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

Introducción

Los ingenieros y profesionales de compras que seleccionan aceros para aplicaciones de energía y procesos a alta temperatura deben equilibrar la resistencia, la resistencia a la fluencia, la soldabilidad y el costo del ciclo de vida. El P91 y el P92 son dos aceros resistentes al calor con un 9 % de cromo, ampliamente utilizados y desarrollados para sistemas de tuberías de alta presión y generación de vapor; la decisión entre ellos suele implicar un equilibrio entre el rendimiento a largo plazo a altas temperaturas y el costo de fabricación e inspección.

La principal diferencia metalúrgica radica en que el P92 evoluciona la clásica familia 9Cr-1Mo al modificar parte de la estrategia de refuerzo, empleando un refuerzo refractario más pesado (tungsteno y microaleación optimizada), lo que mejora la resistencia a la fluencia a altas temperaturas. Debido a este cambio en la aleación, el P92 generalmente ofrece mayor resistencia a largo plazo y mejor comportamiento ante la fluencia, a costa de requerir procesos de soldadura y fabricación ligeramente más exigentes que el P91.

1. Normas y designaciones

• Normas y especificaciones comunes en las que aparecen P91 y P92:
• ASME/ASTM: típicamente como P91 y P92 en SA-335 (tubería de acero aleado ferrítico sin costura) y códigos relacionados de calderas/tuberías.
• ES: estos aceros están disponibles bajo designaciones europeas en equivalentes EN y normas de producto detalladas para tubos y accesorios.
• GB (China): ampliamente producido bajo los grados GB/T correspondientes para aceros resistentes al calor.
• JIS: Las normas japonesas a veces hacen referencia a aceros 9Cr equivalentes para servicio a alta temperatura.
• Clasificación: tanto el P91 como el P92 son aceros ferrítico-martensíticos de baja aleación y resistentes al calor (no son ni aceros inoxidables ni aceros para herramientas). Se clasifican mejor como aceros aleados de alta resistencia y resistentes a la fluencia (tipo HSLA para servicio a altas temperaturas).

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla muestra rangos de composición típicos (aproximados, redondeados para reflejar las especificaciones comunes y la práctica industrial). Los rangos admisibles exactos se definen en la norma de material aplicable o en la ficha técnica del proveedor.

Elemento	P91 (rangos típicos, % en peso)	P92 (rangos típicos, % en peso)
do	0,08–0,12	0,08–0,12
Minnesota	0,3–0,6	0,2–0,6
Si	0,2–0,5	0,2–0,6
PAG	≤0,02	≤0,02
S	≤0.01	≤0.01
Cr	8.0–9.5	8.5–9.5
Ni	≤0.40	≤0.40
Mes	~0,85–1,05	~0,4–0,7
W	trazar a 0.5	~1,7–2,5
V	0,18–0,25	0,18–0,25
Nb (Cb)	0,06–0,12	0,06–0,12
Ti	≤0,02	≤0,02
B	niveles de ppm muy bajos	niveles de ppm muy bajos
norte	0,02–0,07	0,03–0,07

Notas: El acero P92 reduce el contenido total de molibdeno e introduce tungsteno (W) de forma intencionada para aumentar el endurecimiento por solución sólida y precipitación a altas temperaturas. La microaleación con vanadio (V) y niobio (Nb) se mantiene y optimiza en ambos grados para estabilizar los precipitados finos de carburo/nitruro que controlan la fluencia. - El boro en niveles de partes por millón se usa a menudo para mejorar la templabilidad; el nitrógeno se controla para estabilizar los carburos/nitruros e influir en el comportamiento de revenido. - Estos rangos son indicativos; confirme siempre con los certificados de fábrica y los requisitos del código pertinente.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El cromo proporciona resistencia a la oxidación y estabilidad de la matriz a temperaturas elevadas. - El Mo y el W son clave para el fortalecimiento por solución sólida y para la formación de carburos/precipitados complejos estables que retardan la fluencia; reemplazar parte del Mo con W desplaza el equilibrio temperatura-resistencia a favor de un mejor comportamiento a largo plazo frente a la fluencia. - El V y el Nb forman precipitados finos de MX (carbonitruro) que fijan las dislocaciones y los límites de grano, lo que mejora la resistencia a la fluencia y controla la fragilización por revenido cuando está adecuadamente equilibrado. - El carbono controla la dureza y la resistencia, pero aumenta la templabilidad y la susceptibilidad a la formación de martensita; por lo tanto, se requiere un control estricto y un tratamiento térmico adecuado.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: Ambos grados se producen con una microestructura martensítica/ferrítica revenida tras un tratamiento térmico de normalización y revenido. La estructura normalizada consiste en paquetes de láminas de martensita con límites de grano de austenita previa; el revenido produce martensita revenida con diversos carburos y carbonitruros (M23C6, precipitados tipo MX). - La microestructura P92 tiende a exhibir una mayor estabilidad de los precipitados a temperatura de servicio debido a los carburos que contienen W y a una distribución refinada de carbonitruros de Nb/V (diseñada para resistir el engrosamiento).

Rutas de tratamiento térmico: - Normalización: calentamiento a una temperatura de austenización para disolver los carburos de aleación, seguido de enfriamiento al aire para formar martensita; las temperaturas típicas están establecidas por código/especificación y deben respetarse para el control dimensional y las propiedades metalúrgicas. - El temple no es habitual; estos aceros se normalizan y luego se revenen, en lugar de endurecerse mediante temple en el sentido utilizado para los aceros para herramientas. - Revenido: se realiza para reducir la fragilidad, aliviar tensiones y precipitar carburos que refuerzan el material. La temperatura y el tiempo de revenido influyen significativamente en la resistencia a la fluencia, la tenacidad y la dureza. - Procesamiento termomecánico: algunas formas de productos (placas, forjados) se benefician del laminado controlado y el enfriamiento acelerado para refinar el tamaño del grano de austenita previo y distribuir los precipitados de manera más uniforme.

Diferencias en los efectos: Los precipitados que contienen tungsteno del P92 y su equilibrio Nb/V ligeramente diferente reducen el engrosamiento de los precipitados a temperaturas de servicio, lo que resulta en una resistencia a la fluencia a largo plazo superior en comparación con el P91. Es necesario seleccionar y controlar las ventanas de revenido y los ciclos de tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para evitar un revenido excesivo o insuficiente en ambos grados.

4. Propiedades mecánicas

Tabla — rangos cualitativos y típicos (después de la normalización y el revenido adecuados; los valores específicos dependen del tratamiento térmico exacto y de los requisitos del código):

Propiedad	P91 (típico)	P92 (típico)
Resistencia a la tracción (Rm)	~600–750 MPa (temperatura ambiente, típica)	~650–800 MPa (temperatura ambiente, típica)
Límite elástico (Rp0.2)	~415–520 MPa	~480–560 MPa
Alargamiento (A%)	~18–25%	~15–25% (ductilidad similar)
Resistencia al impacto (prueba Charpy con muesca en V)	De moderado a bueno (depende del templado)	Bueno, comparable pero sensible al tratamiento térmico.
Dureza (HRC/HBW)	Normalmente, entre 180 y 250 HB	Normalmente, entre 190 y 260 HB

Interpretación: - El P92 está diseñado generalmente para proporcionar una mayor resistencia a la tracción y a la fluencia, especialmente a temperaturas elevadas y tiempos de exposición prolongados. - La ductilidad y la tenacidad al impacto pueden ser similares a temperatura ambiente cuando se aplica un tratamiento térmico adecuado, pero ambos grados requieren un revenido cuidadoso para mantener la tenacidad requerida, particularmente en las soldaduras. La dureza es comparable; las diferencias vienen determinadas por la temperatura de revenido y la microestructura final.

5. Soldabilidad

Consideraciones sobre la soldabilidad: - Tanto el P91 como el P92 son soldables, pero requieren precalentamiento controlado, límites de temperatura entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) obligatorio para templar la soldadura martensítica y la zona afectada por el calor (ZAC). - Un mayor contenido de aleación y una mayor templabilidad hacen que ambos materiales sean susceptibles al endurecimiento por calor y al agrietamiento en frío si no se controlan los procedimientos de soldadura.

Fórmulas útiles (solo interpretación cualitativa): - Equivalente de carbono (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Un valor más alto de $CE_{IIW}$ indica una mayor templabilidad y un mayor riesgo de martensita y agrietamiento en la ZAT; tanto el P91 como el P92 producen valores relativamente elevados en comparación con los aceros de baja aleación. - Pcm (parámetro de soldabilidad):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ ayuda a evaluar la susceptibilidad al agrietamiento en frío; los elementos de microaleación y el boro en P91/P92 pueden elevar el índice.

Implicaciones prácticas: - El mayor contenido de tungsteno (y el ajuste de Mo) del P92 aumenta ligeramente la templabilidad en comparación con el P91, por lo que los controles de soldadura tienden a ser más críticos (mayor precalentamiento, perfiles cuidadosos entre pasadas y de tratamiento térmico posterior a la soldadura, uso de metales de aporte compatibles). Se requiere el uso de metales de aporte compatibles o de mayor aleación, un estricto control del hidrógeno y procedimientos de soldadura cualificados. El tratamiento térmico posterior a la soldadura es esencial para lograr las propiedades mecánicas requeridas y reducir las tensiones residuales y la dureza martensítica. - La reparación de soldaduras y la soldadura multipaso requieren una atención especial a los ciclos de temperatura/tiempo del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) especificados en el código o en el procedimiento de soldadura del fabricante.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el P91 ni el P92 son aceros inoxidables; dependen del contenido de Cr (~9%) para mejorar la resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas en lugar de la resistencia a la corrosión en ambientes húmedos o clorados.
• Para exposiciones atmosféricas, acuosas o químicamente agresivas en general, se aplican las prácticas estándar de protección de superficies: se pueden utilizar recubrimientos, pinturas, proyección térmica o galvanizado cuando sea apropiado (pero el galvanizado en componentes de servicio a alta temperatura no es típico).
• El PREN ( número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras ) no es relevante para estos aceros ferríticos resistentes al calor no inoxidables; a modo de referencia, el PREN se calcula como:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ pero este índice se aplica a la selección de aleaciones de acero inoxidable y no caracteriza de manera significativa a P91/P92.

Orientación práctica: - Para la oxidación a largo plazo en el lado del vapor y la corrosión en el lado del fuego en calderas y sobrecalentadores, la selección del material (P91 vs P92) debe estar determinada por la temperatura de funcionamiento y el comportamiento esperado de depósito/oxidación, aplicándose recubrimientos y controles de la química del agua según sea necesario.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: ambos grados son más difíciles de mecanizar que los aceros de baja aleación debido a su mayor resistencia y templabilidad; el P92 puede ser ligeramente más complejo debido a su contenido de tungsteno y la estabilidad de los carburos asociada. Utilice herramientas afiladas, configuraciones rígidas y parámetros de corte ajustados.
• Conformabilidad/doblado: el conformado en frío es limitado; generalmente se realiza sobre piezas normalizadas o recocidas, siempre que sea posible. Los radios y métodos de doblado deben seguir las indicaciones del fabricante y contemplar el tratamiento térmico posterior.
• Las operaciones de rectificado, taladrado y acabado requieren atención a la generación de calor para evitar el revenido o el endurecimiento por deformación de la superficie.
• La fabricación mediante soldadura requiere procedimientos cualificados y personal familiarizado con los requisitos del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).

8. Aplicaciones típicas

P91 — Usos típicos	P92 — Usos típicos
Tuberías principales de vapor, colectores, tubos del sobrecalentador, secciones del recalentador en plantas convencionales y subcríticas (rangos de servicio de hasta ~600–620 °C según la vida útil de diseño).	Tuberías para calderas y turbinas de alta presión y ultra-supercríticas, tubos avanzados para sobrecalentadores/recalentadores, componentes donde se necesita una mayor resistencia a la fluencia para un servicio más prolongado o temperaturas más altas (típicamente del extremo superior de la familia 9Cr).
Tubos y accesorios de calderas en centrales eléctricas de combustibles fósiles	Componentes de sección gruesa o aquellos que requieren una mayor resistencia a la rotura a largo plazo y menores tasas de fluencia.
Recipientes a presión de paredes gruesas donde se acepta un comportamiento del material bien conocido y sujeto a restricciones de costos.	Plantas de nueva construcción o modernizaciones donde una vida útil prolongada a temperaturas más altas del metal justifica un mayor costo de materiales y fabricación

Justificación de la selección: - Elegir en función de la temperatura de diseño requerida, la vida útil requerida a la rotura por fluencia, el espesor (W aumenta la resistencia en secciones más gruesas) y la estrategia de soldadura/fabricación aceptable.

9. Costo y disponibilidad

• El P92 suele ser más caro que el P91 debido al tungsteno adicional y a los controles de fabricación; también puede tener plazos de entrega más largos y una disponibilidad más limitada en ciertas formas o tamaños de producto.
• El P91 está ampliamente disponible en todo el mundo en tubos, accesorios, placas y piezas forjadas, y a menudo representa la base para los componentes aprobados por el código.
• La disponibilidad varía según los ciclos del mercado, las capacidades de la planta de fabricación y la región geográfica; el departamento de compras debe confirmar los plazos de entrega para tubos sin soldadura frente a tubos soldados, piezas forjadas y accesorios.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Atributo	P91	P92
Soldabilidad (complejidad del procedimiento)	Bien — se requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura estándar	Más exigente: mayor resistencia al desgaste, control más estricto
Resistencia-Tenacidad (temperatura ambiente)	Fuerte, buena resistencia	Mayor resistencia, tenacidad comparable si se trata adecuadamente.
Resistencia a la fluencia (a largo plazo, alta temperatura)	Buen estado dentro de los límites de servicio típicos	Mejor resistencia a la fluencia a largo plazo a temperaturas más altas
Coste y disponibilidad	Menor costo, mayor disponibilidad	Mayor costo, suministro más restringido en algunas formas

Recomendaciones: - Elija P91 si: - La aplicación se encuentra dentro de los rangos de temperaturas de servicio y vida útil de diseño convencionales para el acero 9Cr–1Mo. La velocidad de fabricación, el coste y una mayor disponibilidad son prioritarios. - Se prefiere experiencia comprobada en códigos y procedimientos de soldadura existentes.

• Elija P92 si:
• El diseño requiere una mayor resistencia a la fluencia a largo plazo, un funcionamiento en el extremo superior de las capacidades de temperatura del acero 9Cr o una mayor vida útil garantizada bajo vapor/presión.
• El proyecto puede adaptarse a controles de soldadura más estrictos, un mayor coste de materiales y plazos de entrega potencialmente más largos.
• Un mejor rendimiento en secciones gruesas o en regímenes de fluencia agresivos a altas temperaturas es un factor decisivo.

Nota final: La selección de materiales siempre debe basarse en datos de fluencia-rotura específicos del proyecto, registros de calificación de procedimientos de soldadura, programas de tratamiento térmico adecuados y la consulta con proveedores y fabricantes de materiales. Confirme la composición exacta y las propiedades garantizadas en el certificado de ensayo de fábrica y siga las prescripciones de los códigos (ASME/EN/GB/JIS) para el diseño, la soldadura y la inspección.