P22 vs P91 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
Compartilhar
Table Of Content
Table Of Content
Introdução
P22 e P91 são dois aços liga temperados amplamente utilizados para componentes que contêm pressão na geração de energia, petroquímica e indústrias de processos pesados. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação comumente enfrentam um compromisso ao escolher entre eles: menor custo de material e fabricação com resistência aceitável a altas temperaturas versus maior capacidade a altas temperaturas e resistência ao fluência a longo prazo, exigindo controles de fabricação mais rigorosos.
O principal fator distintivo é seu desempenho projetado em serviço a altas temperaturas: uma classe é otimizada para resistência moderada a altas temperaturas com processamento mais simples, enquanto a outra é projetada para resistência à fluência substancialmente maior em temperaturas de vapor e processo através do aumento da liga e estabilização microalógica. Como ambos aparecem em especificações de produtos ASME/ASTM semelhantes (tubos, conexões, componentes forjados), a comparação é frequente ao atualizar sistemas, especificar substituições ou projetar novos equipamentos de pressão.
1. Normas e Designações
- ASTM / ASME:
- P22 — ASTM A335 / ASME SA335 P22 (frequentemente especificado como 2.25Cr–1Mo)
- P91 — ASTM A335 / ASME SA335 P91 (9Cr–1Mo–V–Nb, também conhecido como Grau 91)
- EN / Europeu: os equivalentes são tipicamente dados como aços nas famílias 13Cr e martensíticos 9–12%Cr; equivalentes numéricos diretos não são um para um.
- JIS / GB: normas nacionais podem listar equivalentes funcionais próximos, mas a especificação de limites químicos e tratamento térmico deve ser verificada.
- Classificação: ambos são aços liga (não inoxidáveis ou aços para ferramentas). Eles são aços liga de alta resistência e resistência ao calor projetados para serviço a altas temperaturas. P22 é uma classe de baixo teor de liga Cr–Mo; P91 é uma liga martensítica de alto cromo, com resistência à fluência aprimorada e adições de microalotamento.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir mostra intervalos de composição típicos (wt%) usados pela indústria e órgãos de normas para P22 e P91. Os valores são representativos; consulte a especificação de material aplicável ou o certificado de teste de fábrica para aquisição.
| Elemento | P22 (intervalo típico, wt%) | P91 (intervalo típico, wt%) |
|---|---|---|
| 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 – 0.50 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.020 |
| S | ≤ 0.015 | ≤ 0.010 |
| Cr | 2.0 – 2.6 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.85 – 1.05 | 0.85 – 1.05 |
| V | traço – baixo | 0.10 – 0.25 |
| Nb (Nb+Ta) | traço – baixo | 0.06 – 0.12 |
| Ti | — | ≤ 0.02 (se especificado) |
| B | — | ≤ 0.001 (microalotamento) |
| N | ≤ 0.015 | 0.03 – 0.07 |
Como o alotamento afeta as propriedades: - O cromo e o molibdênio aumentam a resistência ao calor e a capacidade de endurecimento; aumentar o Cr de ~2.3% (P22) para ~9% (P91) é o principal passo químico que eleva a resistência a altas temperaturas e a resistência à oxidação. - O vanádio e o nióbio em P91 formam carbonetos/nitretos estáveis que fixam os limites de grão e temperam a fragilização, melhorando a resistência à fluência e a estabilidade em alta temperatura. - Os níveis de carbono e nitrogênio são controlados para equilibrar resistência e soldabilidade; um maior teor de carbono aumenta a resistência, mas também aumenta o risco de endurecimento e fissuração a frio. - Elementos de microalotamento (V, Nb, B) em P91 são especificamente adicionados para melhorar a resistência à fluência por meio do endurecimento por precipitação e refino de grão durante o têmpera.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - P22: Em condição normalizada e temperada, P22 geralmente apresenta uma estrutura bainítica/ferrítica temperada com carbonetos dispersos (carbonetos Cr–Mo). É menos propenso a formar uma microestrutura martensítica altamente endurecida sob processamento convencional, portanto, é mais tolerante em soldagem e tratamento térmico. - P91: P91 é um aço martensítico após o resfriamento; a condição entregue é normalmente normalizada e temperada para desenvolver uma microestrutura martensítica temperada com precipitados finos e dispersos de M23C6 e tipo MX (carbonetos/nitretos de V/Nb) que fornecem resistência à fluência e estabilidade em altas temperaturas.
Efeito do tratamento térmico: - A normalização (resfriamento ao ar a partir de uma temperatura de austenitização especificada) e o têmpera são essenciais para ambas as classes, mas mais críticos para P91 para obter a microestrutura martensítica temperada pretendida e precipitar carbonetos/nitretos de endurecimento. - O resfriamento e o têmpera (para componentes forjados) devem ser cuidadosamente controlados para P91 para evitar dureza excessiva que prejudica a soldabilidade e garantir que os parâmetros de tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) sejam atendidos. - Tratamentos termo-mecânicos e envelhecimento de estabilidade: P91 se beneficia de processamento controlado e têmpera para estabilizar os precipitados resistentes à fluência; o superaquecimento ou PWHT incorreto pode reduzir a resistência ou causar fragilização do têmpera.
4. Propriedades Mecânicas
Intervalos representativos de propriedades mecânicas (temperatura ambiente, normalizado e temperado; valores específicos dependem da forma do produto e do tratamento térmico exato):
| Propriedade | P22 (típico) | P91 (típico) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~415 – 585 | ~620 – 850 |
| Resistência ao escoamento (0.2% offset, MPa) | ~250 – 350 | ~450 – 650 |
| Alongamento (%) | ~20 – 25 | ~15 – 25 |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V-notch, J) | moderada; boa em ambiente | geralmente boa; projetada para tenacidade a alta temperatura |
| Dureza (HRC / HB) | ~170–220 HB (varia) | ~200–300 HB (varia com a condição) |
Interpretação: - P91 é materialmente mais forte em resistência ao escoamento e à tração quando devidamente normalizado e temperado; isso se deve principalmente ao maior teor de Cr e precipitados de microalotamento. - A ductilidade (alongamento) é semelhante ou ligeiramente reduzida em P91 em comparação com P22 em algumas condições devido à maior resistência e martensita temperada. - A tenacidade pode ser excelente em ambas as classes se o tratamento térmico apropriado e o tratamento térmico pós-soldagem forem realizados; P91 deve ser processado corretamente para evitar zonas de martensita quebradiça.
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade derivam da equivalência de carbono, capacidade de endurecimento e microalotamento. Índices empíricos comuns são usados para avaliação qualitativa.
Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Índice alternativo Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - P22 tem um equivalente de carbono mais baixo do que P91 devido ao menor teor de Cr e microalotamento, tornando-o comparativamente mais fácil de soldar com requisitos de pré-aquecimento e tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) menos rigorosos. - P91 tem maior capacidade de endurecimento devido ao maior teor de Cr e microalotamento (V, Nb, B). Isso aumenta a suscetibilidade à formação de regiões martensíticas duras e/ou não temperadas nas zonas afetadas pelo calor da solda (HAZ), elevando o risco de fissuração a frio se não for pré-aquecido e PWHT corretamente. - Soldar P91 geralmente requer biselados controlados, metalurgia de enchimento compatível (por exemplo, enchimento P91 ou variantes estabilizadas), temperaturas interpass precisas e um PWHT para temperar a martensita e restaurar a ductilidade e resistência à fluência. Os procedimentos são mais complexos e frequentemente sujeitos a rigorosa qualificação de procedimento. - Para ambas as classes, controle de hidrogênio, procedimentos de baixo hidrogênio e PWHT adequado são essenciais para um serviço confiável a longo prazo.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Ambos P22 e P91 são aços liga não inoxidáveis; a resistência geral à corrosão em condições ambientes é moderada, mas não comparável a ligas inoxidáveis. A proteção de superfície é comumente utilizada:
- Revestimentos protetores: pintura, epóxi, tintas de alta temperatura.
- Revestimentos metalúrgicos: spray térmico (Al/Al-silicato), revestimento para serviço intensivo em corrosão.
- A galvanização a quente é possível para algumas aplicações de P22 em condições ambientes, mas não é típica para serviço a altas temperaturas; a galvanização não é adequada para temperaturas elevadas sustentadas.
- PREN (Número Equivalente de Resistência à Fissuração) é usado para ligas inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PREN não é aplicável a P22 e P91 porque não são aços inoxidáveis projetados para formar filmes passivos ricos em cromo. A gestão da corrosão deles se concentra em revestimentos, revestimentos e seleção de materiais para o ambiente específico (oxidação, sulfidização, corrosão por pite).
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade:
- P22 é mais fácil de usinar do que P91 em condições comparáveis devido à menor dureza e menor teor de liga.
- P91, sendo de maior resistência e mais fortemente ligado, é mais exigente para ferramentas de corte e pode exigir velocidades de corte mais lentas e ferramentas mais robustas.
- Formabilidade e trabalho a frio:
- Ambas as classes não são destinadas a forjamento ou conformação extensiva a frio após o tratamento térmico final; a conformação é geralmente realizada em condições mais suaves (como laminado ou normalizado) antes do tratamento térmico final.
- Acabamento:
- Desbaste e preparação de superfície para P91 exigem atenção para evitar a introdução de defeitos de superfície que podem servir como locais de iniciação de fluência ou fadiga.
- Planejamento de fabricação:
- P91 requer procedimentos de soldagem qualificados e soldadores experientes. O controle de distorção e a gestão de tensões residuais são importantes porque os ciclos de PWHT são necessários.
8. Aplicações Típicas
| P22 (usos comuns) | P91 (usos comuns) |
|---|---|
| Tubulações e cabeçotes de usinas termelétricas fósseis operando a temperaturas moderadas de vapor (até ~540–565°C) | Tubulações de vapor, cabeçotes e componentes de usinas termelétricas fósseis ultra-supercríticas e avançadas com temperaturas de vapor mais altas (frequentemente >550°C) |
| Vasos de pressão e caldeiras onde custo e fabricação mais simples são prioridades | Turbinas a vapor de alta temperatura, reaquecedores, superaquecedores e tubulações de alta pressão que requerem resistência à fluência a longo prazo |
| Tubos de aquecedores petroquímicos, tubulações de processo a temperaturas moderadas | Componentes em usinas de energia e plantas químicas que requerem alta resistência à fluência e estabilidade microestrutural |
| Materiais de substituição econômicos para aços de baixa liga mais antigos | Novos projetos visando vida útil prolongada a altas temperaturas; soldaduras críticas que requerem PWHT |
Racional de seleção: - Escolha P22 quando as temperaturas de serviço e os requisitos de fluência esperados forem moderados e quando a simplicidade de aquisição/fabricação e o custo forem importantes. - Escolha P91 quando a exposição a longo prazo a temperaturas e pressões mais altas exigir resistência à fluência superior, estabilização de precipitados mais fina e tensões permitidas mais altas.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: P91 é tipicamente mais caro por quilograma do que P22 devido ao maior teor de liga (notavelmente cromo e adições de microalotamento) e controles de processo mais rigorosos. Os custos de fabricação e qualificação de procedimentos de soldagem aumentam o custo total instalado para P91.
- Disponibilidade:
- P22 está amplamente disponível em tubos, conexões, acessórios e forjados de muitos moinhos e distribuidores.
- P91 está amplamente disponível, mas certas formas de produto (grandes forjados, combinações de diâmetro/espessura especializadas) podem ter prazos de entrega mais longos e são mais propensas a serem adquiridas de fornecedores especializados. A disponibilidade pode variar por região e demanda de mercado.
10. Resumo e Recomendação
Tabela resumo — comparação qualitativa:
| Atributo | P22 | P91 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Mais fácil; menor CE, PWHT menos rigoroso | Mais difícil; maior CE/capacidade de endurecimento; requer PWHT controlado e procedimentos qualificados |
| Resistência–Tenacidade (temperatura elevada) | Resistência moderada a altas temperaturas; adequada até ~540–565°C | Alta resistência a altas temperaturas e resistência à fluência; adequada para temperaturas mais altas/vida útil mais longa |
| Custo (material + fabricação) | Mais baixo | Mais alto |
Recomendação: - Escolha P22 se você precisar de um aço liga de menor custo e mais fácil de soldar para equipamentos de pressão e tubulações operando a temperaturas elevadas moderadas, quando a fluência a longo prazo em alta temperatura não é o critério de projeto predominante. - Escolha P91 se a aplicação exigir resistência significativa à fluência e tensões permitidas mais altas em temperaturas elevadas (sistemas de vapor de longa vida e alta pressão), e se o projeto puder suportar os controles de fabricação necessários, procedimentos de soldagem qualificados e o custo adicional.
Nota final: Ambas as classes requerem a especificação do grau exato do material, condição de tratamento térmico e procedimento de soldagem nos documentos de aquisição e projeto. Para serviços críticos de segurança e de longo prazo a altas temperaturas, envolva engenheiros de materiais e soldagem desde o início para confirmar a tensão de projeto permitida, os parâmetros de PWHT necessários e os testes de qualificação para garantir um desempenho confiável em serviço.