P91 vs X10CrMoVNb9-1 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Elegir entre P91 y X10CrMoVNb9-1 es un dilema común para ingenieros y equipos de compras que trabajan en sistemas de presión a alta temperatura, tuberías para centrales eléctricas y componentes del ciclo de vapor. Las decisiones suelen estar condicionadas por las normas y las restricciones de compra (ASME frente a EN), así como por las ventajas e inconvenientes de la resistencia a altas temperaturas, la soldabilidad y el coste del ciclo de vida.
Aunque ambos aceros son aceros ferríticos de baja aleación con un 9% de cromo, diseñados para servicio a altas temperaturas, la principal distinción práctica radica en sus sistemas de especificación normativa y las consiguientes expectativas en cuanto a tratamiento térmico, inspección y documentación, lo que puede afectar a los flujos de trabajo de adquisición, cualificación y fabricación.

1. Normas y designaciones

• P91
• Normas comunes: ASME/ASTM (por ejemplo, ASME SA-213 T91, ASME SA-335 P91), referencias API en algunos contextos.
• Clasificación: Acero ferrítico de baja aleación resistente al calor (a menudo incluido en los códigos de recipientes a presión y tuberías).
• X10CrMoVNb9-1
• Normas comunes: EN/ISO (por ejemplo, EN 10216-2 / 1.4903; a menudo referenciada en normas europeas y documentación conforme a PED).
• Clasificación: Acero ferrítico de baja aleación resistente al calor (designación EN para una familia 9%Cr – 1%Mo).

Categoría: ambos son aceros aleados destinados a aplicaciones de alta temperatura y resistentes a la fluencia (no aceros inoxidables en el sentido de resistencia a la corrosión).

2. Composición química y estrategia de aleación

La tabla siguiente muestra los rangos de composición típicos utilizados para especificaciones y adquisiciones. Los valores mostrados son rangos representativos de las fichas técnicas comunes y los límites normativos; los límites exactos dependen de la norma específica y del certificado del fabricante.

Elemento	P91 (rango típico, % en peso)	X10CrMoVNb9-1 (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	≤ 0,025 – 0,03	≤ 0,025 – 0,03
S	≤ 0,01 – 0,02	≤ 0,01 – 0,02
Cr	8.0 – 9.5	8,5 – 9,5
Ni	≤ 0,40	≤ 0,40
Mes	0,85 – 1,05	0,90 – 1,05
V	0,18 – 0,25	0,18 – 0,25
Nb (Ta)	0,06 – 0,12 (Nb)	0,06 – 0,12 (Nb)
Ti	≤ 0,02 (traza)	≤ 0,02 (traza)
B	≤ 0,001 (traza, si la hay)	≤ 0,001 (traza, si la hay)
norte	0,03 – 0,06 (típ.)	0,03 – 0,06 (típ.)

Cómo afecta la aleación al rendimiento: - El cromo y el molibdeno aumentan la resistencia a altas temperaturas, la resistencia a la fluencia y la templabilidad. - El vanadio y el niobio forman carburos/nitruros estables que refinan el tamaño del grano de austenita previo y estabilizan la microestructura martensítica, mejorando la resistencia a la fluencia. - El carbono controla la resistencia mediante la formación de martensita/martensita revenida, pero debe limitarse para equilibrar la soldabilidad. Los elementos minoritarios (Ti, B, N) controlan los precipitados y el crecimiento del grano; el nitrógeno se une al carbono y forma nitruros que influyen en la tenacidad.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: Ambas calidades están diseñadas para formar una microestructura martensítica revenida tras un proceso adecuado de austenización (normalización/templado) seguido de revenido. La matriz de martensita revenida con precipitados finos de carburo/nitruro (tipos M23C6, MX, M6C, según su composición química) proporciona resistencia a altas temperaturas y a la fluencia. - En el estado de soldadura, puede formarse martensita sin templar con picos de dureza y altas tensiones residuales, especialmente cerca de la ZAT (zona afectada por el calor) de la soldadura.

Efecto del procesamiento: - Normalización: disuelve los carburos gruesos y proporciona un tamaño de grano de austenita previa refinado; las temperaturas típicas de normalización para los aceros al 9% de Cr están en el rango de ~1000–1100 °C, pero las normas específicas prescriben valores exactos. - Temple y revenido (T&R): el temple produce martensita; el revenido controlado (por ejemplo, en un rango de 730–780 °C según el código y las propiedades requeridas) reduce la dureza, estabiliza los precipitados y produce la combinación deseada de resistencia y tenacidad. - Procesamiento termomecánico: el laminado controlado y el enfriamiento acelerado pueden producir estructuras de grano fino mejoradas y una tenacidad superior; ambos aceros se benefician de dicho procesamiento cuando se especifica. - Envejecimiento/fluencia a largo plazo: el engrosamiento de los precipitados durante la vida útil reduce la resistencia; los aceros tipo P91 están diseñados para proporcionar una vida útil de fluencia aceptable hasta límites de temperatura/tiempo definidos (a menudo hasta aproximadamente 600–620 °C de servicio con un diseño cuidadoso).

4. Propiedades mecánicas

Los valores que se muestran a continuación son rangos típicos especificados después de la normalización y el revenido estándar; las propiedades reales dependen del tratamiento térmico exacto, el espesor de la sección y la calificación del proveedor.

Propiedad	P91 (típico, temperatura ambiente)	X10CrMoVNb9-1 (típico, temperatura ambiente)
Resistencia a la tracción (MPa)	~550 – 700	~550 – 700
Límite elástico (0,2% de prueba, MPa)	~400 – 600	~400 – 600
Alargamiento (% total)	~12 – 20	~12 – 20
Resistencia al impacto (Charpy V, J, RT)	Normalmente ≥ 40 J (depende de las especificaciones/tratamiento térmico)	Normalmente ≥ 40 J (depende de las especificaciones/tratamiento térmico)
Dureza (HB)	~170 – 260 HB	~170 – 260 HB

Interpretación: Ambos grados presentan resistencias a la tracción y a la fluencia muy similares a temperatura ambiente cuando se procesan bajo las mismas condiciones de revenido; las pequeñas diferencias surgen de las tolerancias de composición permitidas y los tratamientos térmicos específicos. La tenacidad se controla mediante el refinamiento del grano, la temperatura de revenido y el control de la microaleación; ambos aceros pueden cumplir requisitos de impacto comparables cuando se producen según la norma ASME o EN correspondiente. En resumen, ninguno de los dos grados es categóricamente más fuerte en todas las condiciones; el equilibrio entre resistencia y tenacidad se logra especificando las condiciones de revenido y los requisitos de ensayo en la norma aplicable.

5. Soldabilidad

La soldabilidad es un factor diferenciador práctico fundamental, ya que estos aceros de bajo carbono y alta aleación son altamente endurecibles.

Fórmulas relevantes para la evaluación cualitativa: - Equivalente de carbono (IIW) para una comprensión general de la soldabilidad: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Ito-Bessyo) como índice más conservador de susceptibilidad al agrietamiento por frío: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - Tanto el P91 como el X10CrMoVNb9-1 tienen un contenido moderado de carbono y adiciones significativas de Cr/Mo/V/Nb, lo que aumenta $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ en relación con los aceros al carbono simples; esto indica una mayor templabilidad y una mayor tendencia a la formación de martensita en la ZAT y riesgo de agrietamiento en frío si no se controla la soldadura. Las recomendaciones de soldadura para ambos aceros suelen incluir precalentamiento, control de la temperatura entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) obligatorio para templar la martensita de la zona afectada por el calor (ZAC) y aliviar las tensiones residuales. Las temperaturas de PWHT suelen oscilar entre 730 y 780 °C, dependiendo del espesor y la normativa. Diferencias prácticas: las diferencias son principalmente de procedimiento; por ejemplo, las cualificaciones de los procedimientos de soldadura ASME P91 y los criterios de aceptación del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) pueden diferir en su redacción de las especificaciones X10CrMoVNb9-1 basadas en EN. En la práctica, los procedimientos de soldadura deben cualificarse según la norma y la forma del producto aplicables.

6. Corrosión y protección de superficies

• Comportamiento ante la corrosión: Ambos materiales son aceros ferríticos de baja aleación con aproximadamente un 9 % de cromo, pero no son aceros inoxidables en el sentido de resistencia pasiva a la corrosión acuosa. No ofrecen la misma resistencia a la corrosión que los aceros inoxidables y se corroerán en ambientes húmedos a menos que estén protegidos.
• Las estrategias de protección típicas incluyen recubrimientos protectores (sistemas de pintura), revestimientos internos, ambiente controlado o protección catódica, según el servicio. El galvanizado es posible para algunos tipos de productos, pero es menos común en tuberías de alta temperatura donde la formación de incrustaciones y la estabilidad del recubrimiento son factores importantes.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros ferríticos resistentes al calor en el sentido del acero inoxidable, pero la fórmula para la evaluación de la resistencia a la corrosión por picaduras es: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Para estos aceros, el PREN no es significativo para la selección de corrosión porque su resistencia a la corrosión está determinada por la aleación, la condición de la superficie y el entorno operativo, en lugar de la estabilidad de la película pasiva.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: la dureza del revenido y la microestructura influyen en la maquinabilidad. Ambos grados son más difíciles de mecanizar que los aceros de bajo carbono; es necesario ajustar las herramientas, las velocidades de corte y los avances. En ocasiones, se utilizan tratamientos térmicos de preablandamiento para el mecanizado de alta resistencia.
• Conformado en frío: el conformado en frío está limitado por la baja ductilidad en comparación con los aceros dulces; los radios de curvatura deben ser mayores y a menudo se realiza después de un recocido intermedio o mediante técnicas de conformado en caliente. El conformado en caliente y el enfriamiento controlado pueden utilizarse para formas complejas.
• Acabado superficial: el rectificado y la preparación de la superficie deben tener en cuenta los precipitados duros; a menudo se requiere pulido e inspección de los componentes sensibles a la fatiga.

8. Aplicaciones típicas

P91	X10CrMoVNb9-1
Colectores de vapor, tubos de sobrecalentador y recalentador en centrales eléctricas de combustibles fósiles y de ciclo combinado (sistemas especificados por ASME)	Tubos de calderas, tuberías y colectores en centrales eléctricas y sistemas de recuperación de calor europeos (sistemas especificados según la norma EN).
Tuberías y recipientes a presión de alta temperatura sometidos a fluencia de hasta ~600 °C	Tuberías y recipientes a presión de alta temperatura para rangos de temperatura similares bajo la jurisdicción EN/PED.
Componentes que requieren trazabilidad y calificación de materiales ASME (proyectos estadounidenses/internacionales que especifican ASME)	Componentes que requieren conformidad con la norma EN o documentación de la cadena de suministro europea
Carcasas de turbinas, rotores y componentes críticos reparados mediante soldadura donde se utilizan procedimientos de soldadura ASME	Componentes de turbinas y calderas donde se especifican los flujos de trabajo de soldadura e inspección EN

Justificación de la selección: Utilice cualquiera de las dos calidades cuando las temperaturas de diseño y los requisitos de fluencia se ajusten a la familia 9Cr–1Mo. La elección se basará en la normativa vigente y el régimen de cualificación/inspección requerido. La metalurgia y el ámbito de aplicación son muy similares; el factor decisivo suele ser el cumplimiento de las normas, la capacidad del proveedor y las reglas de contratación del proyecto.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: El coste de las materias primas de P91 y X10CrMoVNb9-1 es similar debido a la comparabilidad de sus composiciones químicas; sin embargo, los costes de adquisición varían según la región. El P91 puede tener un precio superior en regiones con menor número de acerías certificadas por ASME, mientras que el X10CrMoVNb9-1 puede resultar más económico en Europa, donde abundan las acerías con certificación EN.
• Disponibilidad: Ambos grados están ampliamente disponibles para formas de producto comunes (tuberías, tubos, forjados, placas), pero las formas, tamaños y estados de tratamiento térmico específicos pueden tener plazos de entrega. Los artículos con plazos de entrega largos y los componentes de pared gruesa requieren programación de la planta y documentación de control de calidad; especifique las condiciones de entrega requeridas (normalizado y templado) y adjunte los certificados de prueba para evitar retrasos.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa)

Métrico	P91	X10CrMoVNb9-1
Soldabilidad (relativa)	Requiere precalentamiento controlado/PWHT; similar a la norma EN equivalente.	Requiere precalentamiento controlado/tratamiento térmico posterior a la soldadura; similar al equivalente ASME.
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Resistencia a altas temperaturas y tenacidad de martensita revenida cuando se somete a un tratamiento térmico adecuado.	Resistencia a altas temperaturas y tenacidad de martensita revenida cuando se somete a un tratamiento térmico adecuado.
Costes y Adquisiciones	Competitivo; puede ser preferible donde se requiera el código ASME.	Competitivo; puede ser preferible cuando se requiere documentación EN/PED

Recomendaciones finales: Elija P91 si su proyecto se rige por los códigos ASME/ASTM o si requiere certificados de materiales y procedimientos de soldadura con calificación ASME, comunes en proyectos estadounidenses e internacionales. Las referencias a P91 en las adquisiciones y la calificación de soldadura suelen simplificar el cumplimiento de las especificaciones basadas en ASME. Elija X10CrMoVNb9-1 si el proyecto se rige por las normas europeas (EN), la Directiva de Equipos a Presión (PED) o si se abastece de fábricas europeas donde las formas, la documentación y los regímenes de inspección de productos EN son estándar. Esto agilizará las adquisiciones y reducirá los costes de cualificación en proyectos centrados en la norma EN.

Nota práctica final: Metalúrgicamente, ambos aceros pertenecen a la misma familia 9Cr–1Mo–V–Nb y ofrecen un rendimiento comparable cuando se someten a tratamiento térmico y se inspeccionan según el código correspondiente. El factor decisivo en la mayoría de las decisiones de compra es el sistema de especificaciones (ASME o EN), la trazabilidad y las cualificaciones de soldadura requeridas, así como la disponibilidad de la cadena de suministro para la forma del producto y las condiciones de tratamiento térmico específicas.