P11 frente a P22: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros P11 y P22 son dos aleaciones de acero al cromo-molibdeno de uso común en componentes sometidos a presión, especialmente tuberías, colectores y tubos de calderas en centrales eléctricas y plantas petroquímicas. Al elegir entre ellos, los ingenieros y los equipos de compras suelen sopesar las ventajas y desventajas de una mayor resistencia y capacidad para altas temperaturas frente al coste, la soldabilidad y la tenacidad.
La principal característica distintiva es el mayor contenido de cromo y molibdeno en P22 en comparación con P11, lo que se traduce en un mejor rendimiento, mayor resistencia a la fluencia y mayor templabilidad, a costa de una soldabilidad ligeramente menor y un mayor coste del material. Debido a que se encuentran en puntos adyacentes del espectro de aleaciones Cr-Mo, estas calidades se comparan habitualmente al diseñar sistemas de presión de temperatura media (hasta varios cientos de °C).
1. Normas y designaciones
- Normas comunes:
- ASTM/ASME: SA/SAE A335 P11, P22 (tubería de acero aleado ferrítico sin costura), A/SA 335 especificado para servicio a alta temperatura.
- EN: Familias de grados Cr–Mo equivalentes en las normas EN (por ejemplo, las series EN 10216/10222 tienen familias de productos Cr–Mo similares).
- JIS/GB: Las normas japonesas y chinas incluyen aceros Cr-Mo comparables con una composición química y propiedades análogas.
- Clasificación:
- Tanto el P11 como el P22 son aceros aleados (grados ferríticos de cromo-molibdeno), no aceros inoxidables ni aceros para herramientas. No se clasifican como HSLA en sentido estricto, sino que son aceros de baja aleación para recipientes a presión, diseñados para ofrecer resistencia a altas temperaturas y a la fluencia.
2. Composición química y estrategia de aleación
Tabla: rangos típicos de composición nominal (en % peso, representativos de las especificaciones comunes y la práctica comercial)
| Elemento | P11 (típico) | P22 (típico) |
|---|---|---|
| do | 0,05–0,15 | 0,05–0,15 |
| Minnesota | 0,25–0,60 | 0,25–0,60 |
| Si | 0,10–0,50 | 0,10–0,50 |
| PAG | ≤0,03 | ≤0,03 |
| S | ≤0,03 | ≤0,03 |
| Cr | ~0,9–1,4 (≈1,0–1,25) | ~2,0–2,6 (≈2,25) |
| Mes | ~0,4–0,6 (≈0,5) | ~0,8–1,15 (≈1,0) |
| Ni | ≤0.40 | ≤0.40 |
| V, Nb, Ti, B, N | Trazas/ninguna (depende del fabricante) | Trazas/ninguna (depende del fabricante) |
Notas: Los valores mostrados son rangos nominales típicos de las especificaciones de recipientes a presión/tuberías, no límites de control de precisión para todas las formas de producto. Para proyectos críticos del contrato, se deben consultar las certificaciones y normas específicas de la fábrica. La estrategia clave de aleación es que el P22 tiene un contenido adicional sustancial de Cr y Mo en comparación con el P11. Esto aumenta la templabilidad, la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la oxidación/corrosión en algunos entornos, mientras que el P11 proporciona una química más simple con una soldabilidad algo mejor y un menor costo del material.
Cómo afecta la aleación al rendimiento: - El cromo aumenta la resistencia a la oxidación, la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas; también promueve la formación de carburos que estabilizan la resistencia a temperaturas elevadas. - El molibdeno fortalece la matriz de ferrita, mejora la resistencia a la fluencia y aumenta la templabilidad, mejorando la retención de resistencia a temperaturas elevadas. - El carbono, el manganeso y el silicio establecen la resistencia y la templabilidad básicas; un mayor contenido de carbono aumenta la resistencia, pero puede reducir la soldabilidad y la tenacidad si no se controla.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructuras típicas: En estado normalizado y revenido, ambas calidades presentan microestructuras de martensita revenida o bainítica revenida, dependiendo de la velocidad de enfriamiento y el contenido de aleación. La aleación P22, con mayor contenido de Cr y Mo, favorece en mayor medida la formación de martensita/bainita y una mayor templabilidad para el mismo ciclo térmico que la aleación P11. - Las microestructuras laminadas en caliente para ambos son perlita/ferrita templada con carburos de aleación (carburos de Cr-Mo) dispersos.
Respuestas al tratamiento térmico: La normalización (enfriamiento al aire desde una temperatura superior a A3) refina el tamaño de grano y produce una microestructura uniforme. El acero P22 suele requerir temperaturas de revenido más elevadas para alcanzar una tenacidad comparable debido a su mayor templabilidad. - Temple y revenido: Ambos grados pueden templarse y revenirse; el P22 alcanzará niveles de resistencia más altos después del mismo temple debido al contenido de Cr-Mo, pero los programas de revenido deben ajustarse para restaurar la tenacidad y reducir la dureza residual. - Procesamiento termomecánico: El laminado controlado seguido de revenido mejora la tenacidad y la resistencia a la fluencia; las adiciones de microaleaciones (Nb, V, Ti), si están presentes, refinan aún más el tamaño del grano y el anclaje de dislocaciones.
Consideraciones prácticas: - La mayor templabilidad del P22 significa que secciones más gruesas y disipadores de calor más gruesos pueden formar microestructuras más duras (riesgo de agrietamiento en frío en la ZAT de soldadura sin precalentamiento). - El templado es fundamental para equilibrar la resistencia y la tenacidad en ambos grados, especialmente para temperaturas de funcionamiento donde la fluencia es un factor importante.
4. Propiedades mecánicas
Tabla: comparación cualitativa (condiciones típicas del producto normalizado y templado)
| Propiedad | P11 | P22 |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | Moderado | Más alto |
| límite elástico | Moderado | Más alto |
| Alargamiento (ductilidad) | Generalmente más alto | Ligeramente más bajo |
| Resistencia al impacto (a temperatura ambiente) | Bueno cuando está bien templado | Es bueno, pero puede ser más sensible al tratamiento térmico. |
| Dureza (tal como se entrega) | Más bajo | Más alto |
Explicación: El acero P22 tiende a alcanzar mayor resistencia a la tracción y límite elástico principalmente debido a su elevado contenido de Cr y Mo, que aumenta su resistencia y templabilidad. El acero P11 es generalmente más dúctil y permite obtener zonas afectadas térmicamente (ZAT) ligeramente más resistentes después de la soldadura. - La tenacidad al impacto de ambos puede ser excelente cuando están normalizados y templados correctamente; sin embargo, la mayor templabilidad del P22 significa que un control térmico inadecuado puede reducir la tenacidad en secciones gruesas o juntas mal soldadas. - El equilibrio entre resistencia y tenacidad se puede ajustar mediante el templado; el diseño debe especificar la energía de impacto y el tratamiento térmico necesarios para garantizar el cumplimiento.
5. Soldabilidad
Factores que influyen en la soldabilidad: El equivalente de carbono y la templabilidad son los principales indicadores de susceptibilidad al endurecimiento por calor y al agrietamiento en frío. Ambos grados requieren precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para aplicaciones a presión, pero el P22 suele requerir controles más conservadores. - El uso de fórmulas de equivalencia de carbono proporciona una evaluación cualitativa de la soldabilidad.
Índices comunes (solo para interpretación): - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parámetro del Instituto Internacional de Soldadura: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación cualitativa: - Debido a que P22 tiene mayor contenido de Cr y Mo, los valores de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ serán mayores para P22 que para P11 con una composición química similar, lo que indica una mayor templabilidad y un mayor riesgo de endurecimiento de la ZAT y agrietamiento en frío. - Consecuencias prácticas: el aumento del precalentamiento, las temperaturas entre pasadas controladas, los consumibles de bajo hidrógeno y el PWHT a temperaturas específicas son más importantes para el P22, especialmente en secciones más gruesas.
6. Corrosión y protección de superficies
- Ni el P11 ni el P22 son inoxidables; su resistencia a la corrosión en ambientes húmedos o químicamente agresivos es limitada. Su capacidad para formar óxido de cromo mejora con el contenido de cromo, por lo que el P22 ofrece una resistencia a la oxidación ligeramente superior a temperaturas elevadas y puede formar una capa de óxido más protectora en atmósferas oxidantes a alta temperatura.
- Para la corrosión atmosférica o acuosa general, se requiere protección superficial: lo habitual es la pintura, los recubrimientos epoxi o la galvanización (cuando sea compatible). Para servicio enterrado o submarino, son comunes los recubrimientos epoxi y la protección catódica.
- PREN no es aplicable a estos aceros no inoxidables; a modo de contexto, PREN es: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- El uso de PREN solo tiene sentido para grados de acero inoxidable que contienen cantidades significativas de níquel y nitrógeno; para P11/P22, el contenido de cromo y molibdeno es bajo en comparación con los aceros inoxidables, por lo que la planificación de la resistencia a la corrosión debe basarse en recubrimientos, inhibidores y selección de materiales.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad: Ambos son mecanizables en estado normalizado/templado; la mayor resistencia y dureza del P22 pueden reducir la vida útil de la herramienta y requerir parámetros de mecanizado más exigentes en comparación con el P11.
- Conformabilidad/doblado: El conformado en frío es más sencillo con P11 debido a su menor límite elástico y mayor ductilidad. El P22 es menos tolerante a las curvas cerradas y puede requerir radios de curvatura mayores o parámetros de conformado/doblado controlados a temperatura elevada.
- Acabado superficial: Ambos responden bien a las operaciones de acabado estándar; el esmerilado y el pulido son sencillos cuando se templan a una dureza moderada.
- Práctica de soldadura: Para sistemas de presión, ambos requieren metales de aporte calificados compatibles con el revenido y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para evitar la fragilización; el P22 a menudo necesita opciones de aporte más resistentes y controles de proceso más estrictos.
8. Aplicaciones típicas
| P11 (usos típicos) | P22 (usos típicos) |
|---|---|
| Tubos, colectores y tuberías para calderas de baja a media temperatura donde se priorizan el coste y la soldabilidad. | Tuberías de servicio a alta temperatura, líneas de vapor, colectores de sobrecalentadores/recalentadores y tuberías donde se requiere resistencia a altas temperaturas |
| Componentes estructurales en centrales eléctricas donde una resistencia a la fluencia moderada es adecuada | Componentes expuestos a temperaturas y presiones de vapor más elevadas, donde la resistencia a la fluencia y a la oxidación es importante. |
| Intercambiadores de calor y recipientes a presión en servicios petroquímicos con temperatura/presión moderada. | Componentes críticos de recipientes a presión y tuberías en refinerías y centrales eléctricas que requieren mayor resistencia y mejor resistencia a la oxidación a altas temperaturas. |
Justificación de la selección: - Elija P11 cuando se necesite un equilibrio entre costo, facilidad de fabricación y un rendimiento aceptable a temperaturas elevadas para condiciones de servicio moderadas. - Elija P22 cuando el servicio implique temperaturas más altas, tensiones de diseño más altas o cuando una mayor resistencia a la fluencia y un mejor rendimiento ante la oxidación justifiquen el mayor coste del material y de la fabricación.
9. Costo y disponibilidad
- Costo: El P22 suele ser más caro que el P11 debido a su mayor contenido de cromo y molibdeno y a sus requisitos más estrictos de procesamiento y tratamiento térmico. El molibdeno es un elemento de aleación relativamente costoso.
- Disponibilidad: Ambos grados son comunes en la gama de tuberías sin soldadura y soldables; P11 y P22 se encuentran ampliamente disponibles para los mercados de energía y petroquímica. La disponibilidad por formato (tubería, placa, forjados) depende del inventario de la fábrica y del suministro regional. Los plazos de entrega para P22 pueden ser más largos en épocas de escasez de molibdeno.
10. Resumen y recomendación
Tabla: resumen comparativo (cualitativo)
| Atributo | P11 | P22 |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Mejor (menor templabilidad) | Más exigente (mayor capacidad de endurecimiento) |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Resistencia moderada, buena ductilidad | Mayor resistencia, puede ser menos dúctil si no se templa correctamente. |
| Costo | Más bajo | Más alto |
Recomendaciones: - Elija P11 si: - Necesitas una aleación de Cr-Mo rentable para sistemas de presión a temperatura moderada. - La facilidad de soldadura, fabricación y ductilidad son prioritarias. - Las temperaturas y tensiones de servicio están dentro de la capacidad del P11 y la fluencia no es el criterio de diseño determinante. - Elija P22 si: - La aplicación requiere mayor resistencia a altas temperaturas, mayor resistencia a la fluencia o mejor resistencia a la oxidación a temperaturas más elevadas de vapor/gas. - Se pueden implementar controles de soldadura más estrictos, precalentamiento/tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) y aceptar un mayor costo de material para obtener un mejor rendimiento a largo plazo.
Nota final: Especifique el tratamiento térmico, la energía de impacto, el precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) requeridos en los documentos de adquisición; consulte los certificados de ensayo de fábrica para conocer la composición química y mecánica reales de cada lote. Para diseños críticos de recipientes a presión o de alta temperatura, valide la elección con datos de fluencia, propiedades a largo plazo y el cumplimiento de la normativa pertinente.