P22 frente a P91: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Elegir entre P22 y P91 es una decisión técnica común para ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción que trabajan con equipos de contención de presión y sistemas de tuberías de alta temperatura. El dilema de selección generalmente se centra en la vida útil bajo vapor/calor (comportamiento ante la fluencia), la fabricación y soldabilidad, y el costo total de instalación (material más soldadura y tratamiento térmico). El P22 (una aleación de clase 2,25Cr–1Mo) y el P91 (un acero microaleado reforzado con fluencia de 9Cr–1Mo) se comparan frecuentemente porque ambos se utilizan en las industrias de energía y procesos, pero están diseñados para diferentes rangos de temperatura y tensión, así como para distintos requisitos de fabricación.

La principal diferencia técnica radica en que el P91 está diseñado para ofrecer una resistencia a largo plazo y una resistencia a la fluencia considerablemente mayores a temperaturas elevadas, mientras que el P22 proporciona un equilibrio entre una resistencia adecuada a altas temperaturas, una fabricación más sencilla y un menor coste del material. Esta diferencia determina la selección del material para componentes sometidos a una exposición prolongada al vapor o a altas temperaturas.

1. Normas y designaciones

• Normas y designaciones comunes:
• ASTM/ASME: A335 / SA335 P22 y P91 (grados de tubería de acero aleado ferrítico sin costura), ASTM A213, A335, ASME SA335.
• EN: Los aceros equivalentes están cubiertos por las normas EN para equipos a presión, pero pueden tener nombres de grado diferentes (por ejemplo, variantes 22CrMo y 9CrMo).
• JIS/GB: Las normas nacionales enumerarán equivalentes cercanos (por ejemplo, series 2,25Cr–1Mo y 9Cr–1Mo).
• Clasificación:
• P22: acero ferrítico de baja aleación (a menudo agrupado con los aceros resistentes al calor Cr-Mo).
• P91: acero ferrítico aleado/de alta resistencia con microaleación (Cr–Mo–V–Nb) — considerado un acero ferrítico con resistencia a la fluencia mejorada (similar al HSLA en algunos contextos, pero diseñado específicamente para la resistencia a la fluencia a altas temperaturas).

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Rangos de composición típicos (masa %) para P22 y P91 (rangos representativos según especificaciones comunes).

Elemento	P22 (rangos aproximados)	P91 (rangos aproximados)
do	0,05 – 0,15	0,08 – 0,12
Minnesota	0,30 – 0,60	0,30 – 0,60
Si	0,10 – 0,50	0,20 – 0,60
PAG	≤ 0,03	≤ 0,02
S	≤ 0,03	≤ 0,01
Cr	2.00 – 2.60	8.00 – 9.50
Ni	≤ 0,40	≤ 0,40
Mes	0,80 – 1,10	0,85 – 1,05
V	- (rastro)	0,15 – 0,25
Nb (Cb)	- (rastro)	0,06 – 0,12
Ti	≤ 0,01	≤ 0,02
B	- (rastro)	≤ 0,001
norte	≤ 0,03	~0,03 – 0,09

Notas: Los rangos anteriores son indicativos de las composiciones químicas típicas utilizadas en la producción para cumplir con las especificaciones basadas en ASME/ASTM. Los límites exactos dependen de la norma y el proveedor específicos. La aleación P91 incluye microaleaciones intencionadas (V, Nb, N y B controlados) para estabilizar microestructuras martensíticas revenidas finas y mejorar la resistencia a la fluencia. La aleación P22 se basa principalmente en adiciones moderadas de Cr y Mo para lograr resistencia a altas temperaturas.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El cromo aumenta la resistencia a la oxidación/incrustación y la resistencia a la temperatura; un mayor contenido de Cr en P91 permite una matriz martensítica templada estable a temperaturas más altas. - El molibdeno mejora la resistencia a altas temperaturas y la templabilidad en ambos grados. - El vanadio y el niobio en P91 forman dispersoides de carburo/nitruro que fijan los límites de grano y retardan la fluencia/el crecimiento de huecos, lo que permite una mayor resistencia a largo plazo. - El carbono y la microaleación equilibran la templabilidad, la resistencia y la soldabilidad; el nivel de C controlado en el P91 es más alto que en algunos aceros de baja aleación, pero se controla mediante el revenido y el diseño de la aleación.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

P22: Microestructura típica tras la normalización y el revenido: microestructura bainítica/ferrítico-perlítica revenida, según el tratamiento térmico específico. La normalización y el revenido convencionales producen una microestructura revenida relativamente gruesa, adecuada para el servicio con vapor a temperatura moderada. Respuesta al tratamiento térmico: El P22 responde bien a la normalización y el revenido; un revenido excesivo reduce la resistencia pero mejora la tenacidad. No está diseñado para la microestructura martensítica fina revenida que se observa en el P91.

P91: - Microestructura típica después de la normalización y el revenido: martensita acicular revenida con una alta densidad de dislocaciones y una dispersión controlada de carburos/nitruros de V/Nb; esta microestructura fina y estable proporciona una alta resistencia a la fluencia. El procesamiento termomecánico y el control estricto de la temperatura de normalización y las condiciones de revenido son fundamentales para desarrollar la microestructura deseada y evitar la fragilización por revenido o el sobre-revenido. - El P91 es sensible al tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT); un PWHT correcto es esencial para recuperar la tenacidad y aliviar las tensiones residuales sin aumentar el tamaño de los precipitados.

Comparación: - El P91 logra una mayor resistencia y resistencia a la fluencia mediante la formación de una estructura martensítica templada estabilizada por precipitados de microaleación; el P22 se basa en el fortalecimiento con Cr-Mo en una matriz más ferrítica/bainítica. Ambos requieren un tratamiento térmico controlado, pero el P91 generalmente exige un control más estricto (normalizado a una temperatura más alta y templado a temperaturas específicas) y un tratamiento térmico posterior a la soldadura consistente para cumplir con las especificaciones de fluencia.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Descriptores comparativos de las propiedades mecánicas en condiciones de suministro habituales (normalizadas y templadas).

Propiedad	P22	P91	Comentario
Resistencia a la tracción	Medio	Alto	El P91 ofrece una resistencia a la tracción sustancialmente mayor en estado templado debido a su estructura martensítica y microaleación.
Resistencia a la fluencia	Medio	Alto	El P91 proporciona un mayor rendimiento, lo que beneficia a las secciones más delgadas para la misma carga.
Alargamiento (ductilidad)	Bien	Moderado	El P22 tiende a ser más dúctil; el P91 sacrifica algo de ductilidad por resistencia y resistencia a la fluencia.
Dureza al impacto	Bueno (a temperaturas más bajas)	De bueno a excelente (cuando se trata térmicamente de forma adecuada).	El P91 puede lograr una buena tenacidad, pero es más sensible al proceso; el P91 tratado térmicamente de forma incorrecta puede mostrar una tenacidad reducida.
Dureza	Moderado	Más alto	El P91 presenta mayor dureza después del revenido; la dureza debe controlarse para evitar la fragilización y para cumplir con las especificaciones de soldadura/tratamiento térmico.

Interpretación: - El P91 es el material más resistente y con mayor resistencia a la fluencia para servicio a temperaturas elevadas, pero lograr sus propiedades mecánicas requiere un procesamiento controlado y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). - El P22 ofrece un equilibrio entre resistencia, tenacidad y ductilidad adecuado para muchos servicios hasta temperaturas moderadamente elevadas y, en general, es más tolerante en la fabricación.

5. Soldabilidad

Entre los factores que influyen en la soldabilidad se incluyen el contenido de carbono, el contenido de aleación, la templabilidad y la presencia de elementos de microaleación. Fórmulas predictivas comúnmente utilizadas para la evaluación cualitativa:

• Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (parámetro de soldabilidad): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - P22: equivalente de carbono moderado; soldabilidad generalmente buena a aceptable con precalentamiento estándar y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para secciones más gruesas. Se suelda comúnmente en la fabricación de centrales eléctricas con procedimientos establecidos. - P91: Mayor templabilidad debido a su mayor contenido de cromo y microaleación; presenta un CE efectivo y un Pcm superiores, lo que implica un mayor riesgo de formación de una ZAT dura y quebradiza si se suelda sin controles estrictos. El acero P91 requiere un control preciso del metal de aporte, el precalentamiento, las temperaturas entre pasadas y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) obligatorio para recuperar la tenacidad y aliviar las tensiones residuales. - En la práctica, los procedimientos de soldadura P91 son más exigentes y requieren procedimientos y soldadores cualificados; las uniones de metales diferentes (por ejemplo, de P91 a P22 o a acero al carbono estándar) requieren procedimientos especiales de soldadura de transición.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el P22 como el P91 son aceros de aleación ferrítica no inoxidables y dependen de recubrimientos o protección de barrera para la resistencia a la corrosión en atmósferas acuosas o agresivas.
• Protecciones típicas: pintura, galvanización (cuando sea compatible), revestimiento (por ejemplo, recubrimiento de soldadura o revestimiento resistente a la corrosión) o inhibidores en sistemas cerrados.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros no inoxidables; para los aceros inoxidables, el índice es: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Para una mayor resistencia a la oxidación/incrustación a altas temperaturas, el mayor contenido de Cr del P91 proporciona un mejor rendimiento en comparación con el P22, pero ninguno de los dos grados reemplaza a los aceros inoxidables en entornos críticos de corrosión.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: El P22 suele ser más fácil de mecanizar debido a su menor dureza y microestructura más simple. La mayor dureza y aleación del P91 pueden aumentar el desgaste de la herramienta y requerir velocidades de avance/corte más lentas.
• Conformado/doblado: El P22 es más dúctil y tolera mejor las operaciones de conformado. El conformado en frío del P91 es limitado y generalmente requiere estrategias térmicas/de conformado o una deformación limitada; el conformado en caliente puede utilizarse, pero requiere un control preciso.
• Acabado: La preparación de la superficie y los tratamientos térmicos posteriores a la fabricación (especialmente el tratamiento térmico posterior a la soldadura para P91) aumentan los pasos y el costo. El control de la distorsión de la soldadura es más crítico para P91 debido a las mayores tensiones residuales y la dureza en la zona afectada por el calor.

8. Aplicaciones típicas

Tabla: Usos típicos para cada grado y justificación de la selección.

P22 (2,25Cr–1Mo)	P91 (9Cr–1Mo–V–Nb)
Tubos de caldera y tuberías de vapor de temperatura moderada (unidades subcríticas y supercríticas inferiores)	Tuberías, colectores y componentes de vapor de alta temperatura en calderas ultra-supercríticas y supercríticas
Recipientes a presión e intercambiadores de calor para servicio a temperatura moderada	Componentes que requieren resistencia a la fluencia a largo plazo a temperaturas más elevadas (por ejemplo, tuberías de vapor de alta presión).
Tuberías de proceso generales donde una resistencia moderada a altas temperaturas es adecuada	Tuberías principales de vapor de centrales eléctricas, colectores de recalentadores y sobrecalentadores, y componentes donde la vida útil de diseño bajo fluencia es crítica

Justificación de la selección: - Elija P22 cuando las temperaturas y tensiones de servicio sean moderadas, cuando la simplicidad de fabricación y el control de costos sean prioritarios y cuando los requisitos de vida útil a largo plazo sean menos severos. - Elija P91 cuando la tensión y la temperatura de diseño exijan una alta resistencia a la fluencia y una estabilidad a largo plazo; P91 permite reducir el espesor de la sección o prolongar la vida útil del componente en condiciones severas de alta temperatura.

9. Costo y disponibilidad

• Coste del material: El P91 suele ser más caro por kilogramo que el P22 debido a los mayores requisitos de aleación y procesamiento.
• Coste de fabricación y ciclo de vida: El acero P91 puede requerir consumibles de soldadura más caros, una cualificación de procedimientos más estricta y un tratamiento térmico posterior a la soldadura obligatorio, lo que incrementa el coste de instalación. Sin embargo, para aplicaciones a altas temperaturas, el coste del ciclo de vida puede ser más favorable para el P91 debido a la menor necesidad de reemplazo y mantenimiento, gracias a su mayor resistencia a la fluencia.
• Disponibilidad: El P22 está ampliamente disponible en diversos formatos (placas, tubos, accesorios) y suele estar en stock. El P91 se fabrica extensamente para la generación de energía, pero puede tener plazos de entrega más largos para ciertos formatos y piezas forjadas especiales o de gran diámetro.

10. Resumen y recomendación

Tabla: resumen comparativo conciso.

Criterio	P22	P91
Soldabilidad	De bueno a regular (procedimientos estándar)	De aceptable a exigente (requiere controles estrictos y tratamiento térmico posterior a la soldadura)
Resistencia-Tenacidad (temperatura elevada)	Moderado	Alta (resistencia superior a la fluencia)
Coste (material + fabricación)	Más bajo	Más alto
Fabricación / Maquinabilidad	Más fácil	Más exigente

Conclusiones y pautas de selección: Elija P22 si necesita una aleación de Cr-Mo rentable y fácil de fabricar para aplicaciones a temperaturas moderadamente elevadas donde la resistencia a la fluencia a largo plazo no sea el factor determinante del diseño. Ejemplos de uso: tuberías de calderas convencionales, recipientes a presión para temperaturas moderadas y tuberías de procesos en general. Elija P91 si el componente debe soportar mayores esfuerzos a temperaturas elevadas durante largos periodos de servicio (p. ej., sobrecalentadores/recalentadores/colectores en centrales eléctricas avanzadas), cuando minimizar el espesor de la pared o prolongar la vida útil justifique mayores costos de material y fabricación. Asegúrese de que se apliquen procedimientos de soldadura calificados, una metalurgia de aporte correcta y un tratamiento térmico posterior a la soldadura controlado.

Nota práctica final: La selección de materiales siempre debe ir acompañada de evaluaciones de ingeniería sobre la temperatura de operación, la tensión, la vida útil esperada, la capacidad de soldadura e inspección y el costo del ciclo de vida. En caso de duda para servicios de alta temperatura y larga duración, consulte las curvas de fluencia, las normas aplicables (normas ASME BPVC/EN) y a un especialista en materiales para validar la elección entre P22 y P91.