P11 vs P22 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

P11 e P22 são dois aços liga de cromo-molibdênio amplamente utilizados especificados para partes de pressão e serviços em alta temperatura, como tubos de caldeira, cabeçotes e tubulações. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação comumente ponderam as compensações entre resistência/resistência ao fluência, soldabilidade, tenacidade e custo ao escolher entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem a seleção do grau certo para serviço em temperatura elevada (fluência vs. custo), especificação de práticas de pré-aquecimento e PWHT (soldabilidade e risco de trincas por hidrogênio) e otimização do custo do ciclo de vida para intervalos de substituição.

A principal característica de design que distingue esses dois graus é sua estratégia de liga: P22 contém um teor de cromo e molibdênio mais alto do que P11. Essa diferença composicional proporciona maior resistência em alta temperatura e resistência à fluência no P22, ao mesmo tempo em que aumenta a endurecibilidade e as considerações de soldagem/pré-aquecimento em comparação com o P11. Como ambos são usados para aplicações semelhantes de tubulação e vasos de pressão, a comparação é frequente durante a seleção de materiais para usinas de energia, refinarias e equipamentos petroquímicos.

1. Normas e Designações

• Normas e designações comuns:
• ASME/ASTM: ASME SA335 / ASTM A335 (tubo de aço liga ferrítico sem costura): P11, P22.
• EN: Designações equivalentes são às vezes dadas como famílias 1.0–1.25Cr–0.5Mo e 2.25Cr–1Mo; números específicos da EN variam com o produto e o tratamento térmico.
• JIS / GB: Normas regionais podem listar graus correspondentes (consulte tabelas de normas específicas para referência cruzada exata).
• Classe de material:
• Tanto P11 quanto P22 são aços liga (aços ferríticos de cromo-molibdênio) destinados a serviços em temperatura elevada. Eles não são aços inoxidáveis, aços para ferramentas ou aços HSLA no sentido usual.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela a seguir resume os níveis relativos de elementos comuns em vez de porcentagens absolutas; isso evita apresentar valores numéricos específicos que dependem da especificação exata e do fornecedor.

Elemento	P11 (nível relativo)	P22 (nível relativo)
C	Baixo–Moderado	Baixo–Moderado
Mn	Baixo–Moderado	Baixo–Moderado
Si	Baixo–Moderado	Baixo–Moderado
P	Traço / Controlado	Traço / Controlado
S	Traço / Controlado	Traço / Controlado
Cr	Moderado (mais baixo)	Mais alto (notavelmente mais alto)
Ni	Traço / Baixo	Traço / Baixo
Mo	Moderado (mais baixo)	Mais alto (notavelmente mais alto)
V	Traço / Possível microligação	Traço / Possível microligação
Nb (Nb/Ta)	Tipicamente não adicionado	Tipicamente não adicionado
Ti	Traço / Controlado	Traço / Controlado
B	Não tipicamente especificado	Não tipicamente especificado
N	Níveis baixos controlados	Níveis baixos controlados

Explicação: - O P11 é formulado com adições modestas de cromo e molibdênio para fornecer resistência e resistência à fluência em temperaturas elevadas, mantendo uma soldabilidade relativamente boa. Sua liga é conservadora. - O P22 aumenta os níveis de cromo e molibdênio para elevar a resistência em alta temperatura, resistência à oxidação e resistência à fluência; esses aumentos também elevam a endurecibilidade e podem tornar a soldagem e o tratamento térmico mais exigentes. - Outros elementos, como Mn e Si, estão presentes em níveis semelhantes e controlados em ambos os graus e influenciam principalmente a desoxidação, resistência e tenacidade. - Níveis de impurezas muito baixos e rigidamente controlados (P, S, N) são importantes para a tenacidade e desempenho em alta temperatura em ambos os graus.

Como a liga afeta as propriedades: - O cromo e o molibdênio aumentam a endurecibilidade, a resistência em temperatura elevada e o desempenho de ruptura por fluência; o cromo também contribui para a resistência à oxidação. - O carbono aumenta a resistência, mas reduz a soldabilidade e a tenacidade se excessivo. - Elementos de microligação (V, Nb, Ti) podem refinar o tamanho do grão e melhorar a resistência à fluência por meio do endurecimento por precipitação quando presentes intencionalmente.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas e comportamento de tratamento térmico: - Microestrutura base após normalização e têmpera: Ambos os graus desenvolvem uma microestrutura ferrítica martensítica ou bainítica temperada, dependendo da taxa de resfriamento e do nível de liga. A normalização adequada refina o tamanho do grão de austenita anterior; a têmpera reduz a dureza enquanto restaura a tenacidade. - P11: Com seu menor teor de liga, o P11 tipicamente forma martensita temperada ou bainita temperada com resposta de têmpera relativamente fácil. Aceita ciclos padrão de normalização e têmpera usados para aços Cr–Mo de baixa liga e é tolerante em janelas de tratamento térmico. - P22: O maior teor de Cr e Mo aumenta a endurecibilidade e desacelera as transformações bainíticas/martensíticas; sob resfriamento rápido, a microestrutura como-temperada pode ser mais dura e mais martensítica. A têmpera é essencial para restaurar a tenacidade e ajustar as propriedades de fluência; o P22 pode exigir um tratamento térmico mais controlado para evitar superaquecimento ou gradientes de dureza retidos. - Processamento termo-mecânico: Nenhum dos graus é tipicamente processado com TMCP agressivo para níveis de chapa de alta resistência usados em aços estruturais; para componentes, o trabalho a quente controlado seguido de normalização e têmpera é a rota padrão para produzir uma microestrutura temperada confiável. - Considerações de fluência: A liga do P22 suporta maior resistência à ruptura por fluência em temperaturas elevadas; a estabilidade dos carbonetos (carbonetos ricos em Cr e Mo) e sua distribuição após a têmpera são fundamentais para o desempenho a longo prazo.

4. Propriedades Mecânicas

A tabela a seguir fornece descritores comparativos qualitativos; os valores reais dependem da especificação e do tratamento térmico.

Propriedade	P11 (típico)	P22 (típico)
Resistência à tração	Moderada	Mais alta
Resistência ao escoamento	Moderada	Mais alta
Alongamento (ductilidade)	Bom	Bom a ligeiramente reduzido
Tenacidade ao impacto	Boa (especialmente após têmperas adequadas)	Boa quando adequadamente temperada; pode ser mais sensível ao tratamento térmico
Dureza (como tratado termicamente)	Moderada	Mais alta (pode ser mais alta antes da têmpera)

Interpretação: - O P22 geralmente alcança maiores resistências à tração e ao escoamento e superior resistência à fluência em temperaturas elevadas devido ao maior teor de Cr–Mo e fases de carbonetos mais estáveis. - O P11 frequentemente oferece uma ligeira melhor facilidade de alcançar tenacidade, com menor endurecibilidade e, portanto, menos complicações de soldagem/tratamento térmico em muitos ambientes de oficina. - Ambos os graus podem ser produzidos para atender a metas específicas de impacto e resistência por meio de normalização e têmpera adequadas; as propriedades finais dependem do tratamento térmico.

5. Soldabilidade

A soldabilidade é influenciada pelo equivalente de carbono e pela endurecibilidade. Dois descritores empíricos comumente usados são o equivalente de carbono IIW e o mais abrangente Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - O P22, com seu maior teor de cromo e molibdênio, produz uma maior contribuição para os termos de endurecibilidade em $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$; assim, as zonas soldadas são mais propensas a formar martensita dura e requerem um controle mais cuidadoso (pré-aquecimento, temperatura entre passes e tratamento térmico pós-soldagem — PWHT). - O P11 tipicamente tem uma contribuição de equivalente de carbono calculada mais baixa de Cr e Mo, tornando mais fácil a soldagem com procedimentos padrão; menor severidade de pré-aquecimento/PWHT é frequentemente possível. - Ambos os materiais geralmente requerem PWHT em aplicações de vasos de pressão e tubulação para reduzir tensões residuais e temperar quaisquer microestruturas duras formadas na zona afetada pelo calor (HAZ). - Trincas a frio induzidas por hidrogênio: como o P22 é mais endurecível, é mais suscetível a trincas na HAZ se o hidrogênio e a restrição não forem controlados; procedimentos rigorosos para pré-aquecimento, seleção de consumíveis e controle de hidrogênio são necessários. - Consumíveis: metais de enchimento que correspondem ou superam o teor de liga apropriado são selecionados para atender aos requisitos de resistência e alta temperatura; a seleção do enchimento deve considerar a compatibilidade com PWHT e o desempenho em fluência.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, P11 ou P22, é uma liga inoxidável; eles dependem de revestimentos, pintura, galvanização (quando aplicável para exposição a temperaturas mais baixas) ou revestimento para ambientes corrosivos.
• O maior teor de cromo no P22 oferece uma resistência um pouco melhor à oxidação em temperaturas elevadas em comparação com o P11, mas isso não é equivalente à resistência à corrosão inoxidável.
• Para corrosão aquosa ou correntes de processo altamente corrosivas, é necessário revestimento com graus inoxidáveis ou margens de corrosão.
• PREN (número equivalente de resistência à picada) é usado para ligas inoxidáveis e não é aplicável a esses aços Cr–Mo de baixa liga, mas, para clareza, a fórmula do PREN é:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Como o PREN é destinado a aços inoxidáveis, não deve ser usado para classificar P11/P22; seu desempenho à corrosão deve ser projetado pela seleção de sistemas de proteção, revestimentos de material ou margens de corrosão com base no ambiente.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade:
• Ambos os graus são usináveis de forma satisfatória em condições normalizadas e temperadas, mas o P22 pode ser mais abrasivo e endurecer se os parâmetros de corte não forem otimizados devido ao maior teor de endurecibilidade e carbonetos.
• Formabilidade / dobra:
• O P11 é geralmente mais fácil de formar a frio e dobrar sem pré-aquecimento agressivo do que o P22 devido ao menor teor de liga; no entanto, ambos são comumente formados na condição normalizada ou por procedimentos de dobra a quente controlados.
• Acabamento de superfície e acabamento:
• Partículas de liga mais altas e carbonetos no P22 podem aumentar o desgaste das ferramentas em operações de acabamento; especifique ferramentas e alimentações apropriadas.
• Recomendações:
• Realize a formação e a usinagem na condição normalizada/temperada, não no estado duro como laminado ou soldado.
• Use resfriamento, fluidos de corte e materiais de ferramenta apropriados (carbonetos ou cerâmicas revestidos para cortes de alta liga).

8. Aplicações Típicas

P11 — Usos Típicos	P22 — Usos Típicos
Tubulação de baixa pressão ou temperatura moderada, cabeçotes e conexões onde custo e soldabilidade são prioridades	Tubulação de vapor em alta temperatura, partes de pressão e componentes que requerem superior resistência à fluência e resistência à oxidação
Tubos e componentes de trocadores de calor onde resistência à fluência moderada é adequada	Linhas principais de vapor, cabeçotes de superaquecedores/reaquecedores e componentes em aplicações de usinas de energia de temperatura moderada a alta
Peças de reposição econômicas onde a temperatura de serviço não é extrema	Componentes críticos de vasos de pressão e tubulação em usinas fósseis ou de ciclo combinado onde uma vida útil de fluência mais longa é necessária
Tubulação de aço liga de uso geral em serviço petroquímico com demandas de temperatura menos severas	Componentes que requerem maior tensão permitida a temperatura ou espessura reduzida para a mesma tensão de projeto

Racional de seleção: - Escolha P22 quando maior resistência a longo prazo em temperatura elevada, resistência à oxidação e vida útil de fluência forem fatores determinantes de design. - Escolha P11 quando custo mais baixo e facilidade de fabricação/soldagem forem prioridades e as demandas de temperatura/fluência forem modestas.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo:
• O P22 geralmente tem um preço de material mais alto do que o P11 devido ao aumento do teor de Cr e Mo e ao processamento mais rigoroso para desempenho em alta temperatura.
• O P11 é geralmente mais econômico e amplamente estocado em muitos inventários de tubos e conexões.
• Formas de produto e disponibilidade:
• Ambos os graus estão comumente disponíveis como tubo sem costura, tubo soldado, conexões, flanges e chapas de vasos de pressão; no entanto, os prazos de entrega para P22 podem ser mais longos para espessuras de chapa especializadas ou componentes forjados.
• A disponibilidade pode variar regionalmente; engenheiros de compras devem confirmar os prazos de entrega para a forma de produto requerida e qualquer condição de tratamento térmico especificada.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo (qualitativa):

Critério	P11	P22
Soldabilidade	Mais fácil (menor severidade de pré-aquecimento/PWHT típica)	Mais exigente (maior pré-aquecimento/PWHT; risco de trincas na HAZ)
Resistência–Tenacidade (temperatura elevada)	Resistência moderada, boa tenacidade	Maior resistência e resistência à fluência, tenacidade dependente do tratamento térmico
Custo	Custo de material mais baixo	Custo de material mais alto

Conclusões e orientações práticas: - Escolha P11 se: - A temperatura de projeto e a vida útil de fluência requerida forem moderadas, e custo e facilidade de fabricação/soldagem forem restrições significativas. - Você deseja um procedimento de soldagem mais tolerante com menor severidade de pré-aquecimento/PWHT em trabalho de oficina ou campo. - O projeto permitir um material com menor teor de Cr/Mo e uma tensão permitida correspondente mais baixa a temperatura.

• Escolha P22 se:
• A aplicação exigir maior resistência em alta temperatura, maior vida útil de fluência ou melhor resistência à oxidação em temperaturas de serviço.
• Você puder aplicar controles de soldagem mais rigorosos, pré-aquecimento e PWHT, e aceitar o custo de material mais alto para maior vida útil ou espessura de seção reduzida.
• Códigos de design ou requisitos de tensão permitida especificarem uma classificação de temperatura mais alta que se alinhe com o desempenho do P22.

Nota final: Tanto P11 quanto P22 são materiais maduros e bem compreendidos com décadas de aplicação em geração de energia e indústrias de processo. A decisão deve ser baseada na temperatura de projeto e nos requisitos de vida útil de fluência, capacidades de soldagem e fabricação, modelagem de custo do ciclo de vida e requisitos específicos de código/contrato. Quando em dúvida, realize uma avaliação de engenharia focada, incluindo curvas de tensão permitida vs. temperatura, qualificação de procedimento de soldagem e verificação do fornecedor da capacidade de tratamento térmico para garantir que o grau escolhido atenda às expectativas de serviço a longo prazo.