SA213 T22 vs T91 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
SA213 T22 dan T91 adalah dua kelas tabung baja paduan yang banyak digunakan dalam pembangkit listrik, petrokimia, dan layanan industri suhu tinggi. Insinyur dan profesional pengadaan sering menghadapi dilema pemilihan antara keduanya: menyeimbangkan kekuatan suhu tinggi yang tinggi dan kinerja creep jangka panjang terhadap kemampuan las, biaya, dan kemudahan fabrikasi. Konteks keputusan yang umum termasuk memilih bahan untuk tabung boiler dan penukar panas, pipa dalam sistem uap, atau komponen pengganti dalam rakitan yang menahan tekanan.
Perbedaan utama antara kelas-kelas ini adalah strategi paduan dan mikrostruktur yang dihasilkan: T22 adalah baja kromium-molibdenum paduan rendah yang dirancang untuk kekuatan suhu tinggi yang moderat dan kemampuan fabrikasi yang baik, sementara T91 adalah baja martensitik, paduan kromium tinggi, yang dirancang untuk kekuatan creep dan yield yang jauh lebih tinggi pada suhu tinggi. Perbedaan ini mempengaruhi sebagian besar pilihan hilir dalam desain, praktik pengelasan, dan biaya siklus hidup.
1. Standar dan Penunjukan
- ASTM/ASME:
- SA213 T22 — ASTM A213 / ASME SA213 (tabung boiler, superheater, dan penukar panas baja paduan ferritik tanpa sambungan)
- SA213 T91 — ASTM A213 / ASME SA213 (tabung layanan suhu tinggi baja paduan ferritik tanpa sambungan)
- Standar lainnya:
- Setara EN/ISO sering ditentukan di bawah EN 10216-2 atau EN 10222 (untuk baja paduan serupa); standar nasional (JIS, GB) menyediakan kelas yang sebanding dengan nama yang berbeda.
- Klasifikasi:
- SA213 T22 — Baja ferritik paduan rendah hingga sedang (umumnya disebut baja paduan Cr–Mo)
- SA213 T91 — Baja paduan martensitik Cr tinggi (martensitik temper/tipe HSLA untuk layanan suhu tinggi)
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel: Rentang komposisi kimia yang khas (wt%) untuk SA213 T22 dan T91. Ini adalah rentang representatif yang sering dirujuk dalam spesifikasi industri; batasan yang tepat tergantung pada standar dan bentuk panas/produk.
| Elemen | SA213 T22 (rentang khas) | SA213 T91 (rentang khas) |
|---|---|---|
| C | 0.05 – 0.15 | 0.08 – 0.12 |
| Mn | 0.30 – 0.60 | 0.40 – 0.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.20 – 0.60 |
| P | ≤ 0.025 (maks) | ≤ 0.020 (maks) |
| S | ≤ 0.025 (maks) | ≤ 0.010 (maks) |
| Cr | 1.8 – 2.3 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 (jejak) | ≤ 0.40 (jejak) |
| Mo | 0.40 – 0.70 | 0.85 – 1.05 |
| V | jejak – 0.05 | 0.18 – 0.25 |
| Nb (Cb) | jejak – 0.05 | 0.06 – 0.12 |
| Ti | — (biasanya rendah) | — (biasanya rendah) |
| B | — (biasanya tidak ditentukan) | — (sering dikontrol pada ppm yang sangat rendah) |
| N | — (rendah) | 0.03 – 0.07 |
Bagaimana paduan mempengaruhi sifat - Kromium dan molibdenum: Baik Cr maupun Mo meningkatkan kekuatan pada suhu tinggi dan ketahanan oksidasi. Cr/Mo moderat T22 memberikan kinerja creep yang moderat; Cr dan Mo tinggi T91, dikombinasikan dengan mikro-paduan, menghasilkan ketahanan creep yang jauh lebih tinggi. - Karbon: Karbon yang lebih tinggi di T91 mendukung pembentukan martensit dan respons temper; T22 memiliki karbon lebih rendah untuk mempertahankan duktilitas dan kemampuan las. - Mikro-paduan (V, Nb): Hadir di T91 untuk menstabilkan karbida/nitrida, memperhalus ukuran butir, dan meningkatkan kekuatan creep serta ketahanan terhadap pelunakan selama paparan jangka panjang. - Silikon dan mangan: Deoksidasi dan penguatan larutan padat; juga mempengaruhi kemampuan pengerasan dan ketangguhan.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
- SA213 T22:
- Mikrostruktur khas setelah perlakuan panas standar: ferrit yang dikeraskan dengan konstituen pearlit/bainit yang dikeraskan, tergantung pada laju pendinginan. Ini bukan baja martensitik sepenuhnya.
- Respons perlakuan panas: normalisasi dan temper atau pelepasan stres dapat menyesuaikan ketangguhan dan kekuatan. Ini kurang responsif terhadap pengerasan martensitik dibandingkan T91; pendinginan cepat yang berat biasanya tidak diperlukan atau digunakan.
- SA213 T91:
- Mikrostruktur khas: martensit yang dikeraskan dan dikeraskan (martensit lath yang dikeraskan) dengan karbida dan karbonitrida halus (kaya V/Nb/Ti) setelah normalisasi dan temper yang tepat.
- Respons perlakuan panas: memerlukan normalisasi dan temper yang terkontrol untuk mengembangkan mikrostruktur yang dimaksudkan. Pemrosesan termo-mekanis dan temper yang tepat penting untuk mencapai pemurnian butir dan ketahanan creep yang diinginkan.
- Efek pemrosesan:
- Normalisasi memperhalus struktur butir austenit sebelumnya di T91 dan merupakan langkah penting sebelum temper.
- Pendinginan cepat dan temper (Q&T) untuk T91 menghasilkan kekuatan tinggi dan stabilitas suhu tinggi; over-tempering mengurangi kekuatan tetapi meningkatkan ketangguhan.
- T22 lebih bergantung pada pendinginan dan temper yang terkontrol untuk menyeimbangkan duktilitas dan kekuatan; ini kurang sensitif terhadap laju pendinginan.
4. Sifat Mekanik
Tabel: Rentang sifat mekanik yang khas untuk kondisi dinormalisasi dan dikeraskan atau kondisi yang umum disuplai. Nilai tergantung pada perlakuan panas, bentuk produk, dan spesifikasi.
| Sifat | SA213 T22 (khas, N&T atau sesuai pasokan) | SA213 T91 (khas, dinormalisasi & dikeraskan) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik (MPa) | 400 – 600 | 550 – 800 |
| Kekuatan luluh (0.2% offset, MPa) | 200 – 350 | 400 – 650 |
| Peregangan (%) | 18 – 30 | 12 – 20 |
| Ketangguhan impak (Charpy V, J, RT) | 20 – 60 (bervariasi dengan ketebalan) | 30 – 100 (temper + HT tergantung) |
| Kekerasan (HB) | ~150 – 230 | ~200 – 300 |
Interpretasi - Kekuatan: T91 jelas merupakan kelas yang lebih kuat dalam kekuatan tarik dan kekuatan luluh, terutama pada suhu tinggi dan untuk ketahanan creep jangka panjang, karena struktur martensitik dan mikro-paduan. - Ketangguhan dan duktilitas: T22 biasanya menawarkan lebih banyak duktilitas dan deformasi plastik yang lebih mudah; T91 memberikan kombinasi kuat antara kekuatan dan ketangguhan yang memadai ketika dinormalisasi dan dikeraskan dengan benar tetapi kurang duktil. - Implikasi pilihan: Untuk layanan tekanan tinggi, suhu tinggi di mana creep penting, T91 lebih disukai. Untuk suhu moderat, di mana kemudahan fabrikasi dan biaya menjadi prioritas, T22 tetap kompetitif.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las tergantung pada ekuivalen karbon dan kemampuan pengerasan; kedua kelas memerlukan perhatian tetapi T91 lebih menuntut.
Indeks pengelasan umum: - Ekuivalen karbon (tipe IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parameter yang lebih komprehensif: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif - SA213 T22: Kemampuan pengerasan keseluruhan yang lebih rendah dan ekuivalen karbon yang lebih rendah dibandingkan T91 dalam sebagian besar kasus. Lebih mudah untuk dilas dengan logam pengisi standar; pemanasan awal dan perlakuan panas pasca-las (PWHT) disarankan untuk sambungan yang menahan tekanan untuk mengurangi stres residual dan mengembalikan sifat, tetapi risiko retak lebih rendah dibandingkan T91. - SA213 T91: Kemampuan pengerasan yang lebih tinggi (karena Cr, Mo, dan mikro-paduan yang lebih tinggi) menyebabkan risiko pembentukan martensit yang lebih besar di HAZ, retak dingin yang dibantu hidrogen, dan mikrostruktur rapuh jika tidak dikontrol dengan baik. Mengelas T91 biasanya memerlukan pemanasan awal yang ketat, suhu antar-lapis yang terkontrol, dan PWHT penuh sesuai persyaratan kode; prosedur pengelasan yang memenuhi syarat dan logam pengisi yang cocok sangat penting. - Catatan praktis: Untuk pengelasan logam campuran (misalnya, menggabungkan T91 dengan baja paduan rendah), prosedur transisi khusus dan WPS/PQR yang memenuhi syarat diperlukan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik SA213 T22 maupun T91 bukanlah stainless; keduanya rentan terhadap korosi umum di lingkungan basah dan oksidasi pada suhu tinggi tergantung pada lingkungan layanan.
- Strategi perlindungan umum:
- Pelapis pelindung (cat), pelapisan, atau lining untuk media korosif.
- Galvanisasi celup panas dimungkinkan untuk beberapa komponen yang diproduksi tetapi tidak umum untuk tabung suhu tinggi.
- Untuk ketahanan oksidasi suhu tinggi, komposisi paduan sangat penting: Cr yang lebih tinggi di T91 memberikan ketahanan pengelupasan yang lebih baik di lingkungan uap yang mengoksidasi dibandingkan dengan T22 yang memiliki Cr lebih rendah, tetapi ketahanan oksidasi masih lebih rendah dibandingkan dengan kelas stainless.
- PREN (angka ekuivalen ketahanan pitting) tidak berlaku untuk baja Cr–Mo non-stainless, tetapi untuk referensi rumus untuk paduan stainless adalah: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — indeks ini tidak berlaku secara berarti untuk T22 atau T91 karena ketahanan korosi lokal dan perilaku pasif memerlukan kandungan kromium dan nikel yang jauh lebih tinggi.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Kemampuan Bentuk
- Kemampuan mesin:
- T22 dapat diproses dengan baik dalam kondisi yang dikeraskan atau dinormalisasi; kemampuan mesin sedang.
- T91, dengan kekuatan yang lebih tinggi dan kecenderungan pengerasan kerja, lebih sulit untuk diproses dan memerlukan alat yang kuat, kecepatan pemotongan yang lebih rendah, dan perhatian terhadap pembangkitan panas.
- Kemampuan bentuk dan pembengkokan:
- T22 menunjukkan karakteristik pembentukan dingin dan pembengkokan yang lebih baik karena kekuatan luluh yang lebih rendah dan duktilitas yang lebih tinggi.
- T91 kurang cocok untuk pembentukan dingin yang luas; pembentukan biasanya dilakukan dalam kondisi terkontrol, sering kali hangat, setelah perlakuan panas yang sesuai.
- Finishing permukaan:
- Keduanya dapat diselesaikan dengan toleransi tinggi, tetapi T91 memerlukan proses yang lebih lambat dan terkontrol untuk menghindari pengerasan atau memperkenalkan cacat.
8. Aplikasi Khas
Tabel: Penggunaan khas untuk setiap kelas
| SA213 T22 — Penggunaan Khas | SA213 T91 — Penggunaan Khas |
|---|---|
| Tabung boiler dan superheater untuk sistem uap suhu moderat | Pipa uap tekanan tinggi, header, dan tabung di pembangkit listrik yang memerlukan kekuatan creep tinggi |
| Tabung penukar panas dan komponen reheater dalam rentang suhu menengah | Komponen yang terpapar 500–650°C di mana kekuatan jangka panjang sangat penting |
| Tabung tekanan umum di mana kekuatan moderat dan kemampuan las yang baik diperlukan | Unit cracking petrokimia, pipa suhu tinggi, saluran uap utama pembangkit listrik |
| Bagian pengganti yang ekonomis dan pipa layanan | Aplikasi di mana umur desain dan ketahanan creep membenarkan biaya material awal yang lebih tinggi |
Rasional pemilihan - Pilih T22 untuk layanan suhu moderat dengan prioritas pada biaya material yang lebih rendah, pengelasan yang lebih mudah, dan kemampuan bentuk yang lebih tinggi. - Pilih T91 untuk aplikasi suhu tinggi, stres tinggi di mana kinerja creep jangka panjang, kekuatan luluh yang lebih tinggi, dan stabilitas yang lebih baik pada suhu tinggi diperlukan.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif:
- T91 biasanya lebih mahal per kilogram dibandingkan T22 karena kandungan paduan yang lebih tinggi (Cr, Mo) dan elemen mikro-paduan tambahan, serta karena T91 sering memerlukan perlakuan panas dan kontrol pemrosesan yang lebih ketat.
- Ketersediaan:
- Kedua kelas tersedia secara luas di pasar utama dalam bentuk tabung, pipa, dan batang, tetapi waktu tunggu produk untuk T91 bisa lebih lama untuk ukuran khusus dan kondisi yang diperlakukan panas.
- Inventaris dan pasokan lokal cenderung lebih baik untuk T22 karena telah digunakan lebih lama untuk komponen boiler suhu moderat.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel: Ringkasan cepat
| Karakteristik | SA213 T22 | SA213 T91 |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Baik — prosedur pra/pasca-las yang lebih mudah | Menuntut — pemanasan awal & PWHT yang ketat diperlukan |
| Kekuatan–Ketangguhan (suhu tinggi) | Kekuatan moderat; duktilitas yang baik | Kekuatan tinggi dan ketahanan creep; ketangguhan yang dirancang |
| Biaya | Biaya material awal yang lebih rendah | Biaya material dan pemrosesan yang lebih tinggi |
Kesimpulan dan rekomendasi - Pilih SA213 T22 jika: - Suhu dan stres layanan moderat (envelope desain di mana T22 memenuhi stres yang diizinkan). - Kecepatan fabrikasi, kemudahan pengelasan, biaya awal yang lebih rendah, dan kemampuan bentuk menjadi prioritas. - Anda memerlukan tabung yang tersedia secara luas dan ekonomis untuk penukar panas atau boiler suhu menengah di mana creep jangka panjang bukanlah penggerak desain yang utama. - Pilih SA213 T91 jika: - Aplikasi memerlukan kekuatan creep tinggi dan kekuatan luluh tinggi pada suhu tinggi (misalnya, saluran uap utama, header, komponen yang beroperasi dekat 550–650°C). - Umur panjang, ketebalan yang dikurangi untuk penghematan berat, atau stres yang diizinkan lebih tinggi pada suhu membenarkan biaya material dan pemrosesan yang lebih tinggi. - Proyek dapat mengakomodasi kontrol pengelasan yang lebih ketat, PWHT, dan prosedur yang memenuhi syarat.
Catatan akhir: Pemilihan material harus selalu divalidasi dengan analisis stres, creep, dan korosi yang mendetail dan ditinjau terhadap kode yang berlaku (ASME, EN, peraturan lokal). Konsultasikan pemasok material dan insinyur pengelasan lebih awal untuk mendefinisikan perlakuan panas, prosedur pengelasan, dan kriteria inspeksi untuk mencocokkan kondisi layanan dan siklus hidup yang diharapkan.