SA213 T22 vs T91 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros aleados SA213 T22 y T91 son dos grados de tubos ampliamente utilizados en la generación de energía, la industria petroquímica y los servicios industriales de alta temperatura. Los ingenieros y los profesionales de compras a menudo se enfrentan al dilema de elegir entre ambos: equilibrar la resistencia a altas temperaturas y el comportamiento a la fluencia a largo plazo con la soldabilidad, el costo y la facilidad de fabricación. Las decisiones se toman típicamente en contextos como la selección de materiales para tubos de calderas e intercambiadores de calor, tuberías en sistemas de vapor o componentes de repuesto en conjuntos de contención de presión.

La principal diferencia entre estos grados radica en su estrategia de aleación y la microestructura resultante: el T22 es un acero al cromo-molibdeno de baja aleación, diseñado para una resistencia moderada a altas temperaturas y una buena maquinabilidad, mientras que el T91 es un acero martensítico, de alto cromo y microaleado, diseñado para una resistencia a la fluencia y a la elasticidad considerablemente mayores a temperaturas elevadas. Esta diferencia determina la mayoría de las decisiones posteriores en cuanto a diseño, prácticas de soldadura y coste del ciclo de vida.

1. Normas y designaciones

• ASTM/ASME:
• SA213 T22 — ASTM A213 / ASME SA213 (tubos de acero aleado ferrítico sin costura para calderas, sobrecalentadores e intercambiadores de calor)
• SA213 T91 — ASTM A213 / ASME SA213 (tubos de acero aleado ferrítico sin costura para servicio a alta temperatura)
• Otras normas:
• Los equivalentes EN/ISO a menudo se especifican en EN 10216-2 o EN 10222 (para aceros aleados similares); las normas nacionales (JIS, GB) proporcionan grados comparables con nombres diferentes.
• Clasificación:
• SA213 T22 — Acero ferrítico de aleación baja a moderada (comúnmente llamado acero de aleación Cr-Mo)
• SA213 T91 — Acero aleado martensítico de alto cromo (martensítico templado/tipo HSLA para servicio a alta temperatura)

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Rangos típicos de composición química (en % peso) para SA213 T22 y T91. Estos son rangos representativos que se suelen utilizar como referencia en las especificaciones de la industria; los límites exactos dependen de la norma y de la colada/forma del producto.

Elemento	SA213 T22 (rango típico)	SA213 T91 (rango típico)
do	0,05 – 0,15	0,08 – 0,12
Minnesota	0,30 – 0,60	0,40 – 0,60
Si	0,10 – 0,50	0,20 – 0,60
PAG	≤ 0,025 (máx.)	≤ 0,020 (máx.)
S	≤ 0,025 (máx.)	≤ 0,010 (máx.)
Cr	1.8 – 2.3	8.0 – 9.5
Ni	≤ 0,40 (traza)	≤ 0,40 (traza)
Mes	0,40 – 0,70	0,85 – 1,05
V	traza – 0,05	0,18 – 0,25
Nb (Cb)	traza – 0,05	0,06 – 0,12
Ti	— (normalmente bajo)	— (normalmente bajo)
B	— (normalmente no se especifica)	— (a menudo controlado a niveles muy bajos de ppm)
norte	- (bajo)	0,03 – 0,07

Cómo afecta la aleación a las propiedades - Cromo y molibdeno: Tanto el Cr como el Mo mejoran la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la oxidación. El contenido moderado de Cr/Mo del T22 proporciona un comportamiento de fluencia moderado; el alto contenido de Cr y Mo del T91, combinado con la microaleación, proporciona una resistencia a la fluencia sustancialmente mayor. - Carbono: Un mayor contenido de carbono en T91 favorece la formación de martensita y la respuesta al revenido; T22 tiene un menor contenido de carbono para mantener la ductilidad y la soldabilidad. - Microaleación (V, Nb): Presente en T91 para estabilizar carburos/nitruros, refinar el tamaño de grano y mejorar la resistencia a la fluencia y la resistencia al ablandamiento durante la exposición a largo plazo. - Silicio y manganeso: Desoxidación y fortalecimiento por solución sólida; también afectan la templabilidad y la tenacidad.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• SA213 T22:
• Microestructura típica tras tratamiento térmico estándar: ferrita revenida con constituyentes perlíticos/bainíticos revenidos, dependiendo de la velocidad de enfriamiento. No es un acero totalmente martensítico.
• Respuesta al tratamiento térmico: la normalización y el revenido o el alivio de tensiones pueden ajustar la tenacidad y la resistencia. Es menos sensible al endurecimiento martensítico que el T91; normalmente no se requiere ni se utiliza un temple intenso.
• SA213 T91:
• Microestructura típica: martensita templada y revenida (martensita acicular revenida) con carburos y carbonitruros finos (ricos en V/Nb/Ti) después de una normalización y revenido adecuados.
• Respuesta al tratamiento térmico: requiere normalización y revenido controlados para desarrollar la microestructura deseada. El procesamiento termomecánico y el revenido preciso son importantes para lograr el refinamiento del grano y la resistencia a la fluencia deseada.
• Efectos del procesamiento:
• La normalización refina la estructura de grano de austenita previa en T91 y es un paso esencial antes del revenido.
• El temple y revenido (Q&T) para T91 produce alta resistencia y estabilidad a temperaturas elevadas; el sobre-revenido reduce la resistencia pero mejora la tenacidad.
• El T22 depende más del enfriamiento y revenido controlados para equilibrar la ductilidad y la resistencia; es menos sensible a las velocidades de enfriamiento.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Rangos típicos de propiedades mecánicas para condiciones normalizadas y templadas o de suministro común. Los valores dependen del tratamiento térmico, la forma del producto y las especificaciones.

Propiedad	SA213 T22 (típico, N&T o tal como se suministra)	SA213 T91 (típico, normalizado y templado)
Resistencia a la tracción (MPa)	400 – 600	550 – 800
Límite elástico (0,2% de deformación, MPa)	200 – 350	400 – 650
Alargamiento (%)	18 – 30	12 – 20
Resistencia al impacto (Charpy V, J, RT)	20 – 60 (varía según el grosor)	30 – 100 (depende del temperamento y la temperatura)
Dureza (HB)	~150 – 230	~200 – 300

Interpretación - Resistencia: El T91 es claramente el grado más resistente en cuanto a resistencia a la tracción y límite elástico, especialmente a temperaturas elevadas y para la resistencia a la fluencia a largo plazo, debido a su estructura martensítica y microaleación. - Tenacidad y ductilidad: el T22 generalmente ofrece mayor ductilidad y una deformación plástica más fácil; el T91 proporciona una fuerte combinación de resistencia y tenacidad adecuada cuando se normaliza y templa correctamente, pero es menos dúctil. Implicaciones de la elección: Para servicios a alta presión y alta temperatura donde la fluencia es un factor importante, se prefiere el acero T91. Para temperaturas moderadas, donde la facilidad de fabricación y el costo son prioritarios, el acero T22 sigue siendo competitivo.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende del equivalente de carbono y de la templabilidad; ambos grados requieren atención, pero el T91 es más exigente.

Índices comunes de soldadura: - Equivalente de carbono (tipo IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parámetro más completo: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa - SA213 T22: Presenta menor templabilidad general y menor equivalente de carbono que el T91 en la mayoría de los casos. Es más fácil de soldar con metales de aporte estándar; se recomienda el precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para uniones sometidas a presión con el fin de reducir las tensiones residuales y restaurar las propiedades, pero el riesgo de fisuración es menor que en el T91. - SA213 T91: Su mayor templabilidad (debido a un mayor contenido de Cr, Mo y microaleación) conlleva un mayor riesgo de formación de martensita en la ZAT, fisuración en frío inducida por hidrógeno y microestructuras frágiles si no se controla adecuadamente. La soldadura T91 generalmente requiere un precalentamiento estricto, una temperatura controlada entre pasadas y un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) completo según los requisitos del código; es fundamental utilizar procedimientos de soldadura cualificados y metales de aporte compatibles. - Nota práctica: Para soldaduras de metales mixtos (por ejemplo, unión de T91 con aceros de baja aleación), se requieren procedimientos de transición especiales y WPS/PQR calificados.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el SA213 T22 ni el T91 son inoxidables; ambos son susceptibles a la corrosión general en ambientes húmedos y a la oxidación a temperaturas elevadas, dependiendo del entorno de servicio.
• Estrategias generales de protección:
• Revestimientos protectores (pintura), revestimientos o forros para medios corrosivos.
• El galvanizado en caliente es posible para algunos componentes fabricados, pero es poco común para tubos de alta temperatura.
• Para lograr resistencia a la oxidación a altas temperaturas, la composición de la aleación es importante: un mayor contenido de Cr en T91 proporciona una mejor resistencia a la formación de incrustaciones en ambientes de vapor oxidante en comparación con un menor contenido de Cr en T22, pero la resistencia a la oxidación sigue siendo inferior a la de los aceros inoxidables.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a los aceros Cr-Mo no inoxidables, pero a modo de referencia, la fórmula para las aleaciones inoxidables es: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — este índice no se aplica de manera significativa a T22 o T91 porque la resistencia a la corrosión localizada y el comportamiento pasivo requieren un contenido mucho mayor de cromo y níquel.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• El T22 se mecaniza razonablemente bien en estado recocido o normalizado; su maquinabilidad es moderada.
• El T91, con mayor resistencia y tendencia al endurecimiento por deformación, es más difícil de mecanizar y requiere herramientas robustas, velocidades de corte más bajas y atención a la generación de calor.
• Formabilidad y flexión:
• El T22 presenta mejores características de conformado en frío y doblado debido a su menor límite elástico y mayor ductilidad.
• El T91 es menos adecuado para el conformado en frío extenso; el conformado se realiza normalmente en condiciones controladas, a menudo cálidas, después de un tratamiento térmico apropiado.
• Acabado superficial:
• Ambos pueden acabarse con tolerancias muy altas, pero el T91 requiere procesos más lentos y controlados para evitar el endurecimiento o la introducción de defectos.

8. Aplicaciones típicas

Tabla: Usos típicos para cada grado

SA213 T22 — Usos típicos	SA213 T91 — Usos típicos
Tubos de caldera y sobrecalentador para sistemas de vapor de temperatura moderada	Tuberías, colectores y tubos de vapor de alta presión en centrales eléctricas que requieren una alta resistencia a la fluencia.
Tubos de intercambiadores de calor y componentes de recalentadores en rangos de temperatura media	Componentes expuestos a 500–650 °C donde la resistencia a largo plazo es fundamental.
Tubería de presión general donde se requiere resistencia moderada y buena soldabilidad	Unidades de craqueo petroquímico, oleoductos de alta temperatura, líneas principales de vapor de centrales eléctricas
Piezas de repuesto económicas y tuberías de servicio	Aplicaciones donde la vida útil y la resistencia a la fluencia justifican un mayor costo inicial del material

Justificación de la selección - Elija T22 para servicios a temperaturas moderadas, priorizando un menor costo del material, una soldadura más sencilla y una mayor conformabilidad. - Elija T91 para aplicaciones de alta temperatura y alta tensión donde se requiere un rendimiento de fluencia a largo plazo, una mayor resistencia a la fluencia y una mejor estabilidad a temperaturas elevadas.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo:
• El T91 suele ser más caro por kilogramo que el T22 debido a su mayor contenido de aleación (Cr, Mo) y a los elementos de microaleación añadidos, y porque el T91 a menudo requiere un tratamiento térmico y controles de procesamiento más rigurosos.
• Disponibilidad:
• Ambos grados están ampliamente disponibles en los principales mercados en forma de tubos, tuberías y barras, pero los plazos de entrega del producto T91 pueden ser más largos para tamaños especializados y condiciones de tratamiento térmico.
• El inventario y el suministro local tienden a ser mejores para el T22 porque tiene un uso más establecido para componentes de calderas de temperatura moderada.

10. Resumen y recomendación

Tabla: Resumen rápido

Característica	SA213 T22	SA213 T91
soldabilidad	Bueno: procedimientos previos y posteriores a la soldadura más sencillos	Exigente: requiere precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura estrictos
Resistencia-Tenacidad (temperatura elevada)	Resistencia moderada; buena ductilidad	Alta resistencia y resistencia a la fluencia; tenacidad diseñada
Costo	Menor costo inicial de materiales	Mayor costo de materiales y procesamiento

Conclusiones y recomendaciones - Elija SA213 T22 si: - Las temperaturas y tensiones de servicio son moderadas (límites de diseño donde T22 cumple con las tensiones admisibles). La velocidad de fabricación, la facilidad de soldadura, el menor coste inicial y la conformabilidad son prioritarios. - Se requiere un tubo económico y ampliamente disponible para intercambiadores de calor o calderas de temperatura media donde la fluencia a largo plazo no sea el factor determinante del diseño. - Elija SA213 T91 si: - La aplicación exige una alta resistencia a la fluencia y una alta resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas (por ejemplo, tuberías principales de vapor, colectores, componentes que operan cerca de 550–650 °C). - La mayor vida útil, el menor espesor para ahorrar peso o la mayor tensión admisible a temperatura justifican el mayor coste del material y del procesamiento. El proyecto puede adaptarse a controles de soldadura más estrictos, tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) y procedimientos cualificados.

Nota final: La selección de materiales siempre debe validarse mediante análisis detallados de tensión, fluencia y corrosión, y revisarse conforme a las normas aplicables (ASME, EN, normativas locales). Consulte con los proveedores de materiales y los ingenieros de soldadura con suficiente antelación para definir el tratamiento térmico, los procedimientos de soldadura y los criterios de inspección que se ajusten a las condiciones de servicio y al ciclo de vida previsto.