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

Introducción

Los aceros P22 y P91 son dos aceros ampliamente utilizados en la fabricación de recipientes a presión y tuberías para la generación de energía, la industria petroquímica y la industria pesada. Al elegir entre ellos, los ingenieros y los profesionales de compras suelen considerar el costo, la facilidad de fabricación y el rendimiento a largo plazo; por ejemplo, equilibrando el costo inicial del material y la soldabilidad con la resistencia a altas temperaturas y la vida útil a la fluencia requeridas.

La principal diferencia técnica radica en que el P91 se formula y procesa para ofrecer una resistencia a altas temperaturas y a la fluencia considerablemente mayor que el P22, principalmente gracias a su mayor contenido de cromo, la microaleación controlada y el tratamiento térmico. Estas diferencias los convierten en alternativas comunes para componentes expuestos a altas temperaturas y tensiones, por lo que la comparación es frecuente en las especificaciones de componentes y en el análisis del coste del ciclo de vida.

1. Normas y designaciones

• Normas comunes:
• ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (tubería de acero aleado ferrítico sin costura) — P22, P91
• EN: Equivalentes a EN 10216 / EN 10222 (varias calidades de acero EN se corresponden con estas calidades P)
• JIS / GB: las normas nacionales a menudo proporcionan equivalentes aproximados (consulte las conversiones específicas).
• Clasificación de materiales:
• P22: acero ferrítico de baja aleación (1,25 % Cr — comúnmente llamado 1,25Cr-0,5Mo). Clasificado como acero aleado para servicio a alta temperatura.
• P91: acero ferrítico martensítico de alto cromo y resistencia a la fluencia mejorada (nominalmente 9Cr-1Mo con adiciones de V/Nb). A menudo se considera un acero martensítico de aleación/HSLA (alta resistencia y baja aleación) optimizado para la resistencia a la fluencia.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Rangos de composición típicos (en % peso). Los valores mostrados son rangos representativos de especificaciones comunes; los límites exactos dependen de la norma y la colada específicas.

Elemento	P22 (rango típico)	P91 (rango típico)
do	0,04–0,12	0,08–0,12
Minnesota	0,25–0,60	0,25–0,60
Si	0,10–0,50	0,20–0,60
PAG	≤0,025	≤0,02
S	≤0,015	≤0.01
Cr	0,9–1,5	8.0–9.5
Ni	rastro	trazas–bajo
Mes	0,38–0,65	0,85–1,05
V	—	0,08–0,25
Nb (Cb)	—	0,03–0,12
Ti	rastro	rastro
B	—	trazas (nivel de ppm)
norte	rastro	0,02–0,06

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El cromo (Cr) aumenta la resistencia a la oxidación y la templabilidad; el contenido mucho mayor de Cr en P91 es un factor importante para mejorar la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la oxidación. - El molibdeno (Mo) mejora la resistencia a temperaturas elevadas y la resistencia a la fluencia en ambos grados; el P91 normalmente tiene alrededor del 1% de Mo frente al 0,5% del P22. - El vanadio (V) y el niobio (Nb) en P91 forman carburos/nitruros finos que estabilizan la microestructura martensítica e inhiben la deformación por fluencia al fijar las dislocaciones y los límites de grano. - El carbono proporciona resistencia a través de la martensita/martensita revenida, pero un mayor contenido de carbono también aumenta la templabilidad y el riesgo de agrietamiento; el P91 utiliza un contenido de C controlado para equilibrar la resistencia y la soldabilidad. - Pequeñas adiciones de B y N controlado en P91 pueden refinar aún más las propiedades al influir en la precipitación y la endurecimiento.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• P22: La microestructura típica tras la normalización y el revenido es de bainita/ferrita revenida con carburos ricos en molibdeno dispersos. No forma una estructura completamente martensítica como la P91 tras los tratamientos térmicos habituales. La microestructura es estable para servicio a temperaturas moderadamente elevadas, pero menos resistente a la fluencia a largo plazo que la P91.
• P91: Diseñado para formar una estructura martensítica fina tras la normalización y el enfriamiento rápido, seguido de un revenido que precipita carburos y nitruros finos (p. ej., precipitados tipo M23C6, MX). El procesamiento termomecánico y el revenido controlado son esenciales para obtener la microestructura martensítica revenida óptima que proporciona una alta resistencia a la fluencia.
• Efectos del procesamiento:
• Normalización: refina el tamaño de grano de la austenita anterior; el proceso P91 generalmente requiere una normalización a temperatura más alta que el proceso P22 para disolver los carburos de aleación y promover la formación adecuada de martensita.
• Temple y revenido / Normalizado y revenido: ambos grados requieren revenido después del endurecimiento. El revenido del grado P91 es particularmente crítico para estabilizar la estructura martensítica y lograr tenacidad, a la vez que se mitigan las tensiones residuales.
• Los tratamientos termomecánicos y las velocidades de enfriamiento controladas son más importantes para el P91 para evitar precipitados gruesos y controlar el comportamiento de fluencia a largo plazo.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Comparación cualitativa (valores típicos después de la normalización y el revenido; las propiedades reales dependen del tratamiento térmico exacto, el espesor y las especificaciones).

Propiedad	P22 (típico)	P91 (típico)
Resistencia a la tracción (máxima)	Moderado	Alto
Fuerza de fluencia	Moderado	Alto
Alargamiento (ductilidad)	Bueno (superior a P91)	Moderado (inferior a P22)
Resistencia al impacto (RT)	Bueno cuando está bien templado	Funciona bien con el templado adecuado; puede ser sensible al tratamiento térmico.
Dureza	Moderado	Mayor (más propenso al desgaste)

Explicación: - El P91 ofrece resistencias a la tracción y a la fluencia sustancialmente mayores y una resistencia superior a la fluencia a largo plazo a temperaturas elevadas debido a su microestructura martensítica y microaleación (V, Nb) en comparación con la estructura bainítica/ferrítica templada de menor aleación del P22. - El P22 generalmente ofrece mayor ductilidad y puede presentar un control de tenacidad más fácil en algunos espesores; el P91 puede lograr una buena tenacidad, pero requiere un control estricto del tratamiento térmico y del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).

5. Soldabilidad

Factores clave: el equivalente de carbono, la templabilidad y el contenido de microaleación determinan las necesidades de precalentamiento/PWHT y el riesgo de agrietamiento de la ZAT.

Índices comunes de soldabilidad (utilizados para evaluar el riesgo cualitativamente): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación (cualitativa): - P22: menor contenido de cromo y menor templabilidad en comparación con P91; valores moderados de carbono equivalente. La soldadura de P22 generalmente requiere precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para minimizar la dureza de la zona afectada por el calor (ZAC) y la susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno, pero los ciclos estándar de PWHT están bien establecidos y son relativamente tolerantes. - P91: El mayor contenido de Cr, Mo y elementos de microaleación aumenta la templabilidad y eleva el riesgo de formación de martensita dura en la ZAT; por lo tanto, la soldadura de P91 es más exigente. Un precalentamiento adecuado, temperaturas controladas entre pasadas y ciclos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) cuidadosamente prescritos son esenciales para evitar la fragilización de la ZAT y templar la ZAT martensítica. Es común el uso de metales de aporte compatibles o con mayor composición y una estricta cualificación del procedimiento. - Consejos prácticos: Los procedimientos de soldadura P91 requieren personal cualificado (WPS/PQR) y con experiencia; la soldadura de reparación y el revenido posterior a la soldadura deben seguir los ciclos aprobados por el fabricante o el código. El procedimiento P22 es más tolerante, pero aun así requiere un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) adecuado para componentes sometidos a presión.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el P22 ni el P91 son inoxidables. La resistencia a la corrosión en ambientes húmedos/ácidos debe controlarse mediante la selección del material, recubrimientos o inhibidores.
• Las estrategias de protección habituales incluyen pintura, aluminizado a alta temperatura, proyección térmica o especificación de tolerancia a la corrosión. Para ambientes exteriores o húmedos, se utilizan recubrimientos estándar y protección catódica según sea necesario.
• El índice PREN (índice de corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros ferríticos no inoxidables porque el PREN se utiliza para aleaciones inoxidables: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Para la resistencia a la oxidación/incrustación a altas temperaturas, el mayor contenido de Cr en P91 proporciona una mejor resistencia a la oxidación en comparación con P22, pero ninguno de los dos proporciona una protección contra la corrosión al nivel del acero inoxidable.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Mecanizado:
• P22: más fácil de mecanizar en comparación con P91 debido a su menor resistencia y dureza; las velocidades de corte pueden ser mayores y las herramientas tienen una vida útil más larga.
• P91: más duro y resistente, tiende a endurecerse por deformación; requiere herramientas más robustas, velocidades de corte más bajas y configuraciones rígidas.
• Conformado/doblado:
• P22: mejores características de conformado en frío; mayores reducciones posibles sin agrietamiento.
• P91: conformabilidad en frío limitada; puede ser necesario el conformado en caliente o una mayor precaución y radios de curvatura mayores.
• Acabado superficial: El P91 puede requerir pasos de esmerilado/pulido más agresivos y puede generar virutas más difíciles de mecanizar; el esmerilado se usa comúnmente para eliminar las capas descarburadas de la ZAT después de la soldadura antes del tratamiento térmico posterior a la soldadura en casos críticos.

8. Aplicaciones típicas

P22 (usos típicos)	P91 (usos típicos)
Tuberías de vapor, colectores y recipientes a presión en calderas y refinerías de temperatura moderada (servicio hasta ~540–565 °C, según el diseño).	Colectores de alta temperatura, tuberías de sobrecalentadores/recalentadores, líneas de vapor y componentes de presión en centrales eléctricas de combustibles fósiles ultra-supercríticas y avanzadas donde se requiere una alta resistencia a la fluencia
Intercambiadores de calor, tambores y tuberías de alta temperatura no críticas donde el costo y la disponibilidad favorecen el uso de 1,25Cr-0,5Mo	Componentes de alta tensión y larga vida útil expuestos a temperaturas y tensiones elevadas sostenidas donde se requiere un espesor de pared reducido o una mayor resistencia a la fluencia.
Componentes industriales de presión de uso general donde la vida útil de diseño convencional es aceptable	Aplicaciones de nueva construcción o modernización que requieren temperaturas/presiones de vapor más elevadas e intervalos de servicio más prolongados.

Justificación de la selección: - Elija P22 para servicios a temperaturas moderadas donde la soldabilidad, la ductilidad y un menor costo del material sean prioridades. - Elija P91 cuando la resistencia a la fluencia a largo plazo, la resistencia a temperaturas elevadas y el potencial para secciones más delgadas o una vida útil prolongada justifiquen el mayor costo del material y la fabricación.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El P91 suele ser más caro que el P22 por kilogramo/pie debido a su mayor contenido de aleación y a los requisitos más estrictos de procesamiento/tratamiento térmico.
• Disponibilidad: El P22 está ampliamente disponible en diversos formatos (tuberías, placas, accesorios). El P91 también está ampliamente disponible, pero puede tener plazos de entrega más largos para formatos específicos, componentes mecanizados con tolerancias ajustadas o cuando se requiere fabricación de mayor calidad (p. ej., consumibles de soldadura).
• Nota de compras: el costo total de instalación debe considerar no solo el precio del material, sino también la calificación del procedimiento de soldadura, los ciclos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), la inspección y los posibles intervalos de reemplazo durante el ciclo de vida.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Criterio	P22	P91
soldabilidad	Más fácil; PWHT estándar	Más exigente; precalentamiento/PWHT estricto y procedimientos cualificados
Resistencia-Tenacidad (temperatura ambiente)	Resistencia moderada, buena ductilidad/tenacidad	Alta resistencia, buena tenacidad si se trata adecuadamente; menor ductilidad
Resistencia a la fluencia a altas temperaturas	Moderado; adecuado para servicio a baja temperatura/alta frecuencia	Superior; diseñado para un servicio prolongado a baja velocidad
Costo	Menor coste de materiales; fabricación más sencilla	Mayor costo de materiales y fabricación
Disponibilidad	Ampliamente disponible	Los procesos ampliamente disponibles, pero especializados, pueden aumentar el tiempo de entrega

Recomendación: - Elija P22 si necesita una aleación rentable para un servicio a temperaturas moderadamente elevadas donde el tratamiento térmico posterior a la soldadura estándar sea aceptable, la ductilidad y la facilidad de fabricación sean prioritarias, y no se requiera una vida útil a la fluencia a largo plazo más allá de los límites de diseño convencionales. - Elija P91 si el diseño exige una resistencia significativamente mayor y una resistencia a la fluencia a largo plazo a temperaturas elevadas (por ejemplo, parámetros de vapor avanzados de centrales eléctricas), o cuando la reducción del espesor/peso de la pared y la extensión de los intervalos de mantenimiento justifican mayores costos de material y fabricación y controles de soldadura más estrictos.

Nota final: La selección del grado exacto debe considerar las tensiones de diseño del componente, la vida útil requerida, los códigos aplicables (ASME/EN/JIS/GB), las capacidades de soldadura e inspección y el análisis del costo del ciclo de vida. Para componentes críticos sometidos a presión, consulte los requisitos de los códigos y a los proveedores de materiales para obtener datos químicos y mecánicos certificados y la calificación de los procedimientos de soldadura.