P91 frente a P92: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros martensíticos P91 y P92, de cromo-molibdeno-vanadio (Cr-Mo-V), son resistentes a la fluencia y se utilizan ampliamente en equipos de generación de energía y petroquímicos de alta temperatura, como tubos de calderas, colectores y tuberías de vapor. Ingenieros, responsables de compras y fabricantes suelen enfrentarse al dilema de elegir entre P91 y P92 al buscar un equilibrio entre la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la fluencia a largo plazo, y la soldabilidad, la facilidad de fabricación y el coste total del ciclo de vida. Algunos contextos típicos de decisión incluyen la mejora de la capacidad de temperatura del vapor, la optimización de los intervalos de mantenimiento de componentes de alta presión o la selección de materiales para nuevas calderas de alta eficiencia.

La principal diferencia metalúrgica que determina las variaciones de rendimiento reside en la estrategia de aleación, en particular en el equilibrio entre el tungsteno (W) y el molibdeno (Mo) junto con otros elementos de microaleación (V, Nb, B). Esta estrategia de sustitución influye en la química de los carburos, la estabilidad de los precipitados y la templabilidad, factores que a su vez afectan la resistencia a la fluencia, la tenacidad y la soldabilidad. Por ello, las aleaciones P91 y P92 se comparan frecuentemente para componentes sometidos a altas temperaturas.

1. Normas y designaciones

• Normas y especificaciones comunes:
• ASME/ASTM: ASME SA-335 / P91 y P92 (tuberías de aleación ferrítica sin costura para temperaturas elevadas), ASTM A213, ASTM A387 (variantes de placas) y códigos ASME relacionados para calderas y recipientes a presión.
• EN: A menudo aparecen grados equivalentes bajo designaciones EN y EN modificadas (por ejemplo, X10CrMoVNb9-1 para química similar a P91 y X10CrWMoVNb9-2 para química similar a P92).
• JIS/GB: Las normas locales proporcionan composiciones similares con numeración diferente; confirme con la certificación del proveedor.
• Clasificación:
• Tanto el P91 como el P92 son aceros aleados diseñados para servicio a altas temperaturas; a veces se agrupan con los aceros ferríticos HSLA/martensíticos con resistencia a la fluencia mejorada (no aceros inoxidables ni aceros para herramientas).

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla muestra los rangos de composición típicos para P91 y P92 en porcentaje en peso. Estos son representativos de las especificaciones de materiales normalizados y templados comerciales; los valores reales dependen de las subcalidades y normas específicas.

Elemento	P91 (rango típico, % en peso)	P92 (rango típico, % en peso)
do	0,08–0,12	0,08–0,12
Minnesota	0,30–0,60	0,30–0,60
Si	0,20–0,60	0,20–0,60
PAG	≤0,02	≤0,02
S	≤0.01	≤0.01
Cr	8.0–9.5	8,5–9,5
Ni	≤0.50	≤0.50
Mes	0,85–1,05	0,20–0,50
W	traza–0.3	1.7–2.0
V	0,15–0,25	0,18–0,25
Nb (Cb)	0,06–0,12	0,06–0,12
Ti	≤0.01	≤0.01
B	0,0005–0,003	0,0005–0,005
norte	0,03–0,07	0,03–0,07

Cómo afecta la aleación a las propiedades - El cromo proporciona resistencia a la oxidación y corrosión a temperaturas elevadas y forma carburos M23C6 que afectan el comportamiento de fluencia y revenido. - El molibdeno (Mo) aumenta el fortalecimiento por solución sólida y contribuye a la formación de carburos estables; el Mo es tradicionalmente fundamental para la resistencia a la fluencia del P91. - El tungsteno (W) en P92 se utiliza como sustituto parcial del Mo: el W forma carburos más estables y de crecimiento lento, y contribuye a una mayor resistencia a la fluencia a largo plazo a temperaturas muy altas. - El vanadio (V) y el niobio (Nb) forman carbonitruros MX finos que fijan los límites de grano, inhiben la recuperación y la recristalización, y mejoran la resistencia a la rotura por fluencia. - Las adiciones muy bajas de boro mejoran la resistencia a la fluencia al segregarse en los límites de grano de la austenita previa y retrasar la cavitación durante la exposición a largo plazo.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

microestructura típica - Tanto P91 como P92 producen una microestructura martensítica templada después de un ciclo de tratamiento térmico estándar (normalización por encima de Ac3 seguida de temple y revenido). - La microestructura templada consiste en martensita laminar con carburos y carbonitruros distribuidos: M23C6 (rico en Cr) a lo largo de los límites de grano de la austenita previa y los límites laminares, y precipitados MX (V,Nb) dentro de las laminares.

Efectos de la aleación y el tratamiento térmico - P91: Con un mayor contenido de Mo y un contenido ligeramente menor de W, la distribución de carburos es favorable para la resistencia a la fluencia requerida en el rango de diseño original (normalmente hasta aproximadamente 600–620 °C). El Mo contribuye al fortalecimiento de la matriz y a la estabilidad de la precipitación, pero los carburos ricos en Mo pueden aumentar de tamaño tras exposiciones prolongadas. - P92: La sustitución parcial de Mo por W produce carburos e intermetálicos con una cinética de crecimiento más lenta a temperaturas elevadas. Tras un revenido adecuado, el P92 suele desarrollar una dispersión de carburos más fina y estable, lo que proporciona una mejor resistencia a la fluencia a largo plazo a temperaturas de vapor más elevadas y una mayor vida útil. Tratamientos termomecánicos: Ambos grados responden bien a la normalización y el revenido, así como a un procesamiento termomecánico específico que refina el tamaño de grano de la austenita previa y favorece una distribución de precipitados adecuada. La temperatura de revenido controla el equilibrio entre tenacidad y resistencia.

4. Propiedades mecánicas

La siguiente tabla muestra propiedades representativas del material normalizado y templado en su estado de suministro. Los valores reales dependen de la composición química precisa, el tratamiento térmico, el espesor/forma y las normas de ensayo.

Propiedad	P91 (representativo)	P92 (representativo)
Límite elástico (0,2%, MPa)	~415 (límite inferior típico) — hasta ~500–600 dependiendo del templado	más alto: ~500–650 (amplio rango dependiendo del temperamento)
Resistencia a la tracción (MPa)	~550–700	~650–800
Alargamiento (%)	~18–25	~12–20 (a menudo ligeramente inferior a P91)
Prueba de impacto Charpy con muesca en V (temperatura ambiente, J)	De moderado a bueno (depende del tratamiento térmico; comúnmente ≥40–60 J)	algo inferior o similar dependiendo del templado; mayor sensibilidad al tratamiento térmico.
Dureza (HB)	~180–260 (condición típica de N&T)	~200–300 (puede ser mayor debido a la aleación y el templado)

Interpretación - Resistencia: El P92 generalmente ofrece mayor resistencia a la fluencia y mayor resistencia a la tracción/límite elástico en muchos tratamientos térmicos comerciales debido a la adición de W y a la estabilidad refinada del precipitado. - Tenacidad y ductilidad: El P91 tiende a ser un poco más dúctil y tolerante en la fabricación; el P92 puede ser menos dúctil y requiere un control más estricto del tratamiento térmico y del tratamiento térmico posterior a la soldadura para asegurar la tenacidad. - Dureza: El P92 a menudo muestra una mayor dureza en condiciones comparables; esto ayuda a la resistencia a altas temperaturas, pero puede aumentar la susceptibilidad a las grietas en la soldadura si no se controla.

5. Soldabilidad

Las consideraciones sobre la soldabilidad para ambos grados se centran en el equivalente de carbono/templado, la microaleación y los requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).

Fórmulas típicas de soldabilidad para evaluar las necesidades de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT): - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - PCM internacional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa - Tanto el P91 como el P92 tienen una templabilidad apreciable (Cr, Mo/W, V, Nb, B), lo que lleva a una alta propensión a formar martensita dura en la ZAT si se sueldan sin un precalentamiento y un tratamiento térmico posterior a la soldadura adecuados. - El mayor contenido de W y el equilibrio de aleación ligeramente diferente del P92 aumentan aún más la templabilidad, por lo que a menudo requiere controles de precalentamiento/PWHT más conservadores y materiales de relleno compatibles formulados para la química del P92. El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT, por sus siglas en inglés; normalmente entre 700 y 760 °C para estos aceros, según el código y el espesor) es obligatorio para templar la martensita en la zona afectada por el calor y aliviar las tensiones residuales. Es necesario controlar el hidrógeno, mantener temperaturas controladas entre pasadas y utilizar consumibles de soldadura con bajo contenido de hidrógeno. Selección del material de aporte: Utilice consumibles especificados para P91 o P92, según corresponda (consumibles compatibles o con sobrecompensación aprobada). Para la soldadura P92, se suelen utilizar alambres de aporte y procedimientos especializados para minimizar las diferencias microestructurales y prevenir el agrietamiento de tipo IV en zonas de fluencia a largo plazo.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el P91 ni el P92 son aceros inoxidables; ambos dependen de la aleación para la resistencia a la oxidación a altas temperaturas en lugar de la resistencia general a la corrosión acuosa.
• En ambientes acuosos o corrosivos, generalmente se requiere protección superficial: pintura, metalización, revestimiento o recubrimientos adecuados. Para la protección atmosférica, se pueden utilizar recubrimientos industriales o galvanizado en caliente (cuando corresponda según el servicio), aunque el galvanizado podría no ser adecuado para servicios con vapor a alta temperatura.
• El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) se define como: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice se aplica a los aceros inoxidables y a la resistencia a la corrosión localizada y no es significativo para P91/P92 porque sus composiciones y usos previstos están orientados al rendimiento mecánico a altas temperaturas en lugar de a la resistencia a la corrosión por picaduras de cloruros.
• Oxidación a alta temperatura: El contenido de cromo (≈9%) proporciona cierta resistencia a la oxidación para el servicio en el lado del vapor, pero se deben considerar las capas de oxidación a largo plazo y el comportamiento de carburización; a menudo se prefiere el P92 a temperaturas de vapor más altas porque los carburos que contienen W ralentizan el crecimiento de la capa y mantienen la integridad mecánica durante más tiempo.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: Ambos aceros son menos mecanizables que los aceros al carbono comunes debido a su contenido de aleación y dureza. La mayor templabilidad del P92 y su potencial para alcanzar una mayor dureza pueden reducir la vida útil de la herramienta y aumentar las fuerzas de corte necesarias.
• Conformabilidad/doblado: El conformado en frío es limitado; el conformado/prensado en caliente y el revenido controlado son comunes. Ambos grados responden mal al conformado en frío severo sin tratamiento térmico posterior.
• Acabado superficial y rectificado: El acero P92, al ser más duro, requiere herramientas y rectificado más agresivos. Durante el acabado, es importante controlar las tensiones residuales y evitar el sobreteñido.
• Tratamiento térmico posterior a la fabricación: Se requieren ciclos correctos de normalización y revenido o tratamiento térmico posterior a la soldadura para lograr las propiedades deseadas y evitar la fragilización.

8. Aplicaciones típicas

P91 Usos típicos	P92 Usos típicos
Colectores de vapor, tuberías y tubos en calderas subcríticas y supercríticas tempranas (servicio ≤ ~600 °C)	Tuberías y colectores de vapor de alta temperatura en calderas avanzadas/ultra-supercríticas (entornos con mayor demanda de fluencia).
Tubos para intercambiadores de calor, componentes de recipientes a presión para vapor a temperatura moderada	Componentes de alta presión y alta temperatura en centrales eléctricas diseñados para temperaturas de vapor más elevadas y una vida útil más larga (HRSG, recalentadores).
Tuberías petroquímicas donde se requiere una buena resistencia a altas temperaturas pero existe sensibilidad a los costos	Servicio donde se prioriza una mayor vida útil frente a la fluencia y una estabilidad superior a largo plazo, a pesar del mayor coste de los materiales y del procesamiento.
Cuerpos de válvulas y accesorios para servicio a alta temperatura	Componentes críticos que requieren un rendimiento máximo de resistencia a la fluencia para prolongar su vida útil.

Justificación de la selección - Elija P91 cuando la aplicación requiera una resistencia a la fluencia comprobada a temperaturas moderadamente elevadas, con buena disponibilidad y una fabricación ligeramente más sencilla. - Elija P92 cuando la temperatura de diseño y la vida útil requerida por fluencia superen la capacidad de P91, o cuando los operadores busquen intervalos de mantenimiento más largos y una mayor tensión admisible a la temperatura de servicio.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: El acero P92 suele ser más caro que el P91 debido a su mayor contenido de aleación (sobre todo tungsteno), los controles de fusión especializados y una oferta y demanda más limitadas. Los procesos de fabricación y soldadura del P92 también pueden incrementar el coste de instalación.
• Disponibilidad: El acero P91 tiene una mayor trayectoria de uso generalizado y suele estar disponible en más presentaciones (tubería, placa, forja). La disponibilidad del acero P92 depende del mercado regional y de la producción de la fábrica; los plazos de entrega pueden ser más largos, sobre todo para secciones grandes o formas especiales.

10. Resumen y recomendación

Atributo	P91	P92
Soldabilidad (práctica)	Buen manejo de los procedimientos estándar P91; menos exigente que P92.	Más exigente: una mayor templabilidad requiere un precalentamiento/PWHT más estricto y consumibles adecuados.
Resistencia-tenacidad a temperatura ambiente	Equilibrado: buena resistencia y fuerza adecuada	Mayor resistencia y resistencia a la fluencia, pero a menudo con una ductilidad/tenacidad ligeramente reducida si no se optimiza.
Rendimiento de fluencia a temperaturas elevadas	Excelente dentro del rango de diseño (típicamente hasta ~600–620 °C).	Resistencia superior a la fluencia a largo plazo a temperaturas más altas y mayor vida útil
Costo y disponibilidad	Más económico y ampliamente disponible	Mayor coste de materiales y procesamiento; la disponibilidad puede ser más limitada.

Conclusiones — elegir en función de las condiciones del servicio: - Elija P91 si: necesita un acero resistente a la fluencia, bien establecido y rentable para servicio a altas temperaturas dentro del rango de diseño convencional de P91, desea una fabricación y soldadura algo más fáciles y prioriza la disponibilidad y un menor costo de compra/fabricación. - Elija P92 si: la aplicación exige una resistencia a la fluencia superior a largo plazo a temperaturas de vapor elevadas (o intervalos de servicio prolongados), si la vida útil de diseño o las tensiones admisibles más elevadas justifican el mayor coste del material y del procesamiento, y si su capacidad de fabricación puede gestionar controles y cualificaciones de soldadura más estrictos.

Nota práctica final: Para ambos grados, el éxito en servicio depende menos de la denominación nominal y más de la correcta verificación de la composición química, los procedimientos de soldadura aprobados, el control estricto del tratamiento térmico/PWHT y el aseguramiento de la calidad (END, ensayos mecánicos y trazabilidad). Al pasar de P91 a P92, se prevén ajustes en las especificaciones del procedimiento de soldadura, la selección del material de aporte y, posiblemente, en los plazos de entrega y los costes de adquisición.