SA213 T11 vs T22 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros SA213 T11 y SA213 T22 son dos aceros de baja aleación al cromo-molibdeno ampliamente utilizados en tubos de calderas, sobrecalentadores e intercambiadores de calor. Los ingenieros y profesionales de compras suelen sopesar las ventajas y desventajas entre el costo inicial del material, la facilidad de fabricación y soldadura, y la resistencia a altas temperaturas en servicio (resistencia a la fluencia). En muchos proyectos, la decisión se reduce a si el mayor contenido de aleación y la capacidad para altas temperaturas del T22 justifican su mayor costo y los controles de soldadura y tratamiento térmico ligeramente más exigentes en comparación con el T11.
La principal distinción técnica es que el T22 está aleado para proporcionar una resistencia y resistencia a la fluencia sustancialmente mejores a temperaturas elevadas que el T11; el T11 se elige normalmente cuando una buena ductilidad, una soldabilidad más fácil y un menor costo son prioridades para temperaturas de servicio bajas a moderadas.
1. Normas y designaciones
- Estándares principales:
- ASTM/ASME: SA213 (tubos para servicio a alta temperatura), A335 (tuberías) — T11 y T22 corresponden a grados de Cr-Mo comúnmente alineados con P11 y P22 en las especificaciones de tuberías.
- EN / DIN: Los grados comparables son los miembros de la familia 13CrMo44/14MoV6‑3, pero las referencias cruzadas directas requieren precaución.
- JIS / GB: Las normas nacionales tienen series Cr–Mo similares, pero verifique las designaciones exactas y las tablas de propiedades para la sustitución.
- Clasificación:
- Los aceros SA213 T11 y T22 son aceros ferríticos de baja aleación (acero aleado) diseñados para servicio a alta temperatura; no son aceros inoxidables ni HSLA en el sentido típico (su aleación está orientada a la resistencia a altas temperaturas y a la fluencia en lugar de la resistencia a la corrosión solamente).
2. Composición química y estrategia de aleación
La tabla siguiente muestra los rangos de composición típicos (porcentaje en peso) que se encuentran en la práctica industrial y según los rangos ASME/ASTM de uso común. Los límites exactos dependen del molino y la versión estándar específicos; consulte siempre la especificación del material que rige la compra o el diseño.
| Elemento | T11 típico (aprox. % en peso) | T22 típico (aprox. % en peso) |
|---|---|---|
| do | 0,05 – 0,15 | 0,05 – 0,15 |
| Minnesota | 0,30 – 0,65 | 0,30 – 0,60 |
| Si | 0,10 – 0,50 | 0,10 – 0,50 |
| PAG | ≤ 0,035 | ≤ 0,035 |
| S | ≤ 0,035 | ≤ 0,035 |
| Cr | ~0,9 – 1,4 (nominal ~1,0–1,25) | ~2,0 – 2,5 (nominal ~2,25) |
| Ni | ≤ 0,40 (traza) | ≤ 0,40 (traza) |
| Mes | ~0,44 – 0,65 (nominal ~0,5) | ~0,85 – 1,06 (nominal ~1,0) |
| V | traza / opcional | traza / opcional |
| Nb (Cb) | traza / no especificado | traza / no especificado |
| Ti | rastro | rastro |
| B | rastro | rastro |
| norte | rastro | rastro |
Cómo afecta la aleación al rendimiento: - El cromo aumenta la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas y promueve la formación de carburos estables que mejoran la resistencia a la fluencia. - El molibdeno mejora la resistencia a la fluencia y la resistencia al ablandamiento por temperatura al estabilizar los carburos y dificultar la difusión. El carbono y el manganeso controlan la resistencia básica y la templabilidad; un mayor contenido de carbono aumenta la resistencia pero reduce la soldabilidad y la tenacidad. - El silicio es un desoxidante y proporciona una resistencia y resistencia a la oxidación moderadas. - Las adiciones de microaleación en trazas (V, Nb, Ti) pueden influir en el tamaño del grano, el fortalecimiento por precipitación y la tenacidad al impacto, pero estas suelen ser menores en las composiciones estándar T11/T22.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructuras típicas: En su estado de entrega (normalizado y revenido), tanto T11 como T22 presentan microestructuras de martensita revenida/bainítica revenida con una dispersión de carburos de aleación (ricos en Cr y Mo). El tamaño de grano y la distribución de carburos están controlados por la temperatura de normalización y el régimen de revenido. - El T22, con mayor contenido de Cr y Mo, tiende a formar una mayor fracción de carburos de aleación estables y una microestructura que resiste mejor el engrosamiento a temperaturas elevadas que el T11.
Efectos del tratamiento térmico: - La normalización (enfriamiento al aire desde una temperatura superior al rango crítico) refina el tamaño del grano de austenita previo y disuelve los carburos; seguida del revenido para desarrollar el equilibrio deseado entre tenacidad y resistencia. - El temple y el revenido controlan la tenacidad a temperatura ambiente frente a la resistencia, pero son menos comunes para los productos tubulares laminados destinados al servicio; la práctica estándar es la normalización y el revenido adecuados a la forma del producto. - Para ambos grados, el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) se utiliza comúnmente para templar la ZAT de soldadura y reducir las tensiones residuales y la dureza; el T22 normalmente requiere un control más estricto (temperatura mínima de PWHT, tiempo de mantenimiento) para cumplir con el rendimiento de fluencia. - El procesamiento termomecánico controlado (TMCP) puede utilizarse para refinar el tamaño del grano y mejorar la tenacidad en secciones gruesas, pero para tubos las variables dominantes son los ciclos de normalización y revenido.
4. Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas que se muestran a continuación son rangos indicativos para tubos normalizados y templados, y dependen en gran medida del espesor de la pared, el tratamiento térmico específico y el acabado. Utilice las tablas de códigos correspondientes para el diseño.
| Propiedad | T11 típico (normalizado y templado) | T22 típico (normalizado y templado) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (MPa) | ~420 – 560 MPa | ~450 – 620 MPa |
| Límite elástico (0,2% de deformación, MPa) | ~240 – 360 MPa | ~300 – 420 MPa |
| Alargamiento (%) | ~20 – 25% | ~18 – 22% |
| Resistencia al impacto (Charpy V, temperatura ambiente) | Moderado; depende del tratamiento térmico. | Moderado; a menudo ligeramente inferior a T11 si el carbono/templabilidad son mayores. |
| Dureza (HB) | ~150 – 220 HB | ~160 – 240 HB |
Interpretación: - El T22 generalmente ofrece mayor límite elástico y resistencia a la tracción, especialmente a temperaturas elevadas, debido al mayor contenido de Cr y Mo que mejora la resistencia a la fluencia. - El T11 puede proporcionar una ductilidad ligeramente mejor y puede ser más fácil cumplir con los requisitos de tenacidad para algunas geometrías, debido a su menor contenido de aleación y menor templabilidad. - La diferencia de tenacidad a temperatura ambiente es modesta en materiales procesados adecuadamente; la principal ventaja de servicio para T22 es la retención de resistencia a temperatura (resistencia a la fluencia).
5. Soldabilidad
Las consideraciones sobre la soldabilidad giran en torno al contenido de carbono, la templabilidad general (Cr + Mo + otras aleaciones) y la necesidad de precalentamiento/tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).
- La dureza y la formación de martensita en las zonas afectadas por el calor aumentan con una mayor aleación y templabilidad; por lo tanto, el mayor contenido de Cr y Mo del T22 incrementa el riesgo de endurecimiento de la ZAT y de agrietamiento en frío inducido por hidrógeno si los controles de soldadura son inadecuados.
- Índices comunes de soldabilidad útiles para la interpretación cualitativa:
- Equivalente de carbono (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (índice más conservador):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Interpretación (cualitativa): Un CE o Pcm más alto implica mayor precalentamiento, enfriamiento más lento y, a menudo, tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) obligatorio para evitar microestructuras frágiles en la zona afectada por el calor (ZAC). El acero T22 suele tener un CE mayor que el T11 con el mismo contenido de carbono, lo que indica procedimientos de soldadura más estrictos.
- Práctica recomendada: controlar el hidrógeno en los consumibles de soldadura, aplicar un precalentamiento adecuado y realizar el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) según el código y las hojas de datos del material; normalmente se especifica un PWHT más estricto para el T22 para cumplir con los requisitos de rendimiento de fluencia y tenacidad.
6. Corrosión y protección de superficies
- Tanto el T11 como el T22 son aceros de aleación no inoxidables y no proporcionan una resistencia significativa a la corrosión húmeda o a ambientes agresivos únicamente por su composición química.
- Protecciones típicas: pintura, imprimaciones, recubrimientos de alta temperatura o recubrimientos metalúrgicos, según corresponda. Para servicio en exteriores/atmosférico, se puede utilizar el galvanizado en algunos componentes, pero es poco común en tuberías de alta temperatura.
- Para la oxidación a alta temperatura (vapor/horno), se forman capas de óxido superficiales; la aleación (Cr) mejora la adhesión de las capas y la resistencia a la oxidación a alta temperatura; en este caso, el T22 se beneficia de un mayor contenido de Cr.
- Los índices de corrosión del acero inoxidable, como el PREN, no son aplicables a estos aceros de baja aleación: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice está destinado a aceros inoxidables y no describe de forma significativa el comportamiento ante la corrosión de los aceros ferríticos Cr-Mo.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad: Ambos grados se mecanizan razonablemente bien cuando están normalizados y templados; el T22 puede ser ligeramente más difícil debido a su mayor contenido de aleación y a las dispersiones de carburo más fuertes.
- Conformabilidad y doblado en frío: El T11 de menor aleación es generalmente más tolerante en las operaciones de doblado y conformado; el T22 puede requerir un control más estricto de los radios de curvatura o un conformado a temperatura elevada para evitar el agrietamiento en secciones más gruesas.
- Acabado superficial: El rectificado, el pulido y las pruebas no destructivas son estándar; para la soldadura y la fabricación, los controles de taller para el hidrógeno y el PWHT se aplican con mayor frecuencia al T22.
8. Aplicaciones típicas
| SA213 T11 – Usos típicos | SA213 T22 – Usos típicos |
|---|---|
| Tubería económica para sobrecalentadores y recalentadores en circuitos de vapor de baja temperatura, calentadores de agua de alimentación y tubos de calderas en general donde se requiere una resistencia térmica moderada. | Tubos de sobrecalentadores, tuberías de vapor y colectores en centrales eléctricas, tuberías de procesos petroquímicos de alta temperatura y componentes donde se requiere mayor resistencia a la fluencia y mayor vida útil a temperaturas elevadas |
| Tubos económicos para intercambiadores de calor a temperaturas moderadas | Componentes y tuberías críticos sometidos a alta presión y temperatura que requieren tensiones admisibles más elevadas a temperatura |
| Piezas de repuesto en sistemas diseñados originalmente para un servicio con 1–1,25 % de Cr donde la soldabilidad y el control de costes son importantes | Se desean nuevos diseños en los que se requiera una vida útil prolongada, una mayor tensión admisible a temperatura ambiente o un menor espesor de pared para ahorrar peso y espacio. |
Justificación de la selección: - Elija T11 cuando las temperaturas y tensiones de servicio sean moderadas y cuando sean prioritarias un menor coste, una fabricación más sencilla y controles de soldadura/PWHT más simples. - Elija T22 cuando se requiera una mayor resistencia a la fluencia y estabilidad a la oxidación/incrustaciones a temperaturas elevadas y cuando una mayor vida útil o una mayor tensión admisible a temperatura justifiquen un mayor costo del material y controles de fabricación más estrictos.
9. Costo y disponibilidad
- Costo: El T22 suele costar más que el T11 debido a su mayor contenido de Cr y Mo; el Mo es particularmente caro y contribuye desproporcionadamente al precio.
- Disponibilidad: Ambos grados están ampliamente disponibles en forma de tubos y tuberías, pero los plazos de entrega y la volatilidad de los precios pueden depender de la demanda de aleación (disponibilidad de molibdeno). Los principales proveedores suelen tener en stock tamaños de tubo estándar y espesores de pared comunes; los tamaños especiales pueden tener plazos de entrega más largos.
- Formatos de producto: son comunes los tubos sin soldadura y soldados, tuberías, accesorios y bridas; la disponibilidad en placas y forjados varía según la demanda del mercado.
10. Resumen y recomendación
| Atributo | SA213 T11 | SA213 T22 |
|---|---|---|
| soldabilidad | Mejor (menor templabilidad) | Más exigente (mayor endurecimiento; tratamiento térmico posterior a la soldadura más estricto) |
| equilibrio entre fuerza y resistencia | Ideal para temperatura ambiente y moderada. | Resistencia superior a altas temperaturas / resistencia a la fluencia |
| Costo | Más bajo | Más alto |
Conclusiones: - Elija SA213 T11 si: su diseño opera a temperaturas de vapor o de proceso moderadas donde no se requiere una resistencia a la fluencia excepcional, prioriza un menor costo del material, controles de soldadura y fabricación más simples, y necesita buena ductilidad y tenacidad en servicio. - Elija SA213 T22 si: la aplicación implica temperaturas de vapor más altas o tensiones sostenidas donde la resistencia a la fluencia y la resistencia retenida a la temperatura son críticas, acepta un mayor costo del material y procedimientos de soldadura/PWHT más estrictos, y necesita una vida útil más larga o tensiones admisibles más altas a la temperatura.
Recomendación final: base la selección en la temperatura y tensión máximas de operación del proyecto (requisitos de vida útil por fluencia), la capacidad del procedimiento de soldadura (precalentamiento/tratamiento térmico posterior a la soldadura) y el análisis del costo del ciclo de vida. En caso de duda, consulte las tablas de materiales ASME/ASTM aplicables y realice una revisión del diseño que incluya las tensiones admisibles a la temperatura de servicio prevista y las cualificaciones del procedimiento de soldadura.