T91 frente a P91: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

T91 y P91 son dos denominaciones que suelen encontrar los ingenieros al especificar materiales para aplicaciones de vapor industrial y de centrales eléctricas de alta temperatura. Ambas se refieren a la misma familia de aceros martensíticos/ferríticos resistentes al calor de clase 9Cr-1Mo, empleados en componentes a presión que operan a temperaturas elevadas; sin embargo, la designación y las implicaciones de adquisición difieren. Los ingenieros que deben elegir entre ambas denominaciones suelen sopesar factores como la forma del producto (tubo o tubería), el código o norma aplicable, la cualificación del procedimiento de soldadura y la disponibilidad de la cadena de suministro regional.

La principal distinción práctica radica en las normas y la forma del producto: «T91» se utiliza habitualmente en las especificaciones de tubos (p. ej., ASME SA-213), mientras que «P91» aparece en las especificaciones de tuberías (p. ej., ASME SA-335) y en algunos sistemas de nomenclatura regionales. Metalúrgicamente, se trata esencialmente del mismo grado 9Cr–1Mo–V–Nb, razón por la cual se comparan o se tratan indistintamente con frecuencia en el diseño y la adquisición.

1. Normas y designaciones

• ASTM/ASME:
• ASME SA-213 T91 — tubos sin costura de acero aleado ferrítico para calderas, sobrecalentadores e intercambiadores de calor.
• ASME SA-335 P91 — tubería de acero aleado ferrítico sin costura para servicio a alta temperatura.
• EN / Europeo:
• Grado EN 10216-2 / EN 10222, a menudo denominado X10CrWMoVNb9-2 (número de material 1.4903): designación europea para aceros 9Cr comparables.
• JIS (Japón) / GB (China):
• No existe un equivalente directo único de la norma JIS; las normas japonesas pueden enumerar aceros 9Cr similares, pero difieren en los límites químicos y las prácticas de tratamiento térmico.
• Las normas chinas GB proporcionan grados comparables de 9Cr–1MoV; las designaciones locales y los límites de tratamiento térmico pueden variar.
• Clasificación: Estas aleaciones son aceros de baja aleación, resistentes al calor (no inoxidables) y se clasifican en la práctica como aceros ferríticos/martensíticos resistentes a la fluencia (de estilo HSLA en términos de estrategia de fortalecimiento, pero formulados para resistencia a altas temperaturas).

2. Composición química y estrategia de aleación

La familia 9Cr–1Mo logra un equilibrio entre resistencia a altas temperaturas, resistencia a la fluencia y soldabilidad principalmente gracias al cromo, que aporta resistencia a la oxidación y al revenido; al molibdeno, que proporciona resistencia a la fluencia y fortalecimiento por solución sólida; y a la microaleación con V/Nb, que estabiliza los carburos y controla el crecimiento del grano. Los rangos de composición típicos se ajustan a la práctica industrial.

Elemento	Rango típico (en % peso)
do	0,08 – 0,12
Minnesota	0,30 – 0,60
Si	0,20 – 0,60
PAG	≤ 0,02
S	≤ 0,01
Cr	8.0 – 9.5
Ni	≤ 0,40
Mes	0,85 – 1,05
V	0,18 – 0,25
Nb (Ta)	0,05 – 0,12
Ti	≤ 0,02
B	traza, ≤ 0,002
norte	0,03 – 0,07

Cómo afecta la estrategia de aleación al rendimiento: - El Cr (8–9,5%) aumenta la resistencia a la oxidación y contribuye a la estabilidad del revenido y a la templabilidad. - El Mo (≈1%) mejora la resistencia a la fluencia y dificulta la recuperación; es importante para las propiedades a largo plazo a altas temperaturas. - El V y el Nb forman carburos y carbonitruros que fijan la microestructura e impiden el crecimiento del grano durante la exposición a altas temperaturas, mejorando la vida útil a la rotura por fluencia. - El control de C es necesario para la resistencia mediante la transformación martensítica y la formación de carburos; debe mantenerse lo suficientemente bajo para mantener una soldabilidad aceptable. - El boro pequeño mejora las propiedades de fluencia en algunas coladas, mientras que el nitrógeno y el titanio/niobio controlan la química de precipitación.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructura y procesamiento típicos: - Estado normalizado: tras la austenización (normalización) seguida de un enfriamiento y revenido controlados, se produce una microestructura martensítica revenida. La microestructura consiste en láminas de martensita revenida, con carburos M23C6 dispersos y carbonitruros MX (V/Nb) finos. Normalizado + revenido: método estándar para desarrollar la combinación característica de resistencia y tenacidad. El normalizado disuelve las fases perjudiciales y reestructura el grano; el revenido optimiza la resistencia y la tenacidad, y estabiliza los carburos. - Enfoque de temple y revenido: similar al normalizado/revenido para estos aceros de baja aleación; la severidad del temple se controla para evitar la retención excesiva de austenita. - Procesamiento termomecánico (TMT): los programas de laminación y el enfriamiento controlado pueden refinar el tamaño del grano de austenita previo y mejorar la tenacidad sin sacrificar la resistencia a altas temperaturas. Diferencias en la respuesta: no existe una diferencia metalúrgica intrínseca entre T91 y P91; las diferencias en las propiedades se deben a la temperatura y el tiempo de tratamiento térmico precisos, así como al historial termomecánico especificado por la norma del producto. Un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) adecuado es fundamental para recuperar el temple y aliviar las tensiones residuales.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas varían según la forma del producto, el tratamiento térmico y el fabricante. Los rangos típicos para secciones normalizadas y revenidas de aceros 9Cr–1Mo son:

Propiedad	Rango típico
Resistencia a la tracción (UTS)	600 – 800 MPa
Límite elástico (0,2% de deformación)	450 – 650 MPa
Alargamiento (A%)	12 – 20%
Resistencia al impacto (Charpy V, temperatura ambiente)	30 – 80 J (depende del temple y del producto)
Dureza (HB)	200 – 260 HB

¿Cuál es más fuerte/resistente/dúctil? En la práctica, T91 y P91 son metalúrgicamente equivalentes; las diferencias en las propiedades medidas se deben a la temperatura del tratamiento térmico, el tiempo de revenido y el espesor de la sección. Un material correctamente normalizado y revenido proporcionará la resistencia esperada a altas temperaturas y una tenacidad adecuada a temperatura ambiente. Las secciones más gruesas y un revenido inadecuado dan como resultado una mayor dureza y una menor tenacidad.

5. Soldabilidad

Las consideraciones sobre soldabilidad se derivan del equivalente de carbono y la alta templabilidad que proporcionan el Cr, el Mo, el V y la microaleación. Índices comunes utilizados para predecir las necesidades de precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT):

• Instituto Internacional de Soldadura equivalente de carbono: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm equivalente para la predictibilidad de la 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 y práctica: Los valores calculados de CE y $P_{cm}$ para los aceros 9Cr–1Mo suelen indicar una templabilidad de moderada a alta en comparación con los aceros al carbono. Esto implica la aplicación obligatoria de procedimientos de soldadura controlados: precalentamiento, límites de temperatura entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura completo para recuperar el temple y minimizar la martensita local y las tensiones residuales. - Tanto T91 como P91 requieren consumibles de soldadura calificados y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) según el código (por ejemplo, ASME) para lograr una tenacidad y un comportamiento de fluencia aceptables en las soldaduras y las zonas afectadas por el calor. - Debido a su composición química similar, la soldabilidad es esencialmente la misma para T91 y P91, pero la especificación del procedimiento de soldadura debe seguir el código del producto (tubo vs tubería) y el espesor.

6. Corrosión y protección de superficies

• Estos materiales no son aceros inoxidables; su resistencia a la corrosión se limita a una mayor resistencia a la oxidación a altas temperaturas debido a su contenido de cromo. No están diseñados para entornos corrosivos sin protección.
• Medidas de protección habituales: pintura, recubrimientos de alta temperatura, revestimiento refractario y, en algunos casos, galvanizado previo a la puesta en servicio (con sujeción a limitaciones de temperatura). Para aplicaciones de vapor/energía, el control de la química interna del agua/vapor es la estrategia habitual de control de la corrosión.
• La fórmula PREN (para el rendimiento del acero inoxidable) no es aplicable a T91/P91, pero para mayor claridad: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — este índice se aplica a los aceros inoxidables y no es significativo para los aceros ferríticos 9Cr–1Mo.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: Dificultad moderada. La mayor resistencia y la presencia de carburos reducen la maquinabilidad en comparación con los aceros al carbono. Utilice herramientas afiladas, configuraciones rígidas y velocidades de corte adecuadas. Se recomienda el uso de herramientas de carburo para trabajos de producción.
• Conformabilidad: Limitada; no se recomienda un conformado en frío significativo. Se prefiere el trabajo en caliente y el laminado controlado durante la fabricación. El doblado y el conformado del material normalizado y templado terminado requieren un control de proceso meticuloso; la deformación localizada puede provocar fisuras.
• Acabado: El rectificado y los tratamientos superficiales son estándar; el aporte de calor durante la soldadura y el mecanizado puede alterar el temple local y requerir un tratamiento térmico posterior a la soldadura o un revenido local.

8. Aplicaciones típicas

T91 (designaciones de tubos)	P91 (tubería/estructura/especificación)
Tubos de sobrecalentador y recalentador en calderas y generadores de vapor	Tuberías de vapor de alta presión en centrales eléctricas y plantas petroquímicas
Tubos para intercambiadores de calor donde se requiere resistencia a la fluencia a alta temperatura	Componentes de cabecera y tubería para servicio a alta temperatura
Tubos soldados o sin soldadura de pequeño diámetro en calderas	Tubería sin soldadura de gran diámetro para líneas de vapor principales
Componentes fabricados que requieren geometrías tubulares	Recipientes a presión y accesorios donde el código exige especificaciones de tubería.

Justificación de la selección: - Elija la designación del tubo y los proveedores correspondientes cuando la geometría y el código del componente requieran tubos ASME SA-213 T91 (por ejemplo, serpentines de sobrecalentador). - Elija la designación de tubería al especificar tubería sin costura/de alta temperatura según ASME SA‑335 P91 para tramos principales de tuberías de vapor/energía. - En ambos casos, los criterios técnicos decisivos son la temperatura de funcionamiento, el requisito de tensión/fluencia de diseño, la soldabilidad/capacidad de tratamiento térmico posterior a la soldadura y el cumplimiento de la normativa.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: Los aceros 9Cr-1Mo son más caros que los aceros al carbono comunes y los aceros 1¼Cr-Mo debido a los elementos de aleación y al control de proceso más estricto que requieren. Entre ellos, el T91/P91 es un grado de baja aleación de alta calidad.
• Disponibilidad por formato: Los tubos T91 se fabrican ampliamente para calderas e intercambiadores de calor; la disponibilidad de tubos P91 es sólida en las principales regiones industriales, pero los plazos de entrega pueden variar. Las fábricas europeas pueden suministrar material equivalente a la norma EN con una denominación diferente; para evitar discrepancias, el proceso de compra debe especificar tanto los requisitos de tratamiento químico/térmico como la norma exacta (ASME o EN).
• Artículos con plazos de entrega prolongados: las tuberías P91 sin soldadura de gran diámetro o de paredes gruesas y las estructuras pesadas pueden tener plazos de entrega prolongados y deben planificarse con antelación en el proceso de adquisición.

10. Resumen y recomendación

Aspecto	T91	P91
Soldabilidad	Moderado; requiere precalentamiento y PWHT	Moderado; requiere precalentamiento y PWHT
Resistencia-Tenacidad (servicio HT)	Alto (dependiente del tratamiento térmico)	Alto (dependiente del tratamiento térmico)
Costo	Acero premium frente a acero al carbono; depende del suministro de tubos	Acero premium frente a acero al carbono; depende del suministro de tuberías.

Conclusiones: Elija T91 si especifica o adquiere tubos (para calderas, sobrecalentadores o intercambiadores de calor) y la normativa aplicable exige ASME SA-213 T91 o formatos de tubo equivalentes. Utilice T91 cuando se requieran la forma del producto, tolerancias dimensionales y prácticas de fabricación de tubos específicas. Elija P91 si especifica tuberías sin soldadura, accesorios o componentes a presión según códigos como ASME SA-335 P91, o si los procesos de adquisición e inspección se centran en productos de tubería. Utilice P91 para líneas principales de vapor y tuberías a presión cuando el código de tubería y la calificación del procedimiento de soldadura se ajusten a P91.

Nota práctica final: Metalúrgicamente, T91 y P91 se refieren a la misma familia 9Cr-1Mo; por lo tanto, la decisión en el diseño de ingeniería o la adquisición debe basarse en la forma del producto requerida, la norma/código aplicable y los procedimientos posteriores de fabricación y soldadura, en lugar de en diferencias percibidas en el rendimiento del material. Siempre especifique los límites químicos exactos, el tratamiento térmico requerido (parámetros de normalizado y revenido), el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) y los criterios de aceptación mecánica en los documentos de compra para garantizar un rendimiento de servicio reproducible.