P11 frente a P22: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros P11 y P22 son dos aleaciones de cromo-molibdeno de uso común, especificadas para componentes sometidos a presión y servicio a alta temperatura, como tubos de calderas, colectores y tuberías. Al elegir entre ellos, los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen sopesar las ventajas y desventajas de la resistencia a la compresión, la soldabilidad, la tenacidad y el coste. Las decisiones típicas incluyen la selección del grado adecuado para servicio a alta temperatura (fluencia frente a coste), la especificación de las prácticas de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (soldabilidad y riesgo de fisuración por hidrógeno) y la optimización del coste del ciclo de vida para los intervalos de sustitución.

La principal característica de diseño que distingue a estas dos calidades es su estrategia de aleación: la P22 contiene un mayor contenido de cromo y molibdeno que la P11. Esta diferencia en la composición proporciona a la P22 una mayor resistencia a altas temperaturas y a la fluencia, además de mejorar la templabilidad y facilitar las consideraciones de soldadura/precalentamiento en comparación con la P11. Dado que ambas se utilizan en aplicaciones similares de tuberías y recipientes a presión, la comparación es frecuente durante la selección de materiales para centrales eléctricas, refinerías y equipos petroquímicos.

1. Normas y designaciones

• Normas y designaciones comunes:
• ASME/ASTM: ASME SA335 / ASTM A335 (tubería de acero aleado ferrítico sin costura): P11, P22.
• EN: A veces se dan designaciones equivalentes como familias 1.0–1.25Cr–0.5Mo y 2.25Cr–1Mo; los números EN específicos varían según el producto y el tratamiento térmico.
• JIS / GB: Las normas regionales pueden enumerar grados correspondientes (consulte las tablas de normas específicas para obtener una referencia cruzada exacta).
• Clase de material:
• Tanto el P11 como el P22 son aceros aleados (aceros ferríticos al cromo-molibdeno) diseñados para servicio a altas temperaturas. No son aceros inoxidables, aceros para herramientas ni aceros HSLA en el sentido habitual.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla resume los niveles relativos de elementos comunes en lugar de porcentajes absolutos; esto evita presentar valores numéricos específicos que dependen de la especificación exacta y del proveedor.

Elemento	P11 (nivel relativo)	P22 (nivel relativo)
do	Bajo-Moderado	Bajo-Moderado
Minnesota	Bajo-Moderado	Bajo-Moderado
Si	Bajo-Moderado	Bajo-Moderado
PAG	Rastreo / Controlado	Rastreo / Controlado
S	Rastreo / Controlado	Rastreo / Controlado
Cr	Moderado (inferior)	Más alto (notablemente más alto)
Ni	Traza / Bajo	Traza / Bajo
Mes	Moderado (inferior)	Más alto (notablemente más alto)
V	Trazas / Posible microaleación	Trazas / Posible microaleación
Nb (Nb/Ta)	Normalmente no se añade	Normalmente no se añade
Ti	Rastreo / Controlado	Rastreo / Controlado
B	No se suele especificar	No se suele especificar
norte	niveles bajos controlados	niveles bajos controlados

Explicación: La aleación P11 contiene cantidades moderadas de cromo y molibdeno para proporcionar resistencia mecánica y a la fluencia a altas temperaturas, manteniendo una soldabilidad relativamente buena. Su aleación es conservadora. - El P22 aumenta los niveles de cromo y molibdeno para elevar la resistencia a altas temperaturas, la resistencia a la oxidación y la resistencia a la fluencia; estos aumentos también incrementan la templabilidad y pueden hacer que la soldadura y el tratamiento térmico sean más exigentes. Otros elementos como el Mn y el Si están presentes en niveles similares y controlados en ambos grados e influyen principalmente en la desoxidación, la resistencia y la tenacidad. - Los niveles de impurezas muy bajos y estrictamente controlados (P, S, N) son importantes para la tenacidad y el rendimiento a altas temperaturas en ambos grados.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El cromo y el molibdeno aumentan la templabilidad, la resistencia a altas temperaturas y el comportamiento ante la fluencia; el cromo también contribuye a la resistencia a la oxidación. - El carbono aumenta la resistencia, pero reduce la soldabilidad y la tenacidad si es excesivo. - Los elementos de microaleación (V, Nb, Ti) pueden refinar el tamaño del grano y mejorar la resistencia a la fluencia mediante el fortalecimiento por precipitación cuando están presentes intencionalmente.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas y comportamiento ante el tratamiento térmico: Microestructura base tras la normalización y el revenido: Ambos grados desarrollan una microestructura martensítica revenida o ferrítica bainítica revenida, dependiendo de la velocidad de enfriamiento y el nivel de aleación. Una normalización adecuada refina el tamaño de grano de la austenita previa; el revenido reduce la dureza a la vez que restaura la tenacidad. - P11: Debido a su menor contenido de aleación, el acero P11 suele formar martensita o bainita revenida con una respuesta al revenido relativamente sencilla. Admite los ciclos estándar de normalizado y revenido empleados para los aceros Cr-Mo de baja aleación y es tolerante a las variaciones en el tratamiento térmico. - P22: Un mayor contenido de Cr y Mo aumenta la templabilidad y ralentiza las transformaciones bainítica/martensítica; con un enfriamiento rápido, la microestructura obtenida tras el temple puede ser más dura y presentar mayor tendencia martensítica. El revenido es esencial para recuperar la tenacidad y ajustar las propiedades de fluencia; el P22 puede requerir un tratamiento térmico más controlado para evitar un sobrerevenido o gradientes de dureza residuales. - Procesamiento termomecánico: Ninguno de los dos grados se procesa normalmente con TMCP agresivo para los niveles de placas de alta resistencia utilizados en aceros estructurales; para componentes, el trabajo en caliente controlado seguido de normalización y revenido es la ruta estándar para producir una microestructura revenida confiable. - Consideraciones sobre la fluencia: la aleación del P22 favorece una mayor resistencia a la rotura por fluencia a temperaturas elevadas; la estabilidad de los carburos (carburos ricos en Cr y Mo) y su distribución después del revenido son clave para el rendimiento a largo plazo.

4. Propiedades mecánicas

La siguiente tabla proporciona descriptores comparativos cualitativos; los valores reales dependen de las especificaciones y del tratamiento térmico.

Propiedad	P11 (típico)	P22 (típico)
Resistencia a la tracción	Moderado	Más alto
límite elástico	Moderado	Más alto
Alargamiento (ductilidad)	Bien	Bueno a ligeramente reducido
Tenacidad al impacto	Bien (especialmente después de los momentos de mayor tensión)	Funciona bien con el templado adecuado; puede ser más sensible al tratamiento térmico.
Dureza (tras el tratamiento térmico)	Moderado	Mayor (puede ser mayor antes del templado)

Interpretación: - El P22 generalmente alcanza mayores resistencias a la tracción y a la fluencia, así como una resistencia superior a la fluencia a temperaturas elevadas debido al mayor contenido de Cr-Mo y a las fases de carburo más estables. - El P11 suele ofrecer una mayor facilidad para lograr tenacidad, con una templabilidad algo menor y, por lo tanto, menos complicaciones de soldadura/tratamiento térmico en muchos entornos de taller. Ambos grados pueden producirse para cumplir con objetivos específicos de impacto y resistencia mediante una normalización y un revenido adecuados; las propiedades finales dependen del tratamiento térmico.

5. Soldabilidad

La soldabilidad se ve influenciada por el equivalente de carbono y la templabilidad. Dos descriptores empíricos comúnmente utilizados son el equivalente de carbono IIW y el más completo 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, con su mayor contenido de cromo y molibdeno, produce una mayor contribución a los términos de templabilidad en $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$; por lo tanto, las zonas soldadas son más propensas a formar martensita dura y requieren un control más cuidadoso (precalentamiento, temperatura entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura — PWHT). - El P11 generalmente tiene una menor contribución calculada de equivalente de carbono proveniente de Cr y Mo, lo que facilita su soldadura con procedimientos estándar; a menudo es posible una menor severidad de precalentamiento/PWHT. - Ambos materiales suelen requerir tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) en aplicaciones de recipientes a presión y tuberías para reducir las tensiones residuales y templar cualquier microestructura dura formada en la zona afectada por el calor (ZAC). - Fisuración en frío inducida por hidrógeno: debido a que el P22 es más endurecible, es más susceptible a la fisuración de la ZAT si no se controlan el hidrógeno y la restricción; se requieren procedimientos rigurosos para el precalentamiento, la selección de consumibles y el control del hidrógeno. - Consumibles: se seleccionan metales de aporte con el contenido de aleación adecuado, ya sea que coincidan o superen dicho contenido, para cumplir con los requisitos de resistencia y alta temperatura; la selección del aporte debe considerar la compatibilidad con el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) y el comportamiento ante la fluencia.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el P11 ni el P22 son aleaciones inoxidables; dependen de recubrimientos, pintura, galvanizado (cuando corresponda para exposición a temperaturas más bajas) o revestimiento para ambientes corrosivos.
• El mayor contenido de cromo en P22 ofrece una resistencia a la oxidación algo mejorada a temperaturas elevadas en comparación con P11, pero esto no es equivalente a la resistencia a la corrosión del acero inoxidable.
• Para la corrosión acuosa o corrientes de proceso altamente corrosivas, se requiere un revestimiento con grados de acero inoxidable o tolerancias a la corrosión.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) se utiliza para aleaciones inoxidables y no es aplicable a estos aceros Cr-Mo de baja aleación, pero para mayor claridad, la fórmula del PREN es:

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

• Dado que PREN está diseñado para aceros inoxidables, no debe utilizarse para clasificar P11/P22; su comportamiento ante la corrosión debe diseñarse mediante la selección de sistemas de protección, revestimientos de materiales o tolerancias a la corrosión en función del entorno.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• Ambos grados se mecanizan satisfactoriamente en condiciones normalizadas y templadas, pero el P22 puede ser más abrasivo y endurecerse por deformación si los parámetros de corte no están optimizados debido a su mayor templabilidad y contenido de carburo.
• Conformabilidad / doblado:
• En general, el P11 es más fácil de conformar en frío y doblar sin un precalentamiento agresivo que el P22 debido a su menor contenido de aleación; sin embargo, ambos se conforman comúnmente en la condición normalizada o mediante procedimientos controlados de doblado en caliente.
• Acabado y tratamiento de la superficie:
• Las partículas de aleación más altas y los carburos en P22 pueden aumentar el desgaste de la herramienta en las operaciones de acabado; especifique las herramientas y los avances adecuados.
• Recomendaciones:
• Realizar el conformado y mecanizado en estado normalizado/templado, no en estado duro laminado o soldado.
• Utilice refrigeración, fluidos de corte y materiales de herramientas adecuados (carburos recubiertos o cerámica para cortes de alta aleación).

8. Aplicaciones típicas

P11 — Usos típicos	P22 — Usos típicos
Tuberías, colectores y accesorios para baja presión o temperatura moderada donde el costo y la soldabilidad son prioritarios.	Tuberías de vapor de alta temperatura, piezas a presión y componentes que requieren una resistencia superior a la fluencia y a la oxidación.
Tubos y componentes de intercambiadores de calor donde una resistencia a la fluencia moderada es adecuada	Líneas principales de vapor, colectores de sobrecalentadores/recalentadores y componentes en aplicaciones de centrales eléctricas de temperatura moderada a alta.
Piezas de repuesto económicas para aplicaciones donde la temperatura de servicio no es extrema.	Componentes críticos de recipientes a presión y tuberías en centrales térmicas de combustibles fósiles o de ciclo combinado donde se requiere una mayor vida útil ante la fluencia.
Tuberías de acero aleado de uso general en servicios petroquímicos con exigencias de temperatura menos severas	Componentes que requieren una mayor tensión admisible a temperatura ambiente o un espesor reducido para la misma tensión de diseño

Justificación de la selección: - Elija P22 cuando la mayor resistencia a largo plazo a temperaturas elevadas, la resistencia a la oxidación y la vida útil a la fluencia sean factores determinantes del diseño. - Elija P11 cuando un menor costo y una fabricación/soldadura más sencilla sean prioridades y las demandas de temperatura/fluencia sean modestas.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo:
• El P22 suele tener un precio de material más alto que el P11 debido a su mayor contenido de Cr y Mo y a un procesamiento más riguroso para un mejor rendimiento a altas temperaturas.
• El P11 suele ser más económico y está ampliamente disponible en muchos inventarios de tuberías y accesorios.
• Formatos y disponibilidad del producto:
• Ambos grados están disponibles comúnmente como tubería sin costura, tubería soldada, accesorios, bridas y placas para recipientes a presión; sin embargo, los plazos de entrega para P22 pueden ser más largos para espesores de placa especializados o componentes forjados.
• La disponibilidad puede variar según la región; los ingenieros de compras deben confirmar los plazos de entrega para la forma del producto requerida y cualquier condición de tratamiento térmico especificada.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Criterio	P11	P22
Soldabilidad	Más fácil (menor severidad típica del precalentamiento/PWHT)	Más exigente (mayor precalentamiento/PWHT; riesgo de agrietamiento en la ZAT)
Resistencia-Tenacidad (temperatura elevada)	Resistencia moderada, buena tenacidad	Mayor resistencia y resistencia a la fluencia; la tenacidad depende del tratamiento térmico.
Costo	Menor costo de materiales	Mayor costo de los materiales

Conclusiones y orientación práctica: - Elija P11 si: La temperatura de diseño y la vida útil requerida frente a la fluencia son moderadas, y el coste y la facilidad de fabricación/soldadura son limitaciones importantes. - Se busca un procedimiento de soldadura más indulgente con menor severidad de precalentamiento/PWHT en trabajos de taller o de campo. - El proyecto permite un material con menor contenido de Cr/Mo y, por consiguiente, una menor tensión admisible a temperatura ambiente.

• Elija P22 si:
• La aplicación requiere mayor resistencia a altas temperaturas, mayor vida útil a la fluencia o mejor resistencia a la oxidación a temperaturas de servicio.
• Se pueden aplicar controles de soldadura más estrictos, precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), y se acepta un mayor costo del material a cambio de una mayor vida útil o un menor espesor de sección.
• Los códigos de diseño o los requisitos de tensión admisible especifican una clasificación de temperatura más alta que se alinea con el rendimiento del P22.

Nota final: Tanto el P11 como el P22 son materiales maduros y bien conocidos, con décadas de aplicación en la generación de energía y la industria de procesos. La decisión debe basarse en la temperatura de diseño y los requisitos de vida útil por fluencia, las capacidades de soldadura y fabricación, el modelado de costos del ciclo de vida y los requisitos específicos de los códigos y contratos. Ante la duda, realice una evaluación de ingeniería exhaustiva que incluya curvas de tensión admisible frente a temperatura, la calificación del procedimiento de soldadura y la verificación por parte del proveedor de la capacidad de tratamiento térmico para garantizar que el grado elegido cumpla con las expectativas de servicio a largo plazo.