P22 vs P91 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Escolher entre P22 e P91 é uma decisão técnica comum para engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação que trabalham em equipamentos de retenção de pressão e sistemas de tubulação de alta temperatura. O dilema da seleção geralmente gira em torno da vida útil sob vapor/calor (desempenho de fluência), fabricação e soldabilidade, e custo total instalado (material mais soldagem e tratamento térmico). P22 (uma liga classe 2.25Cr–1Mo) e P91 (um aço microaleado de alta resistência à fluência 9Cr–1Mo) são frequentemente comparados porque ambos são usados nas indústrias de energia e processo, mas visam diferentes envelopes de temperatura–estresse e requisitos de fabricação.

A principal distinção técnica é que o P91 é projetado para uma resistência à fluência e força a longo prazo substancialmente mais altas em temperaturas elevadas, enquanto o P22 fornece um equilíbrio de força adequada em alta temperatura com fabricação mais fácil e menor custo de material. Essa diferença impulsiona a seleção de material para componentes sujeitos a exposição prolongada a vapor ou serviço em alta temperatura.

1. Normas e Designações

• Normas e designações comuns:
• ASTM/ASME: A335 / SA335 P22 e P91 (graus de tubo de aço liga ferrítica sem costura), ASTM A213, A335, ASME SA335.
• EN: Aços equivalentes estão cobertos sob normas EN para equipamentos de pressão, mas podem ter nomes de grau diferentes (por exemplo, variantes 22CrMo e 9CrMo).
• JIS/GB: Normas nacionais listarão equivalentes próximos (por exemplo, séries 2.25Cr–1Mo e 9Cr–1Mo).
• Classificação:
• P22: aço ferrítico de baixa liga (frequentemente agrupado com aços resistentes ao calor Cr–Mo).
• P91: aço ferrítico de alta liga/alta resistência com microaleação (Cr–Mo–V–Nb) — considerado um ferrítico melhorado para resistência à fluência (semelhante ao HSLA em alguns contextos, mas especificamente projetado para resistência à fluência em alta temperatura).

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: Intervalos de composição típicos (massa %) para P22 e P91 (intervalos representativos por especificações comuns).

Elemento	P22 (intervalos aproximados)	P91 (intervalos aproximados)
C	0.05 – 0.15	0.08 – 0.12
Mn	0.30 – 0.60	0.30 – 0.60
Si	0.10 – 0.50	0.20 – 0.60
P	≤ 0.03	≤ 0.02
S	≤ 0.03	≤ 0.01
Cr	2.00 – 2.60	8.00 – 9.50
Ni	≤ 0.40	≤ 0.40
Mo	0.80 – 1.10	0.85 – 1.05
V	– (traço)	0.15 – 0.25
Nb (Cb)	– (traço)	0.06 – 0.12
Ti	≤ 0.01	≤ 0.02
B	– (traço)	≤ 0.001
N	≤ 0.03	~0.03 – 0.09

Notas: - Os intervalos acima são indicativos das químicas de produção típicas usadas para atender às especificações baseadas em ASME/ASTM. Os limites exatos dependem da norma específica e do fornecedor. - O P91 inclui microaleação intencional (V, Nb, N e B controlados) para estabilizar microestruturas martensíticas temperadas finas e melhorar a resistência à fluência. O P22 depende principalmente de adições moderadas de Cr e Mo para resistência em alta temperatura.

Como a liga afeta as propriedades: - O cromo aumenta a resistência à oxidação/escama e a resistência em temperatura; maior Cr no P91 permite uma matriz martensítica temperada estável em temperaturas mais altas. - O molibdênio melhora a resistência em alta temperatura e a temperabilidade em ambas as ligas. - O vanádio e o nióbio no P91 formam dispersóides de carbonetos/nitratos que fixam os limites de grão e retardam o crescimento de fluência/vazios, permitindo maior resistência a longo prazo. - O carbono e a microaleação equilibram a temperabilidade, resistência e soldabilidade — o nível controlado de C no P91 é maior do que em alguns aços de baixa liga, mas é gerenciado por têmpera e design de liga.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

P22: - Microestrutura típica após normalização e têmpera: bainita temperada / microestrutura ferrítica-perlítica dependendo do tratamento térmico exato. A normalização e têmpera convencionais produzem uma microestrutura temperada relativamente grosseira adequada para serviço de vapor em temperatura moderada. - Resposta ao tratamento térmico: O P22 responde à normalização e têmpera; a supertempera reduz a resistência, mas melhora a tenacidade. Não é projetado para a microestrutura martensítica temperada fina vista no P91.

P91: - Microestrutura típica após normalização e têmpera: martensita temperada em lâminas com alta densidade de discordâncias e uma dispersão controlada de carbonetos/nitratos de V/Nb; essa microestrutura fina e estável proporciona alta resistência à fluência. - O processamento termo-mecânico e o controle rigoroso da temperatura de normalização e das condições de têmpera são críticos para desenvolver a microestrutura desejada e evitar fragilização por têmpera ou supertempera. - O P91 é sensível ao tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) — o PWHT correto é essencial para recuperar a tenacidade e aliviar tensões residuais sem coarsening de precipitados.

Comparação: - O P91 alcança maior resistência e resistência à fluência formando uma estrutura martensítica temperada estabilizada por precipitados de microaleação; o P22 depende do fortalecimento Cr–Mo em uma matriz mais ferrítica/bainítica. - Ambos requerem tratamento térmico controlado, mas o P91 geralmente exige controle mais rigoroso (normalizado a temperaturas mais altas e temperado a temperaturas específicas) e PWHT consistente para atender às especificações de fluência.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: Descritores comparativos para propriedades mecânicas em condições comumente fornecidas (normalizadas e temperadas).

Propriedade	P22	P91	Comentário
Resistência à Tração	Média	Alta	O P91 oferece resistência à tração substancialmente mais alta na condição temperada devido à estrutura martensítica e microaleação.
Resistência ao Escoamento	Média	Alta	O P91 fornece maior escoamento, o que beneficia seções mais finas para a mesma carga.
Alongamento (ductilidade)	Bom	Moderado	O P22 tende a ser mais dúctil; o P91 troca alguma ductilidade por resistência e resistência à fluência.
Tenacidade ao Impacto	Boa (em temperaturas mais baixas)	Boa a excelente (quando tratado termicamente de forma adequada)	O P91 pode alcançar boa tenacidade, mas é mais sensível ao processo; o P91 mal tratado termicamente pode apresentar tenacidade reduzida.
Dureza	Moderada	Mais alta	O P91 apresenta maior dureza após a têmpera; a dureza deve ser controlada para evitar fragilização e atender às especificações de soldagem/tratamento térmico.

Interpretação: - O P91 é o material mais forte e mais resistente à fluência para serviço em alta temperatura, mas alcançar suas propriedades mecânicas requer processamento controlado e PWHT. - O P22 oferece um equilíbrio de resistência, tenacidade e ductilidade adequado para muitos serviços até temperaturas elevadas moderadas e é geralmente mais tolerante na fabricação.

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade incluem teor de carbono, teor de liga, temperabilidade e a presença de elementos de microaleação. Fórmulas preditivas comumente usadas para avaliação qualitativa:

• Equivalente de Carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm (parâmetro de soldabilidade): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - P22: equivalente de carbono moderado; soldabilidade geralmente boa a justa com práticas padrão de pré-aquecimento e PWHT para seções mais grossas. Comumente soldado na fabricação de usinas com procedimentos estabelecidos. - P91: maior temperabilidade devido ao maior Cr e microaleação; possui um CE e Pcm efetivos mais altos, o que significa maior risco de HAZ duro e frágil se soldado sem controles rigorosos. O P91 requer metais de adição cuidadosamente controlados, pré-aquecimento, temperaturas entre passes e PWHT obrigatório para restaurar a tenacidade e aliviar tensões residuais. - Na prática, os procedimentos de soldagem do P91 são mais exigentes e requerem procedimentos de soldagem e soldadores qualificados; juntas de metais diferentes (por exemplo, P91 para P22 ou para aço carbono padrão) requerem procedimentos de soldagem de transição especiais.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Tanto o P22 quanto o P91 são aços de liga ferrítica não inoxidáveis e dependem de revestimentos ou proteção de barreira para resistência à corrosão em atmosferas aquosas ou agressivas.
• Proteções típicas: pintura, galvanização (onde compatível), revestimento (por exemplo, sobreposição de solda ou revestimento resistente à corrosão), ou inibidores em sistemas fechados.
• PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a esses aços não inoxidáveis; para graus inoxidáveis, o índice é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Para resistência à oxidação/escama em alta temperatura, o maior teor de Cr do P91 proporciona desempenho melhorado em comparação com o P22, mas nenhum dos graus substitui os aços inoxidáveis em ambientes críticos à corrosão.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade: O P22 é geralmente mais fácil de usinar devido à menor dureza e microestrutura mais simples. A maior dureza e liga do P91 podem aumentar o desgaste das ferramentas e exigir velocidades de corte/alimentação mais lentas.
• Formação/dobra: O P22 é mais dúctil e tolerante em operações de formação. A formação a frio do P91 é limitada e geralmente requer estratégias térmicas/de formação ou deformação limitada; a formação a quente pode ser usada, mas requer controle cuidadoso.
• Acabamento: A preparação da superfície e os tratamentos térmicos pós-fabricação (especialmente PWHT para P91) adicionam etapas e custo. O controle da distorção da soldagem é mais crítico para o P91 devido às maiores tensões residuais e dureza na HAZ.

8. Aplicações Típicas

Tabela: Usos típicos para cada grau e justificativa de seleção.

P22 (2.25Cr–1Mo)	P91 (9Cr–1Mo–V–Nb)
Tubos de caldeira e tubulação de vapor em temperatura moderada (unidades subcríticas e supercríticas inferiores)	Tubulação de vapor em alta temperatura, cabeçotes e componentes em caldeiras ultra-supercríticas e supercríticas
Vasos de pressão e trocadores de calor para serviço em temperatura moderada	Componentes que requerem resistência à fluência a longo prazo em temperaturas mais altas (por exemplo, linhas de vapor de alta pressão)
Tubulação de processo geral onde a resistência em temperatura elevada moderada é adequada	Tubulação principal de vapor de usinas, cabeçotes de reaquecedores e superaquecedores, e componentes onde a vida útil de projeto sob fluência é crítica

Justificativa de seleção: - Escolha P22 quando as temperaturas e estresses de serviço forem moderados, quando a simplicidade de fabricação e o controle de custos forem prioridades, e quando os requisitos de vida útil de fluência a longo prazo forem menos severos. - Escolha P91 quando o estresse e a temperatura de projeto exigirem alta resistência à fluência e estabilidade a longo prazo; o P91 permite redução da espessura da seção ou extensão da vida útil do componente em condições severas de alta temperatura.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo do material: O P91 é tipicamente mais caro por quilograma do que o P22 devido a requisitos de liga e processamento mais altos.
• Custo de fabricação e ciclo de vida: O P91 pode exigir consumíveis de soldagem mais caros, qualificação de procedimento mais rigorosa e PWHT obrigatório — aumentando o custo instalado. No entanto, para serviço em alta temperatura, o custo do ciclo de vida pode favorecer o P91 devido à redução de substituição e manutenção impulsionadas pela superior resistência à fluência.
• Disponibilidade: O P22 está amplamente disponível em muitas formas de produto (placa, tubo, conexões) e é comumente estocado. O P91 é amplamente produzido para geração de energia, mas pode ter prazos de entrega mais longos para certas formas de produto e forjados de grande diâmetro ou especiais.

10. Resumo e Recomendação

Tabela: resumo comparativo conciso.

Critério	P22	P91
Soldabilidade	Boa a justa (procedimentos padrão)	Justa a desafiadora (exige controles rigorosos e PWHT)
Resistência–Tenacidade (temperatura elevada)	Moderada	Alta (superior resistência à fluência)
Custo (material + fabricação)	Mais baixo	Mais alto
Fabricação / Maquinabilidade	Mais fácil	Mais exigente

Conclusões e orientações de seleção: - Escolha P22 se você precisar de uma liga Cr–Mo econômica e mais fácil de fabricar para aplicações em temperatura elevada moderada onde a vida útil de fluência a longo prazo não é o principal fator de projeto. Contextos típicos: tubulação de caldeira convencional, vasos de pressão em temperatura moderada e tubulação de processo geral. - Escolha P91 se o componente deve suportar estresses mais altos em temperaturas elevadas por longos períodos de serviço (por exemplo, superaquecedores/reaquecedores/cabeçotes em usinas avançadas), quando minimizar a espessura da parede ou estender a vida útil justifica custos mais altos de material e fabricação. Certifique-se de que procedimentos de soldagem qualificados, metalurgia de adição correta e PWHT controlado estejam em vigor.

Nota prática final: A seleção de material deve sempre ser acompanhada de avaliações de engenharia da temperatura de operação, estresse, vida útil esperada, capacidade de soldagem e inspeção, e custo do ciclo de vida. Em caso de dúvida para serviço em alta temperatura e longa vida, consulte curvas de dados de fluência, regras de código aplicáveis (ASME BPVC/normas EN) e um especialista em materiais para validar a escolha entre P22 e P91.