P91 vs X10CrMoVNb9-1 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Memilih antara P91 dan X10CrMoVNb9-1 adalah dilema umum bagi insinyur dan tim pengadaan yang bekerja pada sistem tekanan suhu tinggi, pipa pembangkit listrik, dan komponen siklus uap. Keputusan biasanya dipengaruhi oleh standar dan batasan pengadaan (ASME vs EN), bersama dengan trade-off antara kekuatan suhu tinggi, kemampuan las, dan biaya siklus hidup.
Meskipun kedua baja ini mengandung 9% kromium, baja ferritik paduan rendah yang dirancang untuk layanan suhu tinggi, perbedaan praktis utama terletak pada sistem spesifikasi normatif mereka dan harapan yang dihasilkan untuk perlakuan panas, inspeksi, dan dokumentasi — yang dapat mempengaruhi pengadaan, kualifikasi, dan alur kerja fabrikasi.
1. Standar dan Penunjukan
- P91
- Standar umum: ASME/ASTM (misalnya, ASME SA-213 T91, ASME SA-335 P91), referensi API dalam beberapa konteks.
- Klasifikasi: Baja tahan panas ferritik paduan rendah (sering terdaftar dalam kode bejana tekan dan pipa).
- X10CrMoVNb9-1
- Standar umum: EN/ISO (misalnya, EN 10216-2 / 1.4903; sering dirujuk dalam norma Eropa dan dokumentasi yang sesuai dengan PED).
- Klasifikasi: Baja tahan panas ferritik paduan rendah (penunjukan EN untuk keluarga 9%Cr – 1%Mo).
Kategori: keduanya adalah baja paduan yang ditujukan untuk aplikasi suhu tinggi yang tahan creep (bukan baja tahan karat dalam arti ketahanan korosi).
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel di bawah ini mencantumkan rentang komposisi tipikal yang digunakan untuk spesifikasi dan pengadaan. Nilai yang ditunjukkan adalah rentang representatif dari lembar data umum dan batas normatif; batas yang tepat tergantung pada standar spesifik dan sertifikat pabrik.
| Elemen | P91 (rentang tipikal, wt%) | X10CrMoVNb9-1 (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 | ≤ 0.025 – 0.03 | ≤ 0.025 – 0.03 |
| S | ≤ 0.01 – 0.02 | ≤ 0.01 – 0.02 |
| Cr | 8.0 – 9.5 | 8.5 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.85 – 1.05 | 0.90 – 1.05 |
| V | 0.18 – 0.25 | 0.18 – 0.25 |
| Nb (Ta) | 0.06 – 0.12 (Nb) | 0.06 – 0.12 (Nb) |
| Ti | ≤ 0.02 (jejak) | ≤ 0.02 (jejak) |
| B | ≤ 0.001 (jejak, jika ada) | ≤ 0.001 (jejak, jika ada) |
| N | 0.03 – 0.06 (tip.) | 0.03 – 0.06 (tip.) |
Bagaimana paduan mempengaruhi kinerja: - Kromium dan molibdenum meningkatkan kekuatan suhu tinggi, ketahanan creep, dan kemampuan pengerasan. - Vanadium dan niobium membentuk karbida/nitrida yang stabil yang memperhalus ukuran butir austenit sebelumnya dan menstabilkan mikrostruktur martensitik, meningkatkan ketahanan creep. - Karbon mengontrol kekuatan melalui pembentukan martensit/martensit yang dipanaskan tetapi harus dibatasi untuk menyeimbangkan kemampuan las. - Unsur minor (Ti, B, N) mengontrol presipitasi dan pertumbuhan butir; nitrogen mengikat karbon dan membentuk nitrida yang mempengaruhi ketangguhan.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Kedua grade dirancang untuk membentuk mikrostruktur martensit yang dipanaskan setelah austenitisasi yang tepat (normalisasi/penyejukan) diikuti dengan tempering. Matriks martensit yang dipanaskan dengan presipitasi karbida/nitrida halus (tipe M23C6, MX, M6C tergantung pada kimia) memberikan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep. - Dalam kondisi setelah pengelasan, martensit yang tidak dipanaskan dengan puncak kekerasan dan tegangan sisa yang tinggi dapat terbentuk, terutama di dekat HAZ las (zona terpengaruh panas).
Efek pemrosesan: - Normalisasi: melarutkan karbida kasar dan memberikan ukuran butir austenit sebelumnya yang lebih halus; suhu normalisasi tipikal untuk baja 9%Cr berada dalam kisaran ~1000–1100°C, tetapi standar spesifik menetapkan nilai yang tepat. - Penyejukan dan tempering (Q&T): penyejukan menghasilkan martensit; tempering yang terkontrol (misalnya, kisaran 730–780°C tergantung pada kode dan sifat yang diperlukan) mengurangi kekerasan, menstabilkan presipitasi, dan menghasilkan kombinasi kekuatan dan ketangguhan yang diinginkan. - Pemrosesan termo-mekanis: penggulungan terkontrol dan pendinginan yang dipercepat dapat menghasilkan struktur butir halus yang lebih baik dan ketangguhan yang superior; kedua baja mendapatkan manfaat dari pemrosesan semacam itu ketika ditentukan. - Penuaan/creep jangka panjang: penghalusan presipitasi selama masa layanan mengurangi kekuatan; baja tipe P91 dirancang untuk memberikan umur creep yang dapat diterima hingga batas suhu/waktu yang ditentukan (sering hingga sekitar 600–620°C dengan desain yang hati-hati).
4. Sifat Mekanis
Nilai di bawah ini adalah rentang tipikal yang ditentukan setelah normalisasi dan tempering standar; sifat aktual tergantung pada perlakuan panas yang tepat, ketebalan bagian, dan kualifikasi pemasok.
| Sifat | P91 (tipikal, suhu ruangan) | X10CrMoVNb9-1 (tipikal, suhu ruangan) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | ~550 – 700 | ~550 – 700 |
| Kekuatan luluh (0.2% bukti, MPa) | ~400 – 600 | ~400 – 600 |
| Peregangan (% total) | ~12 – 20 | ~12 – 20 |
| Ketangguhan impak (Charpy V, J, RT) | Biasanya ≥ 40 J (tergantung pada spesifikasi/perlakuan panas) | Biasanya ≥ 40 J (tergantung pada spesifikasi/perlakuan panas) |
| Kekerasan (HB) | ~170 – 260 HB | ~170 – 260 HB |
Interpretasi: - Kedua grade menunjukkan kekuatan tarik dan kekuatan luluh yang sangat mirip pada suhu ruangan ketika diproses ke kondisi tempering yang sama; perbedaan kecil muncul dari toleransi komposisi yang diizinkan dan perlakuan panas spesifik. - Ketangguhan dikontrol oleh pemurnian butir, suhu tempering, dan kontrol mikro paduan; kedua baja dapat memenuhi persyaratan impak yang sebanding ketika diproduksi sesuai dengan standar ASME atau EN yang bersangkutan. - Singkatnya, tidak ada grade yang secara kategoris lebih kuat dalam semua kondisi; keseimbangan kekuatan–ketangguhan dicapai dengan menentukan kondisi tempering dan persyaratan pengujian dalam standar yang berlaku.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las adalah pembeda praktis yang kritis karena baja paduan tinggi karbon rendah ini sangat dapat dikeraskan.
Rumus relevan untuk penilaian kualitatif: - Setara karbon (IIW) untuk wawasan kemampuan las umum: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Ito-Bessyo) sebagai indeks yang lebih konservatif untuk kerentanan retak dingin: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif: - Baik P91 maupun X10CrMoVNb9-1 memiliki karbon sedang dan tambahan Cr/Mo/V/Nb yang signifikan, meningkatkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ relatif terhadap baja karbon biasa; ini menunjukkan kemampuan pengerasan yang lebih tinggi dan kecenderungan yang lebih besar untuk martensit HAZ dan risiko retak dingin jika pengelasan tidak dikendalikan. - Rekomendasi pengelasan untuk kedua baja biasanya mencakup pemanasan awal, suhu antar las yang terkontrol, dan perlakuan panas pasca las (PWHT) yang wajib untuk menemper martensit HAZ dan meredakan tegangan sisa. Suhu PWHT sekitar 730–780°C biasanya ditentukan tergantung pada ketebalan dan kode. - Perbedaan praktis: perbedaan sebagian besar bersifat prosedural — misalnya, kualifikasi prosedur pengelasan ASME P91 dan kriteria penerimaan PWHT mungkin berbeda dalam kata-kata dari spesifikasi X10CrMoVNb9-1 berbasis EN. Dalam praktiknya, prosedur las harus memenuhi standar yang berlaku dan bentuk produk.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Perilaku korosi: Kedua material adalah baja ferritik paduan rendah dengan sekitar 9% Cr tetapi bukan baja tahan karat dalam arti pasif, korosi akuatik. Mereka tidak memberikan ketahanan korosi kelas tahan karat dan akan berkarat di lingkungan basah kecuali dilindungi.
- Strategi perlindungan tipikal: pelapis pelindung (sistem cat), pelapisan internal, lingkungan terkontrol, atau perlindungan katodik tergantung pada layanan. Galvanisasi dimungkinkan untuk beberapa bentuk produk tetapi kurang umum untuk pipa suhu tinggi di mana stabilitas skala dan pelapis menjadi perhatian.
- PREN (angka setara ketahanan pitting) tidak berlaku untuk baja ferritik tahan panas ini dalam arti baja tahan karat, tetapi rumus untuk penilaian tahan karat adalah: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Untuk baja ini, PREN tidak berarti untuk pemilihan korosi karena ketahanan korosi mereka dikendalikan oleh paduan, kondisi permukaan, dan lingkungan operasi daripada stabilitas film pasif.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan
- Kemudahan pemesinan: kekerasan tempering dan mikrostruktur mempengaruhi kemudahan pemesinan. Kedua grade lebih sulit untuk diproses dibandingkan dengan baja karbon rendah; alat, kecepatan pemotongan, dan umpan harus disesuaikan. Perlakuan panas pra-lembut kadang-kadang digunakan untuk pemesinan berat.
- Pembengkokan/pembentukan: pembentukan dingin terbatas karena ductility rendah dibandingkan dengan baja lunak; jari-jari pembengkokan harus lebih besar dan sering dilakukan setelah annealing sementara atau menggunakan teknik pembentukan panas. Pembentukan panas dan pendinginan terkontrol dapat digunakan untuk bentuk yang kompleks.
- Penyelesaian permukaan: penggilingan dan persiapan permukaan harus memperhitungkan presipitasi keras; pemolesan dan inspeksi untuk komponen yang sensitif terhadap kelelahan sering diperlukan.
8. Aplikasi Tipikal
| P91 | X10CrMoVNb9-1 |
|---|---|
| Header uap, tabung superheater dan reheater di pembangkit listrik fosil dan siklus gabungan (sistem yang ditentukan ASME) | Tabung boiler, pipa, dan header di pembangkit listrik Eropa dan sistem pemulihan panas (sistem yang ditentukan EN) |
| Pipa suhu tinggi dan bejana tekan yang terkena creep hingga ~600°C | Pipa suhu tinggi dan bejana tekan untuk rentang suhu serupa di bawah yurisdiksi EN/PED |
| Komponen yang memerlukan jejak material ASME dan kualifikasi (proyek AS/internasional yang menentukan ASME) | Komponen yang memerlukan kesesuaian EN atau dokumentasi rantai pasokan Eropa |
| Rumah turbin, rotor, dan komponen kritis yang diperbaiki las di mana prosedur pengelasan ASME digunakan | Komponen turbin dan boiler di mana alur kerja pengelasan dan inspeksi EN ditentukan |
Rasional pemilihan: - Gunakan salah satu grade di mana suhu desain dan persyaratan creep sesuai dengan keluarga 9Cr–1Mo. Pilih berdasarkan kode yang mengatur dan rezim kualifikasi/inspeksi yang diperlukan. Metalurgi dan envelope aplikasi sangat mirip; faktor penentu biasanya adalah kepatuhan standar, kemampuan pemasok, dan aturan pengadaan proyek.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya: Biaya bahan baku P91 dan X10CrMoVNb9-1 serupa karena kimia yang sebanding; namun, biaya pengadaan berbeda dengan geografi. P91 mungkin mengalami harga premium di daerah di mana pabrik bersertifikat ASME lebih sedikit, dan X10CrMoVNb9-1 mungkin lebih ekonomis di Eropa di mana pabrik EN lebih umum.
- Ketersediaan: Kedua grade tersedia secara luas untuk bentuk produk umum (pipa, tabung, forging, pelat) tetapi bentuk, ukuran, dan kondisi perlakuan panas tertentu mungkin memiliki waktu tunggu. Item dengan waktu tunggu lama dan komponen dinding tebal memerlukan penjadwalan pabrik dan dokumen QA; tentukan kondisi pengiriman yang diperlukan (dinormalisasi & dipanaskan) dan sertifikat uji untuk menghindari keterlambatan.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif)
| Metrik | P91 | X10CrMoVNb9-1 |
|---|---|---|
| Kemampuan las (relatif) | Memerlukan pemanasan awal/PWHT yang terkontrol; mirip dengan setara EN | Memerlukan pemanasan awal/PWHT yang terkontrol; mirip dengan setara ASME |
| Keseimbangan Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan suhu tinggi dan ketangguhan martensit yang dipanaskan ketika diperlakukan panas dengan benar | Kekuatan suhu tinggi dan ketangguhan martensit yang dipanaskan ketika diperlakukan panas dengan benar |
| Biaya & Pengadaan | Bersaing; mungkin lebih disukai di mana kode ASME diperlukan | Bersaing; mungkin lebih disukai di mana dokumentasi EN/PED diperlukan |
Rekomendasi penutup: - Pilih P91 jika proyek Anda diatur oleh kode ASME/ASTM, atau jika Anda memerlukan sertifikat material dan prosedur pengelasan yang memenuhi syarat ASME yang umum di proyek AS dan banyak proyek internasional. Referensi P91 dalam pengadaan dan kualifikasi pengelasan sering menyederhanakan kepatuhan terhadap spesifikasi berbasis ASME. - Pilih X10CrMoVNb9-1 jika proyek ditentukan sesuai dengan standar Eropa (EN), kesesuaian PED, atau Anda sedang mencari dari pabrik Eropa di mana bentuk produk EN, dokumentasi, dan rezim inspeksi adalah standar. Ini akan memperlancar pengadaan dan mengurangi overhead kualifikasi dalam proyek yang berfokus pada EN.
Catatan praktis akhir: Secara metalurgi, kedua baja termasuk dalam keluarga yang sama 9Cr–1Mo–V–Nb dan memberikan kinerja yang sebanding ketika diperlakukan panas dan diperiksa sesuai dengan kode yang sesuai. Faktor penentu dalam sebagian besar keputusan pengadaan adalah sistem spesifikasi (ASME vs EN), jejak yang diperlukan dan kualifikasi pengelasan, serta ketersediaan rantai pasokan untuk bentuk produk tertentu dan kondisi perlakuan panas.