A335 P11 vs P22 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros ASTM A335 P11 y P22 son dos aleaciones de cromo-molibdeno ampliamente utilizadas en componentes sometidos a alta temperatura y presión, como tuberías, colectores y tubos de calderas. Al elegir entre ellas, los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen sopesar las ventajas y desventajas del costo, la resistencia a altas temperaturas, la soldabilidad y la resistencia a la fluencia a largo plazo. Las decisiones se toman generalmente en cuenta al considerar la adecuación de la resistencia y la tenacidad del material a la temperatura de servicio, al especificar los procedimientos de soldadura para la fabricación y al equilibrar el costo del ciclo de vida con el precio de compra inicial.

La principal diferencia técnica entre estos grados radica en su contenido de cromo y molibdeno: el P22 contiene considerablemente más cromo y molibdeno que el P11, lo cual afecta directamente su templabilidad, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la oxidación. Dado que ambos aceros son aleaciones ferríticas de Cr-Mo diseñadas para servicio a altas temperaturas, se comparan frecuentemente durante la selección de materiales para calderas, tuberías de vapor sobrecalentado y recipientes a presión.

1. Normas y designaciones

• ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (Tubería de acero aleado ferrítico sin costura para servicio a alta temperatura)
• Grado P11 (a menudo indicado como 1,25Cr–0,5Mo nominal)
• Grado P22 (a menudo indicado como 2,25Cr–1Mo nominal)
• EN: Grados comparables disponibles en los sistemas de normas EN (por ejemplo, P11 ≈ 13CrMo4-5 o familias similares; aceros de revenido P22 ≈ 2,25Cr–1Mo).
• JIS/GB: Las normas nacionales proporcionan aceros templados Cr-Mo aproximadamente equivalentes utilizados para tuberías y recipientes de alta temperatura.
• Clasificación: Tanto el P11 como el P22 son aceros aleados (aceros ferríticos Cr-Mo), no aceros inoxidables ni aceros para herramientas; se utilizan para componentes que soportan alta presión a altas temperaturas y no son HSLA en el sentido moderno.

2. Composición química y estrategia de aleación

La tabla a continuación enumera los rangos de composición nominal típicos (en % peso) utilizados en la práctica de la industria para A335 P11 y P22. Los valores se muestran como rangos representativos en lugar de mínimos/máximos exactos garantizados de una especificación de compra específica.

Elemento	A335 P11 (típico, % en peso)	A335 P22 (típico, % en peso)
do	0,08 – 0,15	0,08 – 0,15
Minnesota	0,25 – 0,60	0,25 – 0,60
Si	0,10 – 0,50	0,10 – 0,50
PAG	≤ 0,025	≤ 0,025
S	≤ 0,025	≤ 0,025
Cr	~0,90 – 1,30	~2.00 – 2.50
Ni	≤ 0,40 (traza)	≤ 0,40 (traza)
Mes	~0,40 – 0,65	~0,85 – 1,05
V	típicamente rastrean	típicamente rastrean
Nb (Cb)	típicamente rastrean	típicamente rastrean
Ti	típicamente rastrean	típicamente rastrean
B	típicamente rastrean	típicamente rastrean
norte	rastro	rastro

Cómo afecta la aleación al rendimiento: - Cromo: mejora la resistencia a la oxidación/corrosión a altas temperaturas y contribuye a la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas. El mayor contenido de Cr en el P22 aumenta su resistencia a la formación de óxido y mejora la retención de resistencia a temperaturas de servicio. - Molibdeno: fortalece la ferrita a altas temperaturas, mejora la resistencia a la fluencia y aumenta la templabilidad. El mayor contenido de Mo del P22 proporciona una mejor resistencia a la fluencia y a altas temperaturas en comparación con el P11. - Carbono y manganeso: principales contribuyentes a la resistencia y templabilidad; ambos grados mantienen un contenido moderado de carbono para equilibrar la soldabilidad y la resistencia. - Los elementos menores y las microaleaciones (V, Nb, Ti) pueden estar presentes en cantidades traza y pueden refinar la estructura del grano y fortalecer la matriz mediante precipitación bajo un procesamiento específico.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: - En estado de fabricación y normalizado: ambos grados generalmente muestran una microestructura de martensita revenida/ferrita revenida bainítica después de los ciclos de normalización y revenido comúnmente especificados para piezas de presión. - Después del temple y revenido (cuando corresponda para secciones gruesas o forjados): una estructura martensítica revenida con precipitación de carburos (carburos ricos en Cr/Mo) proporciona alta resistencia y resistencia a la fluencia. - Procesamiento termomecánico: el laminado controlado puede refinar el tamaño del grano y mejorar la tenacidad en ambos grados, aunque el contenido de aleación controla la facilidad de refinamiento.

Efectos del tratamiento térmico: - El proceso de normalización seguido de revenido refina el tamaño del grano, transforma las microestructuras laminadas en una matriz uniforme de martensita/bainítica revenida y precipita carburos de Cr-Mo que contribuyen a la resistencia a altas temperaturas. - El mayor contenido de Cr y Mo del P22 favorece una mayor fracción volumétrica de carburos de aleación y un ablandamiento lento a temperaturas elevadas; normalmente requiere regímenes de revenido adaptados para equilibrar la dureza y la tenacidad en secciones más gruesas. - El P11 tiene menor aleación y, por lo tanto, es un poco más fácil obtener la tenacidad adecuada después de los ciclos estándar de normalización/templado, pero tiene menor resistencia a largo plazo a temperaturas muy altas en comparación con el P22.

4. Propiedades mecánicas

A continuación se muestran rangos de propiedades representativos para las condiciones normalizada y templada, comúnmente utilizados en el diseño. Las propiedades garantizadas reales dependen de la forma del producto y del tratamiento térmico específico.

Propiedad (temperatura ambiente salvo que se indique lo contrario)	A335 P11 (típico)	A335 P22 (típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	~415 – 550	~415 – 620
Límite elástico (0,2% de deformación, MPa)	~240 – 360	~260 – 400
Alargamiento (%)	~20 – 25	~18 – 22
Impacto Charpy en V (J, normalizado)	Generalmente se comporta bien a temperatura ambiente; conserva su resistencia con un tratamiento térmico adecuado.	Ductilidad comparable o ligeramente inferior para la misma resistencia debido a una mayor aleación
Dureza (HB o HRC)	Moderado (por ejemplo, rango HB 150–220 dependiendo del tratamiento térmico)	Ligeramente superior para un revenido equivalente debido a la aleación.

Interpretación: - El acero P22 generalmente proporciona mayor resistencia a altas temperaturas y resistencia a la fluencia debido a su mayor contenido de Cr y Mo; esto a menudo se traduce en la capacidad de operar de manera segura a temperaturas más altas o con un espesor de pared reducido para una vida útil de diseño determinada. - El P11 tiende a ser más dúctil y ligeramente más fácil de tratar térmicamente para aumentar su tenacidad en ciertos espesores, pero proporciona una menor resistencia a largo plazo a temperaturas elevadas.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende del equivalente de carbono, la templabilidad y la microaleación. Dos medidas empíricas ampliamente utilizadas son el equivalente de carbono IIW y el Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - El P22 tiene mayor contenido de Cr y Mo, lo que aumenta $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ en relación con el P11, lo que implica una mayor susceptibilidad al endurecimiento en la zona afectada por el calor y una mayor necesidad de precalentamiento y temperaturas entre pasadas controladas. Ambos grados se sueldan comúnmente en la industria; las prácticas recomendadas incluyen electrodos de bajo hidrógeno, precalentamiento específico (y a veces tratamiento térmico posterior a la soldadura — PWHT) y calificación del procedimiento de soldadura. El P22 suele requerir regímenes de precalentamiento/PWHT más conservadores para secciones más gruesas debido a su mayor templabilidad. El control del hidrógeno, la temperatura entre pasadas y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es crucial para evitar el agrietamiento asistido por hidrógeno y para templar la dureza de la zona afectada por el calor (ZAC).

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el P11 ni el P22 son inoxidables; ambos se corroen al exponerse a ambientes acuosos o agresivos. La selección se basa en el comportamiento mecánico y la resistencia a la oxidación a altas temperaturas, más que en la resistencia general a la corrosión.
• Para la protección externa o atmosférica: se pueden aplicar galvanizado, sistemas de pintura/recubrimiento o recubrimientos de pulverización térmica según el servicio.
• Para la protección interna en corrientes de procesos corrosivos: el revestimiento (por ejemplo, recubrimiento de soldadura con aleaciones resistentes a la corrosión), los forrados o el diseño de tolerancias a la corrosión son estrategias típicas.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) se utiliza para aleaciones inoxidables y no es aplicable a los aceros ferríticos Cr-Mo. Para las aleaciones inoxidables, se utilizaría:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

Pero este índice es irrelevante para A335 P11 y P22 porque su contenido de Cr está por debajo de los umbrales del acero inoxidable y carecen del alto contenido de N y Ni típico de los grados de acero inoxidable.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: Ambos grados se mecanizan moderadamente bien en estado normalizado/templado. El P22 puede ser ligeramente más exigente para las herramientas de corte debido a su mayor aleación y a los carburos endurecidos por precipitación resultantes. Los elementos formadores de carburos (Cr, Mo) aumentan la abrasión de las herramientas.
• Conformabilidad: Ambos aceros son menos conformables que los aceros al carbono en frío; el conformado se realiza generalmente en estado normalizado o recocido, prestando atención a los radios de curvatura. Para tuberías, el conformado es un proceso habitual, pero se deben considerar la recuperación elástica y el riesgo de fisuración en zonas con un alto grado de deformación en frío.
• Acabado superficial: El rectificado, el torneado y la soldadura son acabados estándar; se recomienda prestar atención a las tensiones residuales y evitar el sobrecalentamiento durante el mecanizado en P22 para prevenir aumentos locales de dureza.

8. Aplicaciones típicas

A335 P11 – Usos típicos	A335 P22 – Usos típicos
Tuberías, colectores y accesorios de vapor para temperaturas bajas a moderadas, donde la sensibilidad al costo es un factor y las temperaturas son moderadas.	Tuberías de vapor de alta temperatura, tubos de sobrecalentadores/recalentadores y recipientes a presión donde se requiere mayor resistencia a la fluencia y a la oxidación
Calderas e intercambiadores de calor en zonas de alta temperatura menos severas	Líneas principales de vapor de la central eléctrica, tuberías de recalentamiento en caliente y componentes para servicio a temperaturas de diseño más elevadas.
Tuberías para plantas petroleras y químicas para temperaturas moderadas	Calentadores de procesos petroquímicos de alta resistencia y componentes de retención de presión a alta temperatura

Justificación de la selección: - Elija P11 para aplicaciones en las que se priorice una temperatura máxima de servicio nominalmente más baja, un menor costo del material y una fabricación más sencilla. - Elija P22 cuando la aplicación requiera mayor resistencia a la fluencia, mejor retención de las propiedades mecánicas a temperaturas elevadas o mayor resistencia a la formación de incrustaciones/oxidación.

9. Costo y disponibilidad

• Disponibilidad: Ambos grados se almacenan comúnmente como tuberías sin costura y soldadas, accesorios y algunas piezas forjadas; P11 y P22 son grados estándar en muchas cadenas de suministro para plantas de generación de energía y de procesos.
• Costo: El acero P22 suele ser más caro que el P11 debido a su mayor contenido de cromo y molibdeno. El costo adicional puede justificarse por una mayor vida útil, la posibilidad de diseñar paredes más delgadas o un menor mantenimiento.
• Formato del producto: Ambos están disponibles en forma de tuberías, tubos y placas para recipientes a presión; los plazos de entrega suelen ser cortos para tamaños estándar, pero pueden aumentar para piezas forjadas de gran tamaño o tratamientos térmicos especiales.

10. Resumen y recomendación

Aspecto	A335 P11	A335 P22
soldabilidad	Mejor (menor contenido de aleación → menor CE)	Un poco más exigente (mayor contenido de Cr/Mo → mayor CE; necesita más precalentamiento/PWHT)
Resistencia-tenacidad a temperatura ambiente	Resistencia moderada, buena ductilidad	Mayor resistencia a temperatura ambiente, ductilidad comparable o ligeramente inferior a resistencia equivalente.
Resistencia a altas temperaturas / a la fluencia	Adecuado para temperaturas moderadamente elevadas.	Superior para temperaturas más altas y mayor resistencia a la fluencia
Costo	Más bajo	Más alto

Recomendaciones: - Elija P11 si necesita una aleación de Cr-Mo rentable para un servicio a temperaturas moderadas elevadas donde no se requiere un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) extenso ni una resistencia agresiva a la fluencia a altas temperaturas, y donde una ductilidad en frío ligeramente mejor y unos procedimientos de soldadura más sencillos son ventajosos. - Elija P22 si el diseño requiere mayor resistencia a largo plazo y resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas, mayor resistencia a la oxidación o la posibilidad de paredes más delgadas para una vida útil de diseño determinada, y puede asumir los requisitos más estrictos de soldadura y tratamiento térmico posterior a la soldadura y un costo de material ligeramente mayor.

Nota final: Para componentes críticos que soportan presión, siempre verifique las especificaciones del material, el tratamiento térmico requerido y el procedimiento de soldadura con el metalúrgico del proyecto o la autoridad competente en materia de códigos (ASME) para garantizar la compatibilidad con la temperatura de diseño, las tensiones admisibles y las restricciones de fabricación.