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

Introducción

El P22 y el P91 son dos aceros aleados templados de uso común en componentes sometidos a presión en la generación de energía, la industria petroquímica y la industria de procesos pesados. Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen enfrentarse a una disyuntiva al elegir entre ellos: un menor coste de material y fabricación con una resistencia aceptable a altas temperaturas frente a una mayor capacidad para soportar temperaturas más elevadas y una resistencia a la fluencia a largo plazo que requiere controles de fabricación más estrictos.

El principal factor diferenciador radica en su rendimiento para servicio a altas temperaturas: una calidad está optimizada para una resistencia moderada a altas temperaturas con un procesamiento más sencillo, mientras que la otra está diseñada para una resistencia a la fluencia sustancialmente mayor a temperaturas de vapor y de proceso mediante una mayor aleación y estabilización de microaleaciones. Dado que ambas se encuentran en especificaciones de producto ASME/ASTM similares (tuberías, accesorios, componentes forjados), la comparación es frecuente al actualizar sistemas, especificar repuestos o diseñar nuevos equipos a presión.

1. Normas y designaciones

• ASTM / ASME:
• P22 — ASTM A335 / ASME SA335 P22 (a menudo especificado como 2,25Cr–1Mo)
• P91 — ASTM A335 / ASME SA335 P91 (9Cr–1Mo–V–Nb, también conocido como Grado 91)
• EN / Europeo: los equivalentes se suelen dar como aceros de las familias 13Cr y martensítico 9–12%Cr; los equivalentes numéricos directos no son uno a uno.
• JIS / GB: las normas nacionales pueden enumerar equivalentes funcionales cercanos, pero se debe verificar la especificación de los límites químicos y el tratamiento térmico.
• Clasificación: ambos son aceros aleados (no inoxidables ni para herramientas). Son aceros aleados de alta resistencia y resistentes al calor, diseñados para servicio a altas temperaturas. El P22 es un acero de baja aleación con cromo y molibdeno; el P91 es una aleación martensítica con alto contenido de cromo, resistencia a la fluencia mejorada y adiciones de microaleación.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla muestra los rangos de composición típicos (en % peso) utilizados por la industria y los organismos de normalización para P22 y P91. Los valores son representativos; consulte la especificación del material o el certificado de ensayo de fábrica correspondiente para su adquisición.

Elemento	P22 (rango típico, % en peso)	P91 (rango típico, % en peso)
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 – 0,50
PAG	≤ 0,025	≤ 0,020
S	≤ 0,015	≤ 0,010
Cr	2.0 – 2.6	8.0 – 9.5
Ni	≤ 0,40	≤ 0,40
Mes	0,85 – 1,05	0,85 – 1,05
V	traza – baja	0,10 – 0,25
Nb (Nb+Ta)	traza – baja	0,06 – 0,12
Ti	—	≤ 0,02 (si se especifica)
B	—	≤ 0,001 (microaleación)
norte	≤ 0,015	0,03 – 0,07

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El cromo y el molibdeno aumentan la resistencia en caliente y la templabilidad; el aumento de Cr de ~2,3% (P22) a ~9% (P91) es el paso químico principal que eleva la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la oxidación. - El vanadio y el niobio en P91 forman carburos/nitruros estables que fijan los límites de grano y la fragilización por revenido, mejorando la resistencia a la fluencia y la estabilidad a alta temperatura. Los niveles de carbono y nitrógeno se controlan para equilibrar la resistencia y la soldabilidad; un mayor contenido de carbono aumenta la resistencia, pero también incrementa la templabilidad y el riesgo de fisuración en frío. - Los elementos de microaleación (V, Nb, B) en P91 se agregan específicamente para mejorar la resistencia a la fluencia mediante el fortalecimiento por precipitación y el refinamiento del grano durante el revenido.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: - P22: En estado normalizado y revenido, el P22 generalmente presenta una estructura bainítica/ferrítica revenida con carburos dispersos (carburos de Cr-Mo). Es menos propenso a formar una microestructura de martensita altamente endurecida bajo procesamiento convencional, por lo que tolera mejor la soldadura y el tratamiento térmico. - P91: El P91 es un acero martensítico después del temple; la condición de entrega normalmente se normaliza y se templa para desarrollar una microestructura martensítica templada con precipitados finos y dispersos de tipo M23C6 y MX (carburos/nitruros de V/Nb) que proporcionan resistencia a la fluencia y estabilidad a temperaturas elevadas.

Efecto del tratamiento térmico: - La normalización (enfriamiento al aire desde una temperatura de austenización específica) y el revenido son esenciales para ambos grados, pero más críticos para el P91 para obtener la microestructura martensítica revenida deseada y precipitar carburos/nitruros de fortalecimiento. - El temple y revenido (para componentes forjados) debe controlarse cuidadosamente para P91 para evitar una dureza excesiva que perjudique la soldabilidad y para garantizar que se cumplan los parámetros del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). - Tratamientos termomecánicos y envejecimiento de estabilidad: El P91 se beneficia de un procesamiento y revenido controlados para estabilizar los precipitados resistentes a la fluencia; un revenido excesivo o un PWHT incorrecto pueden reducir la resistencia o causar fragilidad por revenido.

4. Propiedades mecánicas

Rangos representativos de propiedades mecánicas (temperatura ambiente, normalizadas y templadas; los valores específicos dependen de la forma del producto y del tratamiento térmico exacto):

Propiedad	P22 (típico)	P91 (típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	~415 – 585	~620 – 850
Límite elástico (0,2% de deformación, MPa)	~250 – 350	~450 – 650
Alargamiento (%)	~20 – 25	~15 – 25
Resistencia al impacto (Charpy V-notch, J)	moderado; bueno para ambiente	En general, bueno; diseñado para resistir altas temperaturas.
Dureza (HRC / HB)	~170–220 HB (varía)	~200–300 HB (varía según la condición)

Interpretación: - El P91 es materialmente más resistente tanto en límite elástico como en resistencia a la tracción cuando se normaliza y templa adecuadamente; esto se debe principalmente a un mayor contenido de Cr y precipitados de microaleación. - La ductilidad (elongación) es similar o ligeramente reducida en P91 en comparación con P22 en algunas condiciones debido a la mayor resistencia y a la martensita templada. La tenacidad puede ser excelente en ambos grados si se realiza un tratamiento térmico adecuado y un tratamiento térmico posterior a la soldadura; el P91 debe procesarse correctamente para evitar zonas de martensita frágil.

5. Soldabilidad

Las consideraciones sobre la soldabilidad se derivan de la equivalencia de carbono, la templabilidad y la microaleación. Para la evaluación cualitativa se utilizan índices empíricos comunes.

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

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

Interpretación cualitativa: - El P22 tiene un equivalente de carbono menor que el P91 debido a su menor contenido de Cr y microaleación, lo que hace que sea comparativamente más fácil de soldar con requisitos menos estrictos de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). El acero P91 presenta mayor templabilidad debido a su mayor contenido de cromo y microaleación (V, Nb, B). Esto aumenta la susceptibilidad a la formación de zonas martensíticas duras o sin templar en las zonas afectadas térmicamente (ZAT) de la soldadura, elevando el riesgo de fisuración en frío si no se precalienta y se somete a un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) adecuado. La soldadura P91 generalmente requiere biseles controlados, metalurgia de aporte adecuada (por ejemplo, aporte P91 o variantes estabilizadas), temperaturas precisas entre pasadas y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para templar la martensita y restaurar la ductilidad y la resistencia a la fluencia. Los procedimientos son más complejos y a menudo están sujetos a una estricta cualificación. - Para ambos grados, el control del hidrógeno, los procedimientos de bajo hidrógeno y un tratamiento térmico posterior a la soldadura adecuado son esenciales para un servicio confiable a largo plazo.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el P22 como el P91 son aceros aleados no inoxidables; su resistencia general a la corrosión en condiciones ambientales es moderada, pero no comparable a la de los aceros inoxidables. Se suele utilizar protección superficial.
• Revestimientos protectores: pintura, epoxi, pinturas de alta temperatura.
• Recubrimientos metalúrgicos: proyección térmica (Al/silicato de aluminio), revestimiento para servicio con alta corrosión.
• El galvanizado en caliente es posible para algunas aplicaciones P22 en condiciones ambientales, pero no es típico para servicios a alta temperatura; el galvanizado no es adecuado para altas temperaturas sostenidas.
• El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) se utiliza para aleaciones de acero inoxidable: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• El principio PREN no es aplicable a los aceros P22 y P91 porque no son aceros inoxidables diseñados para formar películas pasivas protectoras ricas en cromo. Su gestión de la corrosión se centra en los recubrimientos, el revestimiento y la selección de materiales para el entorno específico (oxidación, sulfuración, corrosión por picaduras).

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• El P22 es más fácil de mecanizar que el P91 en condiciones comparables debido a su menor dureza y menor contenido de aleación.
• El P91, al ser de mayor resistencia y tener una aleación más pesada, es más exigente con las herramientas de corte y puede requerir velocidades de corte más lentas y herramientas más robustas.
• Conformabilidad y trabajo en frío:
• Ninguna de las dos calidades está diseñada para un forjado en frío extenso ni para un conformado posterior al tratamiento térmico final; el conformado generalmente se realiza en condiciones más blandas (laminado o normalizado) antes del tratamiento térmico final.
• Refinamiento:
• El rectificado y la preparación de la superficie del P91 requieren atención para evitar la introducción de defectos superficiales que puedan servir como puntos de inicio de fluencia o fatiga.
• Planificación de la fabricación:
• La norma P91 exige procedimientos de soldadura cualificados y soldadores con experiencia. El control de la distorsión y la gestión de las tensiones residuales son importantes debido a la necesidad de ciclos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).

8. Aplicaciones típicas

P22 (usos comunes)	P91 (usos comunes)
Tuberías y colectores de centrales eléctricas de combustibles fósiles que operan a temperaturas de vapor moderadas (hasta ~540–565 °C)	Tuberías, colectores y componentes de vapor de centrales eléctricas de combustibles fósiles ultra-supercríticas y avanzadas con temperaturas de vapor más elevadas (a menudo >550 °C).
Recipientes a presión y calderas donde el coste y la fabricación más sencilla son prioritarios.	Turbinas de vapor de alta temperatura, recalentadores, sobrecalentadores y tuberías de alta presión que requieren resistencia a la fluencia a largo plazo
Tubos calefactores petroquímicos, tuberías de proceso a temperaturas moderadas	Componentes en centrales eléctricas y plantas químicas que requieren alta resistencia a la fluencia y estabilidad microestructural
Materiales de reemplazo económicos para aceros de baja aleación antiguos	Nuevos diseños para prolongar la vida útil a altas temperaturas; soldaduras críticas que requieren tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).

Justificación de la selección: - Elija P22 cuando las temperaturas de servicio y los requisitos de fluencia esperados sean moderados y cuando la simplicidad de adquisición/fabricación y el costo sean importantes. - Elija P91 cuando la exposición a largo plazo a temperaturas y presiones más altas exija una resistencia superior a la fluencia, una estabilización de precipitados más fina y tensiones admisibles más elevadas.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El acero P91 suele ser más caro por kilogramo que el P22 debido a su mayor contenido de aleación (principalmente cromo y microaleantes) y a controles de proceso más estrictos. Los costes de fabricación y cualificación del procedimiento de soldadura incrementan el coste total de instalación del P91.
• Disponibilidad:
• El P22 está ampliamente disponible en tuberías, accesorios, herrajes y piezas forjadas de numerosos fabricantes y distribuidores.
• El acero P91 está ampliamente disponible, pero ciertos formatos de producto (piezas forjadas de gran tamaño, combinaciones especiales de diámetro/espesor) pueden tener plazos de entrega más largos y es más probable que se obtengan de proveedores especializados. La disponibilidad puede variar según la región y la demanda del mercado.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen — comparación cualitativa:

Atributo	P22	P91
Soldabilidad	Más fácil; menor CE, PWHT menos estricto	Más difícil; mayor CE/endurecimiento; requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura controlado y procedimientos cualificados.
Resistencia-Tenacidad (temperatura elevada)	Resistencia moderada a altas temperaturas; adecuada hasta aproximadamente 540–565 °C.	Alta resistencia a temperaturas elevadas y resistencia a la fluencia; adecuado para temperaturas más altas/mayor vida útil
Coste (material + fabricación)	Más bajo	Más alto

Recomendación: - Elija P22 si necesita un acero aleado de menor costo y más fácil de soldar para equipos a presión y tuberías que operan a temperaturas moderadamente elevadas, cuando la fluencia a largo plazo a alta temperatura no es el criterio de diseño determinante. - Elija P91 si la aplicación requiere una resistencia significativa a la fluencia y tensiones admisibles más elevadas a temperaturas elevadas (sistemas de vapor de alta presión y larga duración), y si el proyecto puede soportar los controles de fabricación necesarios, los procedimientos de soldadura calificados y el sobrecosto.

Nota final: Ambos grados requieren la especificación del grado exacto del material, las condiciones del tratamiento térmico y el procedimiento de soldadura en los documentos de adquisición y diseño. Para aplicaciones críticas de seguridad y servicio prolongado a alta temperatura, se recomienda la participación temprana de ingenieros de materiales y soldadura para confirmar la tensión admisible de diseño, los parámetros requeridos del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) y las pruebas de calificación, a fin de garantizar un rendimiento fiable en servicio.