SA387 11CL2 vs 22CL2 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
SA-387 (también conocido como ASTM A387) es una familia de aceros de baja aleación al cromo-molibdeno para componentes sometidos a presión en servicio a altas temperaturas. Los ingenieros y los equipos de compras suelen sopesar las ventajas y desventajas de dos aceros comúnmente especificados: 11CL2 (a menudo denominado tipo P11) y 22CL2 (a menudo denominado tipo P22). Las decisiones típicas incluyen seleccionar la aleación mínima para obtener una resistencia a la fluencia aceptable a la temperatura, equilibrar la soldabilidad y los requisitos de tratamiento térmico posterior a la soldadura, u optimizar el coste de adquisición frente al rendimiento durante el ciclo de vida.
La principal diferencia práctica entre estas calidades radica en su composición de aleación, diseñada para ofrecer resistencia a altas temperaturas y a la fluencia: la mayor concentración de cromo y molibdeno de la calidad 22CL2 proporciona mayor resistencia y capacidad de fluencia a temperaturas elevadas, mientras que la 11CL2 ofrece una menor concentración de aleación, lo que mejora la soldabilidad y reduce el coste del material. Dado que ambas están diseñadas para aplicaciones a alta temperatura y presión, se comparan habitualmente cuando los diseñadores seleccionan materiales para calderas, intercambiadores de calor, tuberías y recipientes a presión que operan en rangos de temperatura similares.
1. Normas y designaciones
- Estándares principales:
- ASTM/ASME: SA-387 / A387 (Grados 11, 22; Clases 1, 2, etc.)
- EN: Las designaciones equivalentes a menudo se clasifican en grados P (por ejemplo, P11 / P22) o equivalentes EN 10222/10028 según la forma del producto.
- JIS/GB: Las normas nacionales pueden especificar aceros Cr-Mo comparables con diferentes códigos de grado.
- Tipo de material:
- Tanto el SA387 11CL2 como el 22CL2 son aceros de baja aleación al cromo-molibdeno diseñados para servicio a altas temperaturas. No son aceros inoxidables ni aceros estructurales de alta resistencia microaleados (HSLA); son aleaciones para recipientes a presión resistentes al calor con adiciones intencionales de Cr y Mo.
2. Composición química y estrategia de aleación
La tabla siguiente muestra los rangos típicos representativos (en % peso) que se encuentran en las especificaciones SA-387/A387 Grado 11 Clase 2 y Grado 22 Clase 2, o en la práctica habitual de las fábricas. La composición química contractual exacta siempre debe tomarse del certificado de la fábrica o de la edición aplicable de la norma.
| Elemento | 11CL2 (peso representativo %) | 22CL2 (peso representativo %) |
|---|---|---|
| do | 0,06 – 0,15 | 0,05 – 0,15 |
| Minnesota | 0,30 – 0,60 | 0,30 – 0,60 |
| Si | 0,08 – 0,35 | 0,08 – 0,35 |
| P (máx.) | ≤ 0,025 | ≤ 0,025 |
| S (máx.) | ≤ 0,025 | ≤ 0,025 |
| Cr | 0,90 – 1,35 | 2.00 – 2.60 |
| Ni (máx.) | ≤ 0,40 | ≤ 0,40 |
| Mes | 0,44 – 0,65 | 0,80 – 1,15 |
| V | Normalmente bajo/trazas | Normalmente bajo/trazas |
| Nb, Ti, B, N | traza / controlado | traza / controlado |
Cómo afecta la aleación al rendimiento: - El cromo (Cr) aumenta la resistencia a la oxidación y la resistencia a altas temperaturas y contribuye a la templabilidad. - El molibdeno (Mo) aumenta la resistencia a la fluencia y estabiliza los carburos a temperaturas elevadas; el Mo también promueve la templabilidad. - El carbono aumenta la resistencia pero reduce la soldabilidad y la tenacidad si es excesivo; ambos grados mantienen un bajo contenido de carbono para equilibrar la tenacidad y la soldabilidad a temperatura ambiente. - El manganeso y el silicio son desoxidantes y contribuyen a la resistencia. - Los elementos de microaleación traza (V, Nb, Ti) cuando están presentes en pequeñas cantidades influyen en el control del tamaño del grano y en el fortalecimiento por precipitación, pero los grados SA-387 se fortalecen principalmente por la química Cr/Mo y el tratamiento térmico.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Procesamiento y microestructura típicos: - Tanto en estado laminado como normalizado y revenido, ambos grados desarrollan una microestructura bainítica revenida/martensítica revenida dependiendo de la velocidad de enfriamiento y el contenido de aleación. - 11CL2 (menor Cr/Mo): tiende a transformarse a temperaturas más altas y muestra carburos algo más gruesos después del revenido en comparación con 22CL2; la microestructura es suficiente para un servicio de fluencia moderada. - 22CL2 (mayor contenido de Cr/Mo): muestra mayor templabilidad y forma una distribución más fina de carburos templados que son más eficaces para resistir la fluencia y el ablandamiento a temperaturas elevadas.
Influencia de los tratamientos térmicos: - Normalización y revenido (vía común): refina el tamaño del grano y produce una mezcla de martensita/bainita revenida con un equilibrio mejorado entre tenacidad y resistencia. - Temple y revenido: pueden utilizarse para requisitos de mayor resistencia, pero ambos grados se utilizan normalmente en condición normalizada/revenida para servicio en recipientes a presión. - Procesamiento termomecánico (laminación controlada): puede mejorar la resistencia a la fluencia y la tenacidad mediante el refinamiento del grano y el control de la precipitación; más efectivo en 22CL2 debido a la aleación, pero requiere un control estricto del proceso. - Tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT): necesario para muchas aplicaciones de presión para templar la zona afectada por el calor y restaurar la tenacidad; los programas de PWHT dependen del espesor, el código de diseño y el contenido de aleación.
4. Propiedades mecánicas
La siguiente tabla ofrece una comparación cualitativa de las características de rendimiento mecánico comunes en condiciones estándar de tratamiento térmico (normalizado y revenido). Los valores absolutos dependen del espesor, la composición química exacta y el tratamiento térmico; consulte el certificado del material y el código de diseño para conocer los valores mínimos garantizados.
| Propiedad | 11CL2 | 22CL2 |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (comportamiento típico) | Moderado | Mayor (mejora a temperaturas elevadas) |
| Fuerza de fluencia | Moderado | Más alto |
| Alargamiento (ductilidad) | Ligeramente superior (mejor ductilidad a temperatura ambiente) | Ligeramente inferior (a cambio de mayor resistencia) |
| Resistencia al impacto (temperatura ambiente, templado) | Bien, depende del tratamiento térmico. | Bueno, puede ser comparable si se trata adecuadamente, pero requiere control. |
| Dureza (templada) | Moderado | Mayor en condiciones de tratamiento térmico similares |
Por qué se producen estas diferencias: El mayor contenido de Cr y Mo en el acero 22CL2 incrementa la templabilidad y la precipitación de carburos estables que mantienen la resistencia a altas temperaturas. Esto aumenta la resistencia a la tracción y al límite elástico, especialmente en el régimen de fluencia, a costa de una ligera reducción de la ductilidad, a menos que se optimicen el revenido y el tratamiento térmico. - El menor contenido de aleación del 11CL2 da como resultado una soldabilidad ligeramente mejor y, a menudo, una elongación medida mayor a temperatura ambiente.
5. Soldabilidad
Factores clave de soldabilidad: - El equivalente de carbono y la templabilidad determinan la susceptibilidad al agrietamiento en frío y la necesidad de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). - El contenido de aleación (Cr, Mo) aumenta la templabilidad; por lo tanto, el 22CL2 generalmente requiere prácticas de precalentamiento y PWHT más conservadoras que el 11CL2 para un espesor equivalente.
Fórmulas empíricas útiles (interpretación cualitativa; no se proporcionan cálculos numéricos): - Equivalente de carbono del Instituto Internacional de Soldadura: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Dearden & O'Neill o Pcm (expresa la susceptibilidad al agrietamiento de la soldadura): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación: - El 22CL2 generalmente producirá un $CE_{IIW}$ y un $P_{cm}$ más altos que el 11CL2 debido a su mayor contenido de Cr y Mo, lo que implica controles de soldadura más estrictos (precalentamiento, temperatura entre pasadas, PWHT). - Ambos grados son soldables con los procedimientos adecuados; la práctica común es aplicar precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) obligatorio según el Código ASME de Calderas y Recipientes a Presión para piezas a presión, con temperaturas y duraciones de PWHT seleccionadas para aliviar las tensiones residuales e inducidas por hidrógeno y para templar la ZAT.
6. Corrosión y protección de superficies
- Ninguna de las dos calidades es inoxidable; ambas son susceptibles a la corrosión general y a la corrosión localizada en ambientes agresivos.
- Estrategias de protección: pintura, revestimientos epoxi, recubrimientos poliméricos y galvanizado (según la temperatura de diseño y el servicio) son métodos típicos de protección superficial. Para una mayor resistencia a la oxidación y la formación de incrustaciones a altas temperaturas, el contenido de cromo en el acero 22CL2 ofrece una resistencia a la formación de incrustaciones ligeramente superior a la del acero 11CL2, pero ninguno de los dos sustituye a los aceros inoxidables para servicios corrosivos.
- El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros no inoxidables; sin embargo, a modo informativo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Utilice aleaciones o revestimientos resistentes a la corrosión cuando exista ataque químico o alto riesgo de corrosión localizada; para muchas aplicaciones de calderas y vapor, los problemas de corrosión se abordan mediante el control de la química del agua en lugar de confiar en la resistencia a la corrosión del metal base.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad: ambas calidades se mecanizan fácilmente en estado normalizado/templado. El contenido ligeramente menor de aleación del 11CL2 puede ofrecer una facilidad de mecanizado marginalmente superior; el 22CL2 puede requerir cambios de herramienta más frecuentes al mecanizarlo hasta alcanzar la misma dureza.
- Conformabilidad/doblado: ambas propiedades son compatibles cuando se suministran en estado normalizado; los radios de curvatura mínimos y las temperaturas de conformado deben ajustarse a las prácticas estándar para aceros Cr-Mo templados. La mayor templabilidad del acero 22CL2 puede incrementar el riesgo de fisuración durante el conformado en frío de secciones más gruesas.
- Acabado superficial: ambos tipos admiten métodos de acabado comunes (rectificado, granallado, recubrimiento). A menudo se requiere un tratamiento térmico después del conformado o la soldadura para cumplir con los requisitos de tenacidad y resistencia.
8. Aplicaciones típicas
| 11CL2 (SA387 Grado 11 CL2) | 22CL2 (SA387 Grado 22 CL2) |
|---|---|
| Componentes de calderas y hornos que operan a temperaturas moderadamente elevadas donde el costo y la soldabilidad son prioritarios. | Componentes de alta temperatura (sobrecalentadores, recalentadores, colectores gruesos) donde se requiere una resistencia a la fluencia superior y una estabilidad a largo plazo a temperaturas elevadas. |
| Carcasas y tuberías de recipientes a presión donde la temperatura de diseño es inferior dentro del rango de servicio. | Componentes a presión para secciones más robustas y servicio a altas temperaturas en centrales eléctricas y unidades petroquímicas. |
| Tuberías y accesorios económicos donde el tratamiento térmico posterior a la soldadura y una resistencia moderada son suficientes. | Bobinas críticas de alta temperatura, componentes de paredes gruesas y piezas sometidas a una mayor tensión sostenida a temperatura |
Justificación de la selección: - Elija 11CL2 cuando las temperaturas y tensiones de funcionamiento se encuentren dentro de su rango de diseño seguro, y cuando se desee minimizar el coste de la aleación y facilitar la fabricación/soldadura. - Elija 22CL2 cuando las demandas de servicio previstas (temperatura más alta, tensión sostenida más alta, secciones más gruesas) requieran una mayor resistencia a la fluencia y a temperaturas elevadas.
9. Costo y disponibilidad
- Coste: El 22CL2 suele tener un coste de material superior al del 11CL2 debido a su mayor contenido en Cr y Mo. La diferencia varía según los precios de mercado de los elementos de aleación.
- Disponibilidad: Ambos grados se producen ampliamente en placas y forjados para equipos a presión; la disponibilidad por formato (placa, forjado, tubería) y el plazo de entrega dependen de la programación de las fábricas y la demanda regional. El 11CL2 suele estar más disponible en una amplia gama de tamaños debido a su uso más extendido en aplicaciones donde el coste es un factor crítico.
10. Resumen y recomendación
| Criterio | 11CL2 | 22CL2 |
|---|---|---|
| soldabilidad | Mejor (menor templabilidad) | Más exigente (mayor contenido de Cr/Mo) |
| equilibrio entre fuerza y resistencia | Resistencia moderada; buena ductilidad | Mayor resistencia a altas temperaturas; buena tenacidad si se trata térmicamente. |
| Costo | Más bajo | Más alto |
Conclusiones y recomendaciones prácticas: - Elija 11CL2 si necesita un acero de presión Cr-Mo rentable para servicio a temperaturas moderadamente elevadas donde la soldadura más fácil y el menor costo de la aleación sean prioridades, y donde las tensiones y temperaturas de diseño estén dentro de los límites permitidos para el material de grado 11. - Elija 22CL2 si la aplicación requiere una mayor resistencia a la fluencia y una mayor resistencia sostenida a temperaturas elevadas (o secciones más gruesas donde se necesita templabilidad), y puede asumir procedimientos de soldadura más rigurosos y un mayor costo del material.
Notas finales: - Verifique siempre la composición química exacta y las propiedades mecánicas garantizadas en el certificado de fábrica del lote que se está adquiriendo. Siga los códigos de diseño aplicables (ASME Sección II/Code Case, ASME BPVC, normas EN) para las tensiones admisibles, el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) requerido y las pruebas. La selección debe realizarse considerando la temperatura de operación, la presión, la vida útil esperada, las especificaciones del procedimiento de soldadura (WPS/PQR) y los planes de inspección en servicio.