SA387 Gr11 vs Gr22 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros SA387 de grado 11 y grado 22 son dos grados de acero al cromo-molibdeno (Cr-Mo) estrechamente relacionados, utilizados en recipientes a presión y ampliamente especificados para servicio a altas temperaturas en calderas, recipientes a presión y equipos petroquímicos. Al seleccionar entre estos grados, los ingenieros, los responsables de compras y los fabricantes suelen sopesar las ventajas y desventajas del costo del material, la soldabilidad, la tenacidad y la resistencia a altas temperaturas. Las situaciones típicas de decisión incluyen tuberías y componentes de recipientes expuestos a altas temperaturas de vapor, intercambiadores de calor y componentes donde la resistencia a la fluencia térmica y la templabilidad son importantes.

La principal diferencia entre los dos grados radica en la cantidad de cromo y molibdeno en la aleación: el grado 11 es una variante con menor contenido de Cr/Mo, diseñada para temperaturas moderadamente elevadas, mientras que el grado 22 contiene mayor cantidad de Cr y Mo para proporcionar mayor resistencia y resistencia a la fluencia a temperaturas más altas. Por ello, el grado 22 se especifica cuando se requiere mayor resistencia a largo plazo y templabilidad; el grado 11 se selecciona cuando se prioriza un costo ligeramente menor y una soldadura más sencilla, sin dejar de ofrecer buenas propiedades a altas temperaturas.

1. Normas y designaciones

• Normas y designaciones principales:
• ASTM/ASME: SA387 (placa) — Grado 11 (a menudo abreviado Gr11) y Grado 22 (Gr22). Especificaciones de tuberías relacionadas: ASTM A335/ASME SA335 P11 y P22 (tuberías).
• EN: Existen aleaciones comparables en las normas EN para aceros aleados para equipos a presión (la selección requiere referencias cruzadas porque la correspondencia directa uno a uno no es exacta).
• JIS / GB: Las normas japonesas y chinas tienen familias similares de 1,25Cr–0,5Mo y 2,25Cr–1Mo, pero verifique las designaciones nacionales para comprobar la equivalencia.
• Clasificación: Tanto el SA387 Gr11 como el Gr22 son aceros aleados (aceros ferríticos Cr-Mo) utilizados para servicio a temperaturas elevadas; no son aceros inoxidables, aceros al carbono ni HSLA en el sentido moderno.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla enumera los rangos de composición típicos comúnmente asociados con SA387 Gr11 y Gr22. Estos son rangos representativos de la práctica industrial y referencias cruzadas estándar; siempre verifique con el certificado de prueba de fábrica para obtener los valores exactos.

Elemento	Rango típico — Grado 11 (aprox.)	Rango típico — Gr22 (aprox.)
do	0,08 – 0,15 % en peso	0,08 – 0,15 % en peso
Minnesota	0,30 – 0,70 % en peso	0,30 – 0,70 % en peso
Si	0,10 – 0,50 % en peso	0,10 – 0,50 % en peso
P (máx.)	≤ 0,035 % en peso	≤ 0,035 % en peso
S (máx.)	≤ 0,035 % en peso	≤ 0,035 % en peso
Cr	~1,0 – 1,4 % en peso (nominal ~1,25 %)	~2,0 – 2,5 % en peso (nominal ~2,25 %)
Mes	~0,40 – 0,65 % en peso (nominal ~0,50 %)	~0,85 – 1,15 % en peso (nominal ~1,00 %)
V, Nb, Ti, B	Normalmente solo se presentan como microaleación residual/en trazas (≤0,05 % en peso cada una).	Normalmente solo se presentan como microaleación residual/en trazas (≤0,05 % en peso cada una).
norte	Rastro	Rastro

Cómo afecta la estrategia de aleación al comportamiento: - El cromo aumenta la templabilidad, la resistencia a la temperatura y la resistencia a la oxidación; un mayor contenido de Cr en Gr22 proporciona una mayor resistencia a altas temperaturas y a la fluencia que en Gr11. - El molibdeno contribuye a la resistencia a la fluencia y a la templabilidad; el mayor contenido de Mo en Gr22 amplifica el efecto. - El carbono, el manganeso y el silicio establecen la resistencia base y la templabilidad; el carbono aumenta la resistencia, pero puede reducir la soldabilidad y la tenacidad si es excesivo. - La microaleación menor (V, Nb, Ti) refina el tamaño del grano y puede mejorar la resistencia a la fluencia cuando está presente intencionalmente, pero las placas típicas de SA387 generalmente dependen del equilibrio Cr–Mo en lugar de la microaleación pesada.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: En estado normalizado y revenido (o templado y revenido), ambos grados presentan una matriz ferrítica con constituyentes de martensita o bainita revenida, dependiendo de la velocidad de enfriamiento y el contenido de aleación. El grado 11, con menor templabilidad, tiende a formar martensita/bainita revenida más fina con un tratamiento térmico adecuado; el grado 22, al ser de mayor aleación, alcanza una mayor templabilidad y conserva una microestructura más templable tras un enfriamiento similar.

Rutas y efectos del tratamiento térmico: - Normalización: Refina el tamaño del grano y homogeneiza la microestructura; ambos grados se benefician de la normalización para mejorar la tenacidad antes del revenido. Temple y revenido (T&R): Para las placas SA387 destinadas a alta resistencia, el proceso de T&R aumenta la resistencia a la fluencia y a la tracción; el revenido reduce las tensiones residuales y mejora la tenacidad. El acero Gr22 alcanza una mayor resistencia tras el revenido a temperaturas comparables debido a su mayor contenido de Cr-Mo. - Procesamiento termomecánico: El laminado controlado y el enfriamiento acelerado pueden refinar aún más el tamaño del grano y mejorar la tenacidad; el efecto es conceptualmente similar para ambos grados, pero la mayor templabilidad del Gr22 hace que el control de la microestructura sea más sensible a la velocidad de enfriamiento.

Notas prácticas: La selección de la temperatura de revenido es fundamental para equilibrar la resistencia y la tenacidad a altas temperaturas. Un revenido excesivo reduce la resistencia; un revenido insuficiente puede generar martensita frágil. El acero Gr22 suele requerir un revenido cuidadoso para cumplir con los objetivos de resistencia a la fluencia y tenacidad.

4. Propiedades mecánicas

El rendimiento mecánico depende del tratamiento térmico, el espesor y la temperatura de ensayo. La siguiente tabla ofrece comparaciones cualitativas y un comportamiento direccional típico, en lugar de valores garantizados precisos; las especificaciones del proyecto y los certificados de fábrica rigen los valores contractuales.

Propiedad	SA387 Gr11 (direccional)	SA387 Gr22 (direccional)
Resistencia a la tracción	Moderado; adecuado para temperaturas moderadamente elevadas.	Mayor resistencia a la tracción debido a un mayor contenido de Cr-Mo.
Fuerza de fluencia	Moderado	Más alto
Alargamiento (ductilidad)	Normalmente un poco más alto (más dúctil)	Ligeramente inferior a Gr11 con un temperamento equivalente.
Resistencia al impacto (RT y baja T)	Buena calidad cuando está normalizada/templada; la tenacidad es más fácil de lograr debido a su menor templabilidad.	Funciona bien con el tratamiento térmico adecuado, pero es más sensible al aporte de calor y a la velocidad de enfriamiento.
Dureza (HRC/Brinell)	Moderado	Mayor dureza potencial tras el endurecimiento/templado

Por qué se producen estas diferencias: Un mayor contenido de Cr y Mo en el Gr22 aumenta la templabilidad y la respuesta al revenido-endurecimiento, lo que produce mayor resistencia y dureza. Sin embargo, una mayor templabilidad tiende a reducir la ductilidad y puede dificultar la obtención de una tenacidad uniforme, especialmente en secciones gruesas o con un tratamiento térmico inadecuado.

5. Soldabilidad

Las consideraciones sobre la soldabilidad incluyen el contenido de carbono, la templabilidad y la presencia de elementos de aleación que promueven la formación de martensita en la zona afectada por el calor (ZAC).

Conceptos clave y fórmulas predictivas: - Utilice fórmulas de equivalencia de carbono para estimar las necesidades de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Una fórmula de equivalencia de carbono comúnmente utilizada es: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Un parámetro más conservador para los aceros estructurales es el parámetro de soldabilidad $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa para SA387: - El Gr22 tiene mayor contenido de Cr y Mo, lo que aumenta el $CE_{IIW}$ y el $P_{cm}$ en comparación con el Gr11. Esto significa que el Gr22 es más susceptible al endurecimiento de la ZAT y a posibles fisuras en frío si se suelda sin las precauciones adecuadas. - Implicaciones prácticas: - A menudo se requiere precalentamiento para ambos grados en secciones más gruesas o a bajas temperaturas ambiente, pero el Gr22 generalmente requiere un precalentamiento mayor y un control más estricto. - El tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT, por sus siglas en inglés, o revenido para aliviar tensiones) se suele exigir para los aceros Cr-Mo utilizados a temperaturas elevadas para revenir la ZAT y restaurar la resistencia a la fluencia; la temperatura y el tiempo de mantenimiento del PWHT normalmente están definidos por el código (por ejemplo, ASME) y los requisitos de servicio. - Utilice consumibles de soldadura de bajo hidrógeno y procedimientos cualificados; controle la temperatura entre pasadas y el aporte de calor para evitar una dureza excesiva de la ZAT.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el Gr11 como el Gr22 son aceros de aleación no inoxidables y, por lo tanto, requieren protección superficial para ambientes corrosivos atmosféricos, químicos o marinos.
• Estrategias de protección típicas:
• Sistemas de pintura/revestimiento (epoxi, poliuretano, intumescente para protección contra incendios).
• El galvanizado en caliente es posible para algunos tipos de productos, pero puede no ser compatible con los requisitos de servicio a alta temperatura o con el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) exigido por el código.
• Protección catódica si se utiliza en entornos enterrados o marinos.
• Índices de acero inoxidable: PREN no es aplicable a los aceros de aleación ferrítica Cr-Mo porque PREN se aplica a la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables austeníticos: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Aclaración: Aunque el Gr22 tiene mayor contenido de Cr y Mo que el Gr11, el nivel absoluto de Cr (~2–2,25%) está muy por debajo de los niveles de los aceros inoxidables; mejora la resistencia a la oxidación y a la fluencia a temperaturas elevadas, pero no confiere una resistencia general a la corrosión significativa en comparación con los aceros inoxidables.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: Ambos grados se mecanizan de forma similar a otros aceros de aleación media; el Gr22 puede ser ligeramente más duro y menos mecanizable si se suministra con un temple de mayor resistencia. Los parámetros de mecanizado y de corte deben ajustarse en función de la dureza.
• Conformabilidad/doblado: La ductilidad es adecuada para el conformado en estado normalizado/templado; el grado 11 tiende a ser más tolerante debido a su ductilidad ligeramente superior. Para el conformado en frío, verifique la dureza y el temple; para formas complejas puede ser necesario el conformado en caliente.
• Acabado superficial: Las operaciones de rectificado y acabado son sencillas, pero se requiere precaución con la generación de calor para evitar el revenido o el endurecimiento superficial.
• Tratamiento térmico posterior a la fabricación: Los componentes soldados o sometidos a un trabajo en frío intenso generalmente requieren un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT, por sus siglas en inglés) para cumplir con los requisitos mecánicos y de fluencia para servicio a alta temperatura.

8. Aplicaciones típicas

SA387 Grado 11 (Gr11)	SA387 Grado 22 (Gr22)
Colectores, tambores y tuberías de calderas que operan a temperaturas moderadamente elevadas donde el costo y la soldabilidad son factores a considerar.	Tuberías de alta temperatura, como tubos de sobrecalentadores y recalentadores, y recipientes a presión que requieren mayor resistencia a largo plazo y resistencia a la fluencia.
Intercambiadores de calor y partes a presión donde se esperan temperaturas de vapor moderadas	Componentes en plantas petroquímicas y de energía que operan a temperaturas o presiones de vapor más elevadas donde se requiere una mayor resistencia a la fluencia
Bridas, accesorios y placas donde una soldadura más sencilla y un menor contenido de aleación son ventajosos.	Secciones gruesas o componentes sometidos a altas tensiones donde la templabilidad y las propiedades mecánicas a temperaturas elevadas son críticas

Justificación de la selección: - Elija Gr11 cuando la temperatura de diseño y la resistencia a la fluencia/rotura requerida estén dentro de la capacidad de Gr11, cuando la facilidad de soldadura y el control de costos sean importantes y cuando un rendimiento moderado a temperaturas elevadas sea suficiente. - Elija Gr22 cuando la resistencia a altas temperaturas a largo plazo, la resistencia a la fluencia y las mayores tensiones admisibles a temperatura justifiquen un mayor coste de la aleación y controles de fabricación más estrictos.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El acero Gr22 suele ser más caro que el Gr11 debido a su mayor contenido en Cr y Mo (el Mo es un elemento de aleación costoso). El sobreprecio depende de los precios de mercado del Mo y el Cr, así como de la forma del producto (placa, tubo, forjado).
• Disponibilidad: Ambos grados se producen habitualmente en fábricas de placas y tubos; el grado 22 puede ser ligeramente menos frecuente en algunos tamaños de producto y formas especializadas, pero ambos son aleaciones estándar con un amplio suministro industrial. El departamento de compras debe confirmar los plazos de entrega y verificar las certificaciones de la fábrica en cuanto a tratamientos térmicos y resultados de ensayos mecánicos.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Criterio	SA387 Grado 11	SA387 Gr22
soldabilidad	Mejor (menor CE)	Más exigente (mayor CE)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Bueno; más fácil de lograr dureza	Mayor resistencia; tenacidad alcanzable con tratamiento térmico controlado.
Costo	Más bajo	Más alto

Recomendaciones: - Elija SA387 Gr11 si necesita una aleación de Cr-Mo rentable para servicio a temperaturas moderadamente elevadas, prefiere una soldadura y fabricación más sencillas, y sus requisitos de temperatura de diseño y fluencia están dentro de la capacidad de Gr11. - Elija SA387 Gr22 si la aplicación requiere mayor resistencia a la tracción y a la fluencia a largo plazo a temperaturas elevadas, mayor templabilidad para secciones gruesas o si los límites del código/temperatura especifican un mayor contenido de aleación a pesar del mayor costo del material y de fabricación.

Consejos prácticos finales: - En los documentos de compra, especifique siempre las condiciones exactas requeridas del tratamiento térmico, los parámetros del tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) y los criterios de aceptación (ensayos mecánicos, energía de impacto a las temperaturas requeridas). - Exigir informes de ensayos de fábrica y garantizar que los procedimientos de soldadura (precalentamiento, entre pasadas, consumibles, tratamiento térmico posterior a la soldadura) estén cualificados para el grado y espesor elegidos a fin de lograr el rendimiento previsto en servicio.