T91 frente a T92: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros T91 y T92 son dos aceros ferrítico-martensíticos al cromo-molibdeno (y modificados con tungsteno) estrechamente relacionados, ampliamente utilizados en equipos de generación de energía y petroquímicos de alta temperatura. Ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción frecuentemente se enfrentan al dilema de elegir entre ellos, debido a las compensaciones entre la resistencia a la fluencia, la soldabilidad, la resistencia a la oxidación/corrosión y el costo del material. Las decisiones típicas incluyen la selección del material de tuberías para condiciones de vapor avanzadas, la elección de materiales de forja o accesorios para servicio a alta temperatura y el equilibrio entre el costo del ciclo de vida y la dificultad de fabricación.
La diferencia fundamental entre ambos radica en su estrategia de aleación: el T92 (también denominado P92 en algunas normas) sustituye una cantidad significativa de tungsteno y ajusta los niveles de molibdeno y microaleación para aumentar la resistencia a la fluencia y la estabilidad microestructural a altas temperaturas, mientras que el T91 se basa más en el molibdeno con una composición ligeramente más simple. Este cambio en la aleación da lugar a una templabilidad, un comportamiento de revenido y un rango de aplicaciones distintos, lo que hace que estos grados se comparen habitualmente en el diseño de componentes y la adquisición de materiales.
1. Normas y designaciones
- Designaciones comunes ASTM/ASME:
- T91: ASTM A387 Grado 91 (placa), A335 Grado P91 (tubo sin costura), A213 TP91 (tubo) — comúnmente se hace referencia a él como Grado 91 / P91.
- T92: ASTM A387 Grado 92, A335 Grado P92, A213 T92 — comúnmente referenciado como Grado 92 / P92.
- Normas europeas y otras normas:
- EN: Los aceros 9Cr equivalentes aparecen bajo designaciones EN (pero los equivalentes EN directos uno a uno son limitados).
- JIS/GB: Existen designaciones locales para los aceros 9Cr basadas en composiciones químicas similares (a menudo utilizadas en Asia).
- Clasificación del acero: Ambos son aceros aleados de la clase ferrítico-martensítica; no son aceros inoxidables ni aceros para herramientas y generalmente se consideran aceros aleados de alta resistencia y resistentes a la fluencia (familia HSLA/resistentes al calor).
2. Composición química y estrategia de aleación
La tabla resumen muestra los rangos de composición típicos para cada grado (en porcentaje en peso). Los límites exactos dependen de la norma/especificación específica y de la forma del producto.
| Elemento | T91 (rango típico, % en peso) | T92 (rango típico, % en peso) |
|---|---|---|
| do | 0,08–0,12 | 0,08–0,12 |
| Minnesota | 0,30–0,60 | 0,30–0,60 |
| Si | 0,20–0,70 | 0,20–0,50 |
| PAG | ≤0,02 | ≤0,02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8,5–9,5 | 8,5–9,5 |
| Ni | ≤0,30 | ≤0,30 |
| Mes | 0,85–1,05 | 0,45–0,65 |
| W | - (rastro) | 1.8–2.5 |
| V | 0,18–0,25 | 0,18–0,25 |
| Nb (Cb) | 0,06–0,12 | 0,06–0,12 |
| Ti | rastro | rastro |
| B | rastro* | rastro* |
| norte | ~0,03–0,06 | ~0,03–0,06 |
*El boro (B) y el nitrógeno (N) son elementos de control; el boro se utiliza en niveles muy pequeños de ppm para influir en la templabilidad y la fluencia.
Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El cromo (Cr) proporciona resistencia a la oxidación y fortalece la matriz ferrítica. - El molibdeno (Mo) aumenta la resistencia y la resistencia a la fluencia mediante el fortalecimiento por solución sólida y la formación de carburos; T91 tiene mayor contenido de Mo que T92. - El tungsteno (W) en T92 sustituye parcialmente al Mo, aumentando la resistencia a altas temperaturas y estabilizando los carburos a temperaturas de servicio más elevadas. - El vanadio (V) y el niobio (Nb) forman carburos/nitruros estables que refinan el tamaño del grano y mejoran la resistencia a la fluencia; también afectan la soldabilidad y el comportamiento de la ZAT. - El carbono controla el equilibrio entre dureza y tenacidad y la formación de martensita; los niveles se mantienen moderados para equilibrar la soldabilidad con la resistencia.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
microestructuras típicas En estado normalizado y revenido, ambas calidades desarrollan una microestructura martensítica revenida con una alta densidad de carburos y carbonitruros finos (precipitados ricos en V y Nb). La estructura laminar de la martensita revenida proporciona la combinación de resistencia y tenacidad necesaria para su uso a altas temperaturas. - El T92 tiende a desarrollar distribuciones de carburo más finas y estables a alta temperatura debido al efecto estabilizador del carburo de tungsteno; esto contribuye a mejorar la resistencia a la fluencia y la resistencia al revenido en el extremo superior de las temperaturas de diseño.
Respuesta al tratamiento térmico - Normalización: Ambos grados se normalizan normalmente (enfriamiento por aire) a partir de temperaturas en el rango de ~980–1050 °C (parámetros de proceso según estándar) para refinar el tamaño de grano de austenita previo. Temple y revenido: El revenido posterior a la normalización a temperaturas generalmente entre 700 y 760 °C produce martensita revenida. Un revenido a mayor temperatura reduce la dureza y aumenta la tenacidad, pero puede disminuir la resistencia a la fluencia. - Rutas termomecánicas: El laminado controlado y el procesamiento termomecánico (para tubos/placas) refinan el tamaño del grano y la densidad de dislocación; el T92 se beneficia particularmente de un control cuidadoso para obtener distribuciones óptimas de precipitados porque su contenido de W afecta la cinética de precipitación.
4. Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas dependen en gran medida del tratamiento térmico y la forma del producto. La tabla siguiente muestra rangos típicos representativos para condiciones normalizadas y revenidas comúnmente utilizadas en componentes de centrales eléctricas.
| Propiedad (condición típica, N&T) | T91 | T92 |
|---|---|---|
| Límite elástico (0,2% de deformación) | ~350–450 MPa (mínimos típicos según especificación ~415 MPa) | ~400–550 MPa (en muchos casos, los límites superiores son más altos) |
| Resistencia a la tracción | ~560–700 MPa | ~600–750 MPa |
| Alargamiento (A%) | ~18–25% | ~15–22% |
| Resistencia al impacto (Charpy-V, temperatura ambiente) | moderado; depende de la muesca y del tratamiento térmico (por ejemplo, de decenas de J a >40 J). | comparable o ligeramente inferior en algunas condiciones debido a su mayor templabilidad; depende del revenido. |
| Dureza (HRC/HB) | moderado (templado) | Tendencia ligeramente superior con el mismo templado debido a W |
Interpretación: - El acero T92 generalmente está diseñado para proporcionar una mayor resistencia a la fluencia y una mejor retención de la resistencia a temperaturas elevadas que el acero T91, a expensas de una templabilidad algo mayor y, en algunos casos, una tenacidad o ductilidad a temperatura ambiente ligeramente reducida cuando se compara en condiciones de revenido equivalentes. - Para componentes diseñados para el mismo régimen de templado, el T92 a menudo muestra una mayor resistencia a la tracción y a la fluencia, mientras que el T91 puede ofrecer una ductilidad algo mejor y un procesamiento más fácil en algunos escenarios de fabricación.
5. Soldabilidad
Templabilidad y consideraciones de soldadura - Tanto T91 como T92 requieren procedimientos de soldadura controlados: consumibles de bajo hidrógeno, precalentamiento, control de temperatura entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para templar la ZAT y aliviar las tensiones residuales. Debido a su mayor templabilidad (el tungsteno en el acero T92 la incrementa), este acero puede requerir un control más estricto del precalentamiento y del tratamiento térmico posterior a la soldadura para evitar el agrietamiento de la martensita en la zona afectada por el calor. Los elementos de microaleación (vanadio, niobio) y el contenido de carbono también aumentan la susceptibilidad a la formación de una zona afectada por el calor dura y al agrietamiento en frío en presencia de hidrógeno.
Índices útiles de soldabilidad (interpretación cualitativa) - Un índice empírico de uso común es el equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Un valor más alto de $CE_{IIW}$ indica una mayor templabilidad y una mayor necesidad de precalentamiento/PWHT. - Un índice más completo es $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - $P_{cm}$ ayuda a predecir la susceptibilidad al agrietamiento por frío; los valores más altos indican un mayor riesgo.
Resultado cualitativo: Ambos grados requieren tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT); el T92 suele requerir un precalentamiento mayor y programas de PWHT cuidadosos, ya que el tungsteno y el contenido ajustado de molibdeno aumentan ligeramente el coeficiente de expansión térmica (CE) y la presión en el centro de presión (P<sub>cm</sub>). La cualificación del procedimiento de soldadura y el control del hidrógeno son obligatorios para componentes sometidos a presión.
6. Corrosión y protección de superficies
- Ni el T91 ni el T92 son inoxidables; son aceros ferríticos con una resistencia moderada a la oxidación a altas temperaturas debido al Cr. Para ambientes oxidantes de vapor y altas temperaturas desarrollan capas de óxido protectoras, pero son susceptibles a la oxidación por vapor, la carburización y la sulfuración dependiendo del servicio.
- Las estrategias de protección de superficies incluyen recubrimientos (pinturas de alta temperatura, recubrimientos de aluminuro), revestimientos internos para medios corrosivos e inspecciones rutinarias. Para la corrosión ambiental, se suele emplear pintura protectora o metalización estándar; la galvanización no se utiliza generalmente en componentes expuestos a vapor a altas temperaturas.
- El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es aplicable a estos aceros no inoxidables; para los grados inoxidables, la fórmula $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Se utiliza, pero no es relevante para T91/T92.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad: Ambos aceros son más difíciles de mecanizar que los aceros al carbono comunes. El T92, con mayor contenido de tungsteno y tendencia a conservar la dureza, puede desgastar ligeramente más las herramientas y requiere velocidades de corte reducidas y herramientas robustas.
- Conformabilidad: El conformado y doblado en frío son limitados; los componentes generalmente se conforman en estado normalizado y luego se templan. El embutido profundo no es habitual; para piezas forjadas de gran tamaño, se prefiere el conformado en caliente seguido de normalización y revenido.
- Acabado: El rectificado y el pulido son viables, pero las herramientas se desgastan más rápidamente que con aceros de menor aleación. El tratamiento térmico posterior al conformado y la soldadura es esencial para recuperar las propiedades martensíticas revenidas deseadas.
8. Aplicaciones típicas
| T91 (usos típicos) | T92 (usos típicos) |
|---|---|
| Tubos de caldera, colectores y tuberías de vapor en plantas convencionales/avanzadas que operan a temperaturas de vapor moderadas a altas. | Tubos de sobrecalentador y recalentador, colectores, tuberías de vapor y componentes para plantas ultra-supercríticas/avanzadas donde se requiere una mayor resistencia a la fluencia. |
| Cabezales, codos y accesorios para plantas con temperaturas de diseño de hasta ~600 °C | Componentes para condiciones de vapor a temperaturas más elevadas (por ejemplo, en el rango de 600–650 °C) y mayores requisitos de vida útil ante la fluencia. |
| Tubería del intercambiador de calor, paredes del horno para servicio a temperaturas moderadamente altas | Componentes A-USC de nueva fabricación, piezas fundidas/forjadas de gran sección donde se prioriza una elevada resistencia a la fluencia. |
| Piezas de repuesto en sistemas heredados donde el suministro, el coste y la facilidad de fabricación son importantes | Componentes críticos de larga duración donde la justificación del costo del ciclo de vida favorece un mayor costo de los materiales |
Justificación de la selección: - Elija T91 por su rendimiento comprobado en numerosas aplicaciones de centrales eléctricas a temperaturas ligeramente inferiores, donde se desea una fabricación sencilla y un menor coste del material. - Elija T92 cuando la temperatura de diseño, la vida útil a la fluencia y la retención de resistencia a largo plazo a temperaturas elevadas sean la prioridad, y cuando los procesos de adquisición/fabricación puedan manejar requisitos de soldadura y tratamiento térmico más estrictos.
9. Costo y disponibilidad
- Coste relativo: El acero T92 suele ser más caro que el T91 debido al tungsteno adicional y a los controles de procesamiento más estrictos. El sobreprecio varía según el mercado y el tipo de producto.
- Disponibilidad: El acero T91 lleva más tiempo en servicio y, históricamente, ha tenido una mayor disponibilidad en tuberías, tubos, placas y forjados. La disponibilidad del acero T92 ha aumentado con la demanda de centrales de vapor avanzadas, pero aún puede ser más limitada en algunos tamaños de producto y plazos de entrega.
- Formatos del producto: Ambos grados están disponibles en forma de tuberías, tubos, placas, forjados y accesorios, tanto sin soldadura como soldados; para adquisiciones críticas, se debe confirmar la disponibilidad y los plazos de entrega con los proveedores.
10. Resumen y recomendación
| Criterio | T91 | T92 |
|---|---|---|
| Soldabilidad (dificultad del procedimiento) | Funciona bien con procedimientos de bajo H cualificados; ligeramente más fácil que T92 | Mayor exigencia debido a su mayor templabilidad; precalentamiento/PWHT más estricto. |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Fuerte y con buena resistencia en condiciones estándar. | Mayor resistencia a altas temperaturas y a la fluencia; ligera pérdida de ductilidad/tenacidad si no se procesa cuidadosamente. |
| Costo | Menor (generalmente) | Mayor (generalmente) |
Recomendación: - Elija T91 si necesita un acero 9Cr resistente a la fluencia, bien establecido y rentable, para servicio de vapor a alta temperatura, donde las temperaturas de funcionamiento y la vida útil requerida a la fluencia se encuentren dentro del rango probado del Grado 91, y cuando la simplicidad de fabricación y la disponibilidad sean importantes. - Elija T92 si el diseño requiere una resistencia a la fluencia a largo plazo superior y una estabilidad microestructural en el rango superior de servicio a temperatura elevada (por ejemplo, condiciones de vapor avanzadas o ultra-supercríticas), y si puede adaptarse a requisitos más estrictos de soldadura, tratamiento térmico y adquisición.
Nota final: Ambos grados requieren una especificación cuidadosa del tratamiento térmico, la cualificación del procedimiento de soldadura y la inspección para lograr un rendimiento fiable y duradero. Para componentes críticos de alta temperatura, realice pruebas de fluencia a nivel de componente, una evaluación de la capacidad del proveedor y un análisis del coste del ciclo de vida como parte del proceso de selección.