SA387 Gr11 vs Gr22 – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pendahuluan
SA387 Grade 11 dan Grade 22 adalah dua kelas baja tekanan kromium-molibdenum (Cr-Mo) yang saling terkait dan banyak digunakan untuk layanan suhu tinggi di boiler, bejana tekan, dan peralatan petrokimia. Insinyur, manajer pengadaan, dan produsen sering mempertimbangkan trade-off antara biaya material, kemampuan pengelasan, ketangguhan, dan kekuatan suhu tinggi saat memilih antara kelas-kelas ini. Konteks keputusan yang umum termasuk komponen pipa dan bejana yang terpapar suhu uap tinggi, penukar panas, dan komponen di mana ketahanan creep termal dan kemampuan pengerasan penting.
Perbedaan utama antara kedua kelas adalah jumlah paduan kromium dan molibdenum: Grade 11 adalah varian Cr/Mo yang lebih rendah yang ditujukan untuk suhu tinggi yang moderat, sementara Grade 22 mengandung Cr dan Mo yang lebih tinggi untuk memberikan kekuatan dan ketahanan creep yang lebih besar pada suhu yang lebih tinggi. Karena itu, Gr22 ditentukan di mana kekuatan jangka panjang yang lebih tinggi dan kemampuan pengerasan diperlukan; Gr11 dipilih di mana biaya sedikit lebih rendah dan pengelasan yang lebih mudah menjadi prioritas, sambil tetap memberikan sifat suhu tinggi yang baik.
1. Standar dan Penunjukan
- Standar dan penunjukan utama:
- ASTM/ASME: SA387 (plat) — Grade 11 (sering disingkat Gr11) dan Grade 22 (Gr22). Spesifikasi pipa terkait: ASTM A335/ASME SA335 P11 dan P22 (pipa).
- EN: Paduan yang sebanding ada dalam standar EN untuk baja paduan untuk peralatan tekanan (pemilihan memerlukan referensi silang karena pemetaan langsung satu-ke-satu tidak tepat).
- JIS / GB: Standar Jepang dan Cina memiliki keluarga 1.25Cr–0.5Mo dan 2.25Cr–1Mo yang serupa, tetapi periksa penunjukan nasional untuk kesetaraan.
- Klasifikasi: Baik SA387 Gr11 maupun Gr22 adalah baja paduan (baja ferritik Cr-Mo) yang digunakan untuk layanan suhu tinggi; mereka bukan baja tahan karat, baja karbon, maupun HSLA dalam pengertian modern.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Tabel berikut mencantumkan rentang komposisi tipikal yang biasanya terkait dengan SA387 Gr11 dan Gr22. Ini adalah rentang representatif dari praktik industri dan referensi silang standar; selalu verifikasi dengan sertifikat uji pabrik untuk nilai yang tepat.
| Elemen | Rentang tipikal — Gr11 (aproksimasi) | Rentang tipikal — Gr22 (aproksimasi) |
|---|---|---|
| C | 0.08 – 0.15 wt% | 0.08 – 0.15 wt% |
| Mn | 0.30 – 0.70 wt% | 0.30 – 0.70 wt% |
| Si | 0.10 – 0.50 wt% | 0.10 – 0.50 wt% |
| P (maks) | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| S (maks) | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| Cr | ~1.0 – 1.4 wt% (nominal ~1.25%) | ~2.0 – 2.5 wt% (nominal ~2.25%) |
| Mo | ~0.40 – 0.65 wt% (nominal ~0.50%) | ~0.85 – 1.15 wt% (nominal ~1.00%) |
| V, Nb, Ti, B | Biasanya hadir hanya sebagai paduan mikro residu/jejak (≤0.05 wt% masing-masing) | Biasanya hadir hanya sebagai paduan mikro residu/jejak (≤0.05 wt% masing-masing) |
| N | Jejak | Jejak |
Bagaimana strategi paduan mempengaruhi perilaku: - Kromium meningkatkan kemampuan pengerasan, kekuatan pada suhu, dan ketahanan oksidasi; Cr yang lebih tinggi di Gr22 memberikan kekuatan suhu tinggi dan ketahanan creep yang lebih besar dibandingkan Gr11. - Molibdenum berkontribusi pada kekuatan creep dan kemampuan pengerasan; Mo yang lebih tinggi di Gr22 memperkuat efek tersebut. - Karbon, mangan, dan silikon menetapkan kekuatan dasar dan kemampuan pengerasan; karbon meningkatkan kekuatan tetapi dapat mengurangi kemampuan pengelasan dan ketangguhan jika berlebihan. - Paduan mikro minor (V, Nb, Ti) memperhalus ukuran butir dan dapat meningkatkan kekuatan creep ketika hadir secara sengaja, tetapi plat SA387 yang tipikal umumnya bergantung pada keseimbangan Cr-Mo daripada paduan mikro yang berat.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal: - Dalam kondisi dinormalisasi dan dikeraskan (atau dikuenching dan dikeraskan) kedua kelas adalah matriks ferritik dengan martensit yang dikeraskan atau konstituen bainitik tergantung pada laju pendinginan dan kandungan paduan. Gr11, dengan kemampuan pengerasan yang lebih rendah, cenderung membentuk martensit/bainit yang dikeraskan lebih halus dengan perlakuan panas yang tepat; Gr22, yang lebih banyak dipaduan, mencapai kemampuan pengerasan yang lebih tinggi dan mempertahankan mikrostruktur yang lebih dapat dikeraskan setelah pendinginan yang serupa.
Rute perlakuan panas dan efek: - Normalisasi: Memperhalus ukuran butir dan menghomogenisasi mikrostruktur; kedua kelas mendapatkan manfaat dari normalisasi untuk meningkatkan ketangguhan sebelum dikeraskan. - Quenching & tempering (Q&T): Untuk plat SA387 yang ditujukan untuk kekuatan tinggi, rute Q&T meningkatkan kekuatan luluh dan tarik; tempering mengurangi tegangan sisa dan meningkatkan ketangguhan. Gr22 mencapai kekuatan yang dikeraskan lebih tinggi pada suhu tempering yang sebanding karena kandungan Cr-Mo yang lebih tinggi. - Pemrosesan termo-mekanis: Penggulungan terkontrol dan pendinginan yang dipercepat dapat lebih memperhalus ukuran butir dan meningkatkan ketangguhan; efeknya secara konseptual serupa untuk kedua kelas tetapi kemampuan pengerasan Gr22 yang lebih tinggi membuat kontrol mikrostruktur lebih sensitif terhadap laju pendinginan.
Catatan praktis: - Pemilihan suhu tempering sangat penting untuk menyeimbangkan kekuatan suhu tinggi dan ketangguhan. Over-tempering mengurangi kekuatan; under-tempering dapat meninggalkan martensit yang rapuh. Gr22 sering memerlukan tempering yang hati-hati untuk memenuhi target creep dan ketangguhan.
4. Sifat Mekanis
Kinerja mekanis tergantung pada perlakuan panas, ketebalan, dan suhu pengujian. Tabel berikut memberikan perbandingan kualitatif dan perilaku arah tipikal daripada nilai yang dijamin secara tepat; spesifikasi proyek dan sertifikat pabrik mengatur nilai kontraktual.
| Sifat | SA387 Gr11 (arah) | SA387 Gr22 (arah) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Sedang; memadai untuk suhu tinggi yang moderat | Lebih tinggi; kekuatan tarik yang lebih baik karena Cr-Mo yang lebih tinggi |
| Kekuatan luluh | Sedang | Lebih tinggi |
| Peregangan (duktilitas) | Biasanya sedikit lebih tinggi (lebih duktil) | Sedikit lebih rendah dari Gr11 pada suhu temper yang setara |
| Ketangguhan impak (RT dan suhu rendah) | Baik ketika dinormalisasi/dikeraskan; ketangguhan lebih mudah dicapai karena kemampuan pengerasan yang lebih rendah | Baik ketika diperlakukan panas dengan benar, tetapi lebih sensitif terhadap input panas dan laju pendinginan |
| Kekerasan (HRC/Brinell) | Sedang | Potensi kekerasan yang lebih tinggi setelah pengerasan/tempering |
Mengapa perbedaan ini terjadi: - Cr dan Mo yang lebih tinggi di Gr22 meningkatkan kemampuan pengerasan dan respons pengerasan-temper, menghasilkan kekuatan dan kekerasan yang lebih tinggi. Namun, peningkatan kemampuan pengerasan cenderung mengurangi duktilitas dan dapat membuat pencapaian ketangguhan yang seragam lebih menuntut, terutama pada bagian tebal atau dengan perlakuan panas yang tidak tepat.
5. Kemampuan Pengelasan
Pertimbangan kemampuan pengelasan mencakup kandungan karbon, kemampuan pengerasan, dan keberadaan elemen paduan yang mendorong pembentukan martensit di zona yang terpengaruh panas (HAZ).
Konsep kunci dan rumus prediktif: - Gunakan rumus setara karbon untuk memperkirakan kebutuhan pemanasan awal dan perlakuan panas pasca pengelasan (PWHT). Rumus setara karbon yang umum digunakan adalah: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parameter yang lebih konservatif untuk baja struktural adalah parameter kemampuan pengelasan $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretasi kualitatif untuk SA387: - Gr22 memiliki Cr dan Mo yang lebih tinggi, meningkatkan $CE_{IIW}$ dan $P_{cm}$ relatif terhadap Gr11. Ini berarti Gr22 lebih rentan terhadap pengerasan HAZ dan potensi retak dingin jika dilas tanpa tindakan pencegahan yang tepat. - Implikasi praktis: - Pemanasan awal sering diperlukan untuk kedua kelas pada bagian yang lebih tebal atau suhu lingkungan yang rendah, tetapi Gr22 biasanya memerlukan pemanasan awal yang lebih tinggi dan kontrol yang lebih ketat. - PWHT (tempering untuk mengurangi stres) biasanya diwajibkan untuk baja Cr-Mo yang digunakan pada suhu tinggi untuk menemper HAZ dan mengembalikan ketahanan creep; suhu PWHT dan waktu tahan biasanya ditentukan oleh kode (misalnya, ASME) dan persyaratan layanan. - Gunakan bahan pengelasan hidrogen rendah dan prosedur yang memenuhi syarat; kontrol suhu antar proses dan input panas untuk menghindari kekerasan HAZ yang berlebihan.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Baik Gr11 maupun Gr22 adalah baja paduan non-tahan karat dan oleh karena itu memerlukan perlindungan permukaan untuk lingkungan korosi atmosfer, kimia, atau laut.
- Strategi perlindungan yang tipikal:
- Sistem pengecatan/pelapisan (epoksi, poliuretan, intumescent untuk perlindungan kebakaran).
- Galvanisasi celup panas dimungkinkan untuk beberapa bentuk produk tetapi mungkin tidak kompatibel dengan persyaratan layanan suhu tinggi atau PWHT yang diwajibkan oleh kode.
- Perlindungan katodik jika digunakan di lingkungan terkubur atau laut.
- Indeks tahan karat: PREN tidak berlaku untuk baja paduan ferritik Cr-Mo karena PREN berlaku untuk ketahanan korosi baja tahan karat austenitik: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Klarifikasi: Meskipun Gr22 memiliki Cr dan Mo yang lebih tinggi daripada Gr11, tingkat Cr absolut (~2–2.25%) jauh di bawah tingkat kelas tahan karat; ini meningkatkan ketahanan oksidasi dan creep pada suhu tinggi tetapi tidak memberikan ketahanan korosi umum yang signifikan dibandingkan dengan baja tahan karat.
7. Fabrikasi, Kemampuan Mesin, dan Formabilitas
- Kemampuan mesin: Kedua kelas dapat diproses dengan cara yang mirip dengan baja paduan menengah lainnya; Gr22 mungkin sedikit lebih keras dan kurang dapat diproses jika dikirim dalam temper kekuatan yang lebih tinggi. Parameter alat dan pemotongan harus disesuaikan berdasarkan kekerasan.
- Formabilitas/penekukan: Duktilitas memadai untuk pembentukan dalam kondisi dinormalisasi/dikeraskan; Gr11 cenderung lebih toleran karena duktilitas yang sedikit lebih tinggi. Untuk pembentukan dingin, periksa kekerasan dan temper; pembentukan panas mungkin diperlukan untuk bentuk yang kompleks.
- Finishing permukaan: Operasi penggilingan dan penyelesaian cukup sederhana tetapi kehati-hatian diperlukan dengan generasi panas untuk menghindari tempering atau pengerasan permukaan.
- Perlakuan panas setelah fabrikasi: Komponen yang dilas atau dikerjakan dingin secara berat biasanya memerlukan PWHT untuk memenuhi persyaratan mekanis dan creep untuk layanan suhu tinggi.
8. Aplikasi Tipikal
| SA387 Grade 11 (Gr11) | SA387 Grade 22 (Gr22) |
|---|---|
| Header boiler, drum, dan pipa yang beroperasi pada suhu tinggi yang moderat di mana biaya dan kemampuan pengelasan menjadi pertimbangan | Pipa suhu tinggi, seperti tabung pemanas ulang dan pemanas ulang, serta bejana tekan yang memerlukan kekuatan jangka panjang yang lebih tinggi dan ketahanan creep |
| Penukar panas dan bagian tekan di mana suhu uap moderat diharapkan | Komponen di pabrik petrokimia dan pembangkit listrik yang beroperasi pada suhu atau tekanan uap yang lebih tinggi di mana kekuatan creep yang lebih baik diperlukan |
| Flens, fitting, dan plat di mana pengelasan yang lebih mudah dan kandungan paduan yang lebih rendah menguntungkan | Bagian tebal atau komponen dengan stres lebih tinggi di mana kemampuan pengerasan dan sifat mekanis suhu tinggi sangat penting |
Rasional pemilihan: - Pilih Gr11 ketika suhu desain dan kekuatan creep/rupture yang diperlukan berada dalam kemampuan Gr11, ketika kemudahan pengelasan dan kontrol biaya penting, dan ketika kinerja suhu tinggi yang moderat sudah memadai. - Pilih Gr22 ketika kekuatan suhu tinggi jangka panjang, ketahanan terhadap creep, dan stres yang diizinkan lebih tinggi pada suhu membenarkan biaya paduan yang lebih tinggi dan kontrol fabrikasi yang lebih ketat.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: Gr22 umumnya lebih mahal daripada Gr11 karena kandungan Cr dan Mo yang lebih tinggi (Mo adalah elemen paduan yang mahal). Premi harga tergantung pada harga pasar Mo dan Cr serta bentuk (plat, pipa, penempaan).
- Ketersediaan: Kedua kelas umumnya diproduksi oleh pabrik plat dan pipa; Gr22 dapat sedikit kurang tersedia dalam beberapa ukuran produk dan bentuk khusus, tetapi keduanya adalah kategori paduan standar dengan pasokan industri yang luas. Pengadaan harus mengonfirmasi waktu pengiriman dan memeriksa sertifikasi pabrik untuk perlakuan panas dan hasil uji mekanis.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
Tabel ringkasan (kualitatif):
| Kriteria | SA387 Gr11 | SA387 Gr22 |
|---|---|---|
| Kemampuan pengelasan | Lebih baik (CE lebih rendah) | Lebih menuntut (CE lebih tinggi) |
| Seimbang Kekuatan–Ketangguhan | Baik; lebih mudah mencapai ketangguhan | Kekuatan lebih tinggi; ketangguhan dapat dicapai dengan HT yang terkontrol |
| Biaya | Lebih rendah | Lebih tinggi |
Rekomendasi: - Pilih SA387 Gr11 jika Anda memerlukan paduan Cr-Mo yang hemat biaya untuk layanan suhu tinggi yang moderat, lebih memilih pengelasan dan fabrikasi yang lebih mudah, dan suhu desain serta persyaratan creep Anda berada dalam kemampuan Gr11. - Pilih SA387 Gr22 jika aplikasi memerlukan kekuatan tarik dan creep jangka panjang yang lebih tinggi pada suhu tinggi, kemampuan pengerasan yang lebih tinggi untuk bagian tebal, atau jika batasan kode/suhu menentukan kandungan paduan yang lebih tinggi meskipun biaya material dan fabrikasi lebih tinggi.
Nasihat praktis akhir: - Selalu tentukan kondisi perlakuan panas yang tepat, parameter PWHT, dan kriteria penerimaan (uji mekanis, energi impak pada suhu yang diperlukan) dalam dokumen pembelian. - Minta laporan uji pabrik dan pastikan prosedur pengelasan (pemanasan awal, antar proses, bahan habis pakai, PWHT) memenuhi syarat untuk kelas dan ketebalan yang dipilih untuk mencapai kinerja yang diinginkan dalam layanan.