerasan sebanding; perbedaan diatur oleh suhu tempering dan mikrostruktur akhir.
5. Kemampuan Las
Pertimbangan kemampuan las: - Baik P91 maupun P92 dapat dilas tetapi memerlukan pemanasan awal yang terkontrol, batas suhu antar-lapisan, dan perlakuan panas pasca-las (PWHT) yang wajib untuk menempakan las martensitik dan zona terpengaruh panas (HAZ). - Kandungan paduan yang lebih tinggi dan kemampuan pengerasan membuat keduanya rentan terhadap pengerasan HAZ dan retak dingin jika prosedur pengelasan tidak dikontrol.
Rumus berguna (hanya interpretasi kualitatif):
- Setara karbon (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Semakin tinggi $CE_{IIW}$ menunjukkan kemampuan pengerasan yang lebih besar dan risiko yang lebih besar dari martensit HAZ dan retak; baik P91 maupun P92 menghasilkan nilai yang relatif tinggi dibandingkan dengan baja paduan rendah.
- Pcm (parameter kemampuan las):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
$P_{cm}$ membantu menilai kerentanan terhadap retak dingin; elemen mikroaloy dan boron dalam P91/P92 dapat meningkatkan indeks.
Implikasi praktis: - Peningkatan tungsten (dan Mo yang disesuaikan) pada P92 sedikit meningkatkan kemampuan pengerasan relatif terhadap P91, sehingga kontrol pengelasan cenderung lebih kritis (pemanasan awal yang lebih tinggi, profil antar-lapisan dan PWHT yang hati-hati, penggunaan logam pengisi yang cocok). - Penggunaan logam pengisi yang cocok atau lebih cocok, kontrol hidrogen yang ketat, dan prosedur pengelasan yang memenuhi syarat diperlukan. Perlakuan panas pasca-las sangat penting untuk mencapai sifat mekanik yang diperlukan dan mengurangi tegangan sisa serta kekerasan martensitik. - Perbaikan las dan pengelasan multi-lapisan memerlukan perhatian khusus terhadap suhu/waktu siklus PWHT yang ditentukan dalam kode atau prosedur pengelasan produsen.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik P91 maupun P92 bukanlah baja tahan karat; mereka bergantung pada kandungan Cr (~9%) untuk meningkatkan ketahanan oksidasi pada suhu tinggi daripada ketahanan korosi di lingkungan basah atau klorida.
- Untuk paparan atmosfer umum, air, atau bahan kimia yang agresif, praktik perlindungan permukaan standar berlaku: pelapisan, cat, semprotan termal, atau galvanisasi dapat digunakan jika sesuai (tetapi galvanisasi pada komponen layanan suhu tinggi tidak umum).
- PREN (angka setara ketahanan pitting) tidak relevan untuk baja ferritik tahan panas non-stainless ini; sebagai referensi, PREN dihitung sebagai:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ tetapi indeks ini berlaku untuk pemilihan paduan stainless dan tidak secara berarti menggambarkan P91/P92.
Panduan praktis: - Untuk oksidasi sisi uap jangka panjang dan korosi sisi api di boiler dan superheater, pemilihan material (P91 vs P92) harus didorong oleh suhu operasi dan perilaku deposit/oksidasi yang diharapkan, dengan pelapisan dan kontrol kimia air diterapkan sesuai kebutuhan.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin: kedua grade lebih sulit untuk diproses dibandingkan dengan baja paduan rendah karena kekuatan dan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi; P92 bisa sedikit lebih menantang karena kandungan tungsten dan stabilitas karbida yang terkait. Gunakan alat tajam, pengaturan kaku, dan parameter pemotongan yang disesuaikan.
- Formabilitas/penekukan: pembentukan dingin terbatas; pembentukan biasanya dilakukan pada bentuk produk yang dinormalisasi atau dikeraskan jika memungkinkan. Jari-jari penekukan dan metode harus mengikuti panduan vendor dan memungkinkan perlakuan panas selanjutnya.
- Operasi penggilingan, pengeboran, dan penyelesaian memerlukan perhatian terhadap pembangkitan panas untuk menghindari tempering atau pengerasan kerja permukaan.
- Fabrikasi las memerlukan prosedur dan personel yang memenuhi syarat yang akrab dengan persyaratan PWHT.
8. Aplikasi Tipikal
| P91 — Penggunaan Tipikal | P92 — Penggunaan Tipikal |
|---|---|
| Pipa uap utama, header, tabung superheater, bagian reheater di pembangkit konvensional dan subkritikal (hingga ~600–620°C rentang layanan tergantung pada umur desain) | Pipa boiler dan turbin tekanan tinggi, ultra-supercritical, tabung superheater/reheater canggih, komponen di mana kekuatan creep yang lebih tinggi diperlukan untuk layanan lebih lama atau suhu lebih tinggi (biasanya di ujung atas keluarga 9Cr) |
| Tabung boiler dan fitting di pembangkit listrik fosil | Komponen dinding tebal atau yang memerlukan kekuatan keretakan jangka panjang yang lebih baik dan laju creep yang lebih rendah |
| Wadah tekanan dinding tebal di mana perilaku material yang dipahami dengan baik dan terjangkau diterima | Pembangkit baru atau retrofit di mana umur panjang pada suhu logam yang lebih tinggi membenarkan biaya material dan fabrikasi yang lebih tinggi |
Rasional pemilihan: - Pilih berdasarkan suhu desain yang diperlukan, umur keretakan creep yang diperlukan, ketebalan (W meningkatkan kekuatan di bagian yang lebih tebal), dan strategi pengelasan/fabrikasi yang dapat diterima.
9. Biaya dan Ketersediaan
- P92 biasanya lebih mahal daripada P91 karena tambahan tungsten dan kontrol manufaktur; mungkin juga memiliki waktu tunggu yang lebih lama dan ketersediaan yang lebih terbatas dalam bentuk atau ukuran produk tertentu.
- P91 tersedia secara luas di seluruh dunia dalam bentuk tabung, fitting, pelat, dan forging dan sering kali menjadi dasar untuk komponen yang disetujui kode.
- Ketersediaan bervariasi dengan siklus pasar, kemampuan pabrik, dan wilayah geografis; pengadaan harus mengonfirmasi waktu tunggu untuk tabung tanpa sambungan versus tabung las, forging, dan fitting.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif):
| Atribut | P91 | P92 |
|---|---|---|
| Kemampuan las (kompleksitas prosedur) | Baik — PWHT standar diperlukan | Lebih menuntut — kemampuan pengerasan lebih tinggi, kontrol lebih ketat |
| Kekuatan–Ketangguhan (suhu ruang) | Kuat, ketangguhan baik | Kekuatan lebih tinggi, ketangguhan sebanding jika diperlakukan dengan benar |
| Ketahanan creep (jangka panjang, suhu tinggi) | Baik hingga batas layanan tipikal | Ketahanan creep jangka panjang yang lebih baik pada suhu yang lebih tinggi |
| Biaya & Ketersediaan | Biaya lebih rendah, ketersediaan lebih luas | Biaya lebih tinggi, pasokan lebih terbatas dalam beberapa bentuk |
Rekomendasi: - Pilih P91 jika: - Aplikasi berada dalam suhu layanan konvensional 9Cr–1Mo dan harapan umur desain, - Kecepatan fabrikasi, biaya, dan ketersediaan yang lebih mudah adalah prioritas, - Pengalaman kode yang terbukti dan prosedur pengelasan yang ada lebih disukai.
- Pilih P92 jika:
- Desain memerlukan kekuatan creep jangka panjang yang lebih baik, operasi di ujung atas kemampuan suhu 9Cr, atau umur yang lebih lama yang dijamin di bawah uap/tekanan,
- Proyek dapat mengakomodasi kontrol pengelasan yang lebih ketat, biaya material yang lebih tinggi, dan waktu tunggu yang mungkin lebih lama,
- Kinerja yang lebih baik di bagian tebal atau rezim creep suhu tinggi yang agresif adalah faktor penentu.
Catatan akhir: Pemilihan material harus selalu didukung oleh data keretakan creep yang spesifik untuk proyek, catatan kualifikasi prosedur las, jadwal perlakuan panas yang tepat, dan konsultasi dengan pemasok dan fabrikator material. Konfirmasi komposisi yang tepat dan sifat yang dijamin dari sertifikat uji pabrik dan ikuti resep kode (ASME/EN/GB/JIS) untuk desain, pengelasan, dan pemeriksaan.