SA213 T11 vs T22 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
SA213 T11 e SA213 T22 são dois aços de baixa liga de cromo-molibdênio amplamente utilizados para tubos de caldeira, superaquecedores e trocadores de calor. Engenheiros e profissionais de compras frequentemente ponderam as compensações entre o custo inicial do material, a facilidade de fabricação e soldagem, e a resistência à alta temperatura em serviço (resistência ao fluência). Em muitos projetos, a decisão se resume a se o maior teor de liga e a capacidade de temperatura elevada do T22 justificam seu custo mais alto e controles de soldagem e tratamento térmico ligeiramente mais exigentes em comparação com o T11.
A principal distinção técnica é que o T22 é ligado para fornecer resistência e resistência à fluência substancialmente melhores em temperaturas elevadas do que o T11; o T11 é tipicamente escolhido onde boa ductilidade, facilidade de soldagem e menor custo são prioridades para temperaturas de serviço de baixas a moderadas.
1. Normas e Designações
- Principais normas:
- ASTM/ASME: SA213 (tubos para serviço em alta temperatura), A335 (tubos) — T11 e T22 correspondem a graus de Cr-Mo comumente alinhados com P11 e P22 nas especificações de tubos.
- EN / DIN: Graus comparáveis são membros da família 13CrMo44/14MoV6-3, mas referências cruzadas diretas requerem cautela.
- JIS / GB: Normas nacionais têm séries de Cr–Mo semelhantes, mas verifique as designações exatas e tabelas de propriedades para substituição.
- Classificação:
- SA213 T11 e T22 são aços ferríticos de baixa liga (aço de liga) projetados para serviço em alta temperatura; não são aços inoxidáveis nem HSLA no sentido típico (sua liga é direcionada à resistência à temperatura elevada e fluência, em vez de resistência à corrosão apenas).
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela abaixo apresenta faixas de composição típicas (percentagem em peso) encontradas na prática industrial e de acordo com as faixas comumente utilizadas da ASME/ASTM. Os limites exatos dependem do moinho específico e da versão padrão; consulte sempre a especificação do material controladora para compra ou projeto.
| Elemento | Típico T11 (aprox. % peso) | Típico T22 (aprox. % peso) |
|---|---|---|
| C | 0.05 – 0.15 | 0.05 – 0.15 |
| Mn | 0.30 – 0.65 | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.10 – 0.50 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | ~0.9 – 1.4 (nominal ~1.0–1.25) | ~2.0 – 2.5 (nominal ~2.25) |
| Ni | ≤ 0.40 (traço) | ≤ 0.40 (traço) |
| Mo | ~0.44 – 0.65 (nominal ~0.5) | ~0.85 – 1.06 (nominal ~1.0) |
| V | traço / opcional | traço / opcional |
| Nb (Cb) | traço / não especificado | traço / não especificado |
| Ti | traço | traço |
| B | traço | traço |
| N | traço | traço |
Como a liga afeta o desempenho: - O cromo aumenta a endurecibilidade e a resistência à temperatura elevada e promove a formação de carbonetos estáveis que melhoram a resistência à fluência. - O molibdênio melhora a resistência à fluência e a resistência ao amolecimento à temperatura, estabilizando carbonetos e dificultando a difusão. - O carbono e o manganês controlam a resistência básica e a endurecibilidade; um maior teor de carbono aumenta a resistência, mas reduz a soldabilidade e a tenacidade. - O silício é um desoxidante e fornece resistência modesta e resistência à oxidação. - Adições de microliga (V, Nb, Ti) podem influenciar o tamanho do grão, o endurecimento por precipitação e a tenacidade ao impacto, mas essas são tipicamente menores nas composições padrão T11/T22.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Na condição entregue (normalizada e temperada), tanto T11 quanto T22 exibem microestruturas de martensita temperada / bainita temperada com uma dispersão de carbonetos de liga (ricos em Cr e Mo). O tamanho do grão e a distribuição de carbonetos são controlados pela temperatura de normalização e pelo regime de têmpera. - O T22, com maior teor de Cr e Mo, tende a formar uma fração maior de carbonetos de liga estáveis e uma microestrutura que resiste ao crescimento em temperaturas elevadas melhor do que o T11.
Efeitos do tratamento térmico: - A normalização (resfriamento ao ar a partir da faixa crítica) refina o tamanho do grão de austenita anterior e dissolve carbonetos; seguida de têmpera para desenvolver o equilíbrio desejado entre tenacidade/resistência. - O resfriamento e a têmpera controlam a tenacidade à temperatura ambiente em relação à resistência, mas são menos comuns para produtos de tubos laminados a quente destinados ao serviço — a prática padrão é a normalização e a têmpera apropriadas à forma do produto. - Para ambas as ligas, o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) é comumente utilizado para temperar a HAZ da solda e reduzir tensões residuais e dureza; o T22 geralmente requer controle mais rigoroso (temperatura mínima de PWHT, tempo de espera) para atender ao desempenho de fluência. - O processamento controlado termomecanicamente (TMCP) pode ser usado para refinar o tamanho do grão e melhorar a tenacidade em seções grossas, mas para tubos as variáveis dominantes são os ciclos de normalização e têmpera.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas abaixo são faixas indicativas para tubos normalizados e temperados e dependem fortemente da espessura da parede, do tratamento térmico exato e do acabamento. Use as tabelas de códigos aplicáveis para o projeto.
| Propriedade | Típico T11 (normalizado & temperado) | Típico T22 (normalizado & temperado) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~420 – 560 MPa | ~450 – 620 MPa |
| Resistência ao escoamento (0.2% offset, MPa) | ~240 – 360 MPa | ~300 – 420 MPa |
| Alongamento (%) | ~20 – 25% | ~18 – 22% |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V, temperatura ambiente) | Moderada; depende do tratamento térmico | Moderada; frequentemente ligeiramente inferior ao T11 se o carbono/a endurecibilidade forem mais altos |
| Dureza (HB) | ~150 – 220 HB | ~160 – 240 HB |
Interpretação: - O T22 geralmente oferece maior resistência ao escoamento e à tração, especialmente em temperaturas elevadas, devido ao maior teor de Cr e Mo que melhora a resistência à fluência. - O T11 pode fornecer uma ductilidade marginalmente melhor e pode ser mais fácil de atender aos requisitos de tenacidade para algumas geometrias, devido ao seu menor teor de liga e menor endurecibilidade. - A diferença de tenacidade à temperatura ambiente é modesta em materiais processados adequadamente; a principal vantagem de serviço do T22 é a retenção de resistência à temperatura (resistência à fluência).
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade giram em torno do teor de carbono, da endurecibilidade geral (Cr + Mo + outras ligas) e da necessidade de pré-aquecimento/PWHT.
- A dureza e a formação de martensita nas zonas afetadas pelo calor aumentam com maior liga e endurecibilidade; assim, o maior teor de Cr e Mo do T22 aumenta o risco de endurecimento da HAZ e fissuração a frio induzida por hidrogênio se os controles de soldagem forem inadequados.
- Índices de soldabilidade comuns úteis para interpretação qualitativa:
- Equivalente de carbono (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (índice mais conservador):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Interpretação (qualitativa): maior CE ou Pcm implica mais pré-aquecimento, resfriamento mais lento e frequentemente PWHT obrigatório para evitar microestruturas frágeis na HAZ. O T22 geralmente terá um CE mais alto do que o T11 com carbono igual, indicando procedimentos de soldagem mais rigorosos.
- Prática recomendada: controlar o hidrogênio nos consumíveis de solda, aplicar pré-aquecimento apropriado e realizar PWHT conforme o código e as fichas de dados do material — PWHT mais rigoroso é comumente especificado para o T22 para atender aos requisitos de desempenho de fluência e tenacidade.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Tanto o T11 quanto o T22 são aços de liga não inoxidáveis e não oferecem resistência significativa à corrosão úmida ou ambientes agressivos apenas pela química.
- Proteções típicas: pintura, primers, revestimentos de alta temperatura ou revestimentos metalúrgicos onde apropriado. Para serviço externo/atmosférico, a galvanização pode ser usada para alguns componentes, mas é incomum para tubos de alta temperatura.
- Para oxidação em alta temperatura (vapor/forno), formam-se escalas de óxido na superfície; a liga (Cr) melhora a adesão da escala e a resistência à oxidação em alta temperatura — aqui o T22 se beneficia do maior teor de Cr.
- Índices de corrosão inoxidáveis, como PREN, não são aplicáveis a esses aços de baixa liga: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice é destinado a aços inoxidáveis e não descreve de forma significativa o comportamento de corrosão de aços ferríticos Cr–Mo.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade: Ambas as ligas são razoavelmente usináveis quando normalizadas e temperadas; o T22 pode ser ligeiramente mais difícil devido ao maior teor de liga e dispersões de carbonetos mais fortes.
- Formabilidade e dobra a frio: O T11, com menor liga, é geralmente mais tolerante em operações de dobra e formação; o T22 pode exigir controle mais rigoroso dos raios de dobra ou formação a temperaturas elevadas para evitar fissuração em seções mais grossas.
- Acabamento de superfície: Desbaste, polimento e testes não destrutivos são padrão; para soldagem e fabricação, os controles de loja para hidrogênio e PWHT são mais frequentemente aplicados ao T22.
8. Aplicações Típicas
| SA213 T11 – Usos Típicos | SA213 T22 – Usos Típicos |
|---|---|
| Tubos econômicos de superaquecedor e reaquecedor para circuitos de vapor de baixa temperatura, aquecedores de água de alimentação e tubos de caldeira gerais onde a resistência à temperatura moderada é suficiente | Tubos de superaquecedor, tubulação de vapor e cabeçotes em usinas de energia, tubulação de processo petroquímico em alta temperatura e componentes onde maior resistência à fluência e maior vida útil em temperatura elevada são necessárias |
| Tubos de trocador de calor econômicos para temperaturas moderadas | Partes e tubulações críticas de pressão em alta temperatura que requerem tensões permitidas mais altas à temperatura |
| Peças de reposição em sistemas originalmente projetados para serviço de 1–1.25% Cr onde a soldabilidade e o controle de custo são importantes | Novos projetos onde vida útil prolongada, maior tensão permitida à temperatura ou redução da espessura da parede para economia de peso/espaço são desejadas |
Racional de seleção: - Escolha T11 quando as temperaturas e tensões de serviço forem moderadas e quando menor custo, facilidade de fabricação e controles de soldagem/PWHT mais simples forem prioridades. - Escolha T22 quando maior resistência à fluência e estabilidade de oxidação/escalas em temperaturas elevadas forem necessárias e quando maior vida útil ou maior tensão permitida à temperatura justificar um custo de material mais alto e controles de fabricação mais rigorosos.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: O T22 geralmente custa mais do que o T11 devido ao maior teor de Cr e Mo; o Mo é particularmente caro e contribui desproporcionalmente para o preço.
- Disponibilidade: Ambas as ligas estão amplamente disponíveis em formas de tubo e tubo, mas os prazos de entrega e a volatilidade de preços podem ser impulsionados pela demanda de liga (disponibilidade de Mo). Tamanhos de tubo padrão e espessuras de parede comuns são prontamente estocados por fornecedores principais; tamanhos especiais podem ter prazos de entrega mais longos.
- Formas de produto: tubos e tubos sem costura e soldados, conexões e flanges são comuns; a disponibilidade em chapas e forjados varia com a demanda do mercado.
10. Resumo e Recomendação
| Atributo | SA213 T11 | SA213 T22 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (menor endurecibilidade) | Mais exigente (maior endurecibilidade; PWHT mais rigoroso) |
| Equilíbrio – Resistência / Tenacidade | Bom em temperatura ambiente & moderada | Superior resistência em alta temperatura / resistência à fluência |
| Custo | Menor | Maior |
Conclusões: - Escolha SA213 T11 se: seu projeto operar em temperaturas de vapor ou processo moderadas onde resistência à fluência excepcional não é necessária, você prioriza menor custo de material, controles de soldagem e fabricação mais simples, e você precisa de boa ductilidade e tenacidade em serviço. - Escolha SA213 T22 se: a aplicação envolver temperaturas de vapor mais altas ou tensões sustentadas onde resistência à fluência e retenção de resistência à temperatura são críticas, você aceita maior custo de material e procedimentos de soldagem/PWHT mais rigorosos, e você precisa de maior vida útil em serviço ou tensões permitidas mais altas à temperatura.
Recomendação final: baseie a seleção na temperatura máxima de operação do projeto e na tensão (requisitos de vida útil de fluência), capacidade do procedimento de soldagem (pré-aquecimento/PWHT) e análise de custo do ciclo de vida. Quando em dúvida, consulte as tabelas de materiais ASME/ASTM aplicáveis e realize uma revisão de projeto que inclua tensões permitidas na temperatura de serviço pretendida e qualificações do procedimento de soldagem.