SA213 T22 vs T91 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
SA213 T22 e T91 são duas ligas de tubos de aço amplamente utilizadas na geração de energia, petroquímica e serviços industriais em alta temperatura. Engenheiros e profissionais de compras frequentemente enfrentam um dilema de seleção entre os dois: equilibrar a resistência a altas temperaturas e o desempenho a longo prazo contra soldabilidade, custo e facilidade de fabricação. Os contextos típicos de decisão incluem a escolha de materiais para tubos de caldeiras e trocadores de calor, tubulações em sistemas de vapor ou componentes de substituição em montagens de retenção de pressão.
A principal distinção entre essas ligas é sua estratégia de liga e a microestrutura resultante: T22 é um aço de cromo-molibdênio de baixa liga projetado para resistência moderada a altas temperaturas e boa fabricabilidade, enquanto T91 é um aço martensítico de alto cromo e microaleado projetado para resistência a fluência e limite de escoamento substancialmente mais altos em temperaturas elevadas. Essa diferença impulsiona a maioria das escolhas a montante em design, prática de soldagem e custo de ciclo de vida.
1. Normas e Designações
- ASTM/ASME:
- SA213 T22 — ASTM A213 / ASME SA213 (tubos de caldeira, superaquecedor e trocador de calor de aço liga ferrítico sem costura)
- SA213 T91 — ASTM A213 / ASME SA213 (tubos de serviço em alta temperatura de aço liga ferrítico sem costura)
- Outras normas:
- Os equivalentes EN/ISO são frequentemente especificados sob EN 10216-2 ou EN 10222 (para aços de liga semelhantes); normas nacionais (JIS, GB) fornecem graus comparáveis sob diferentes nomes.
- Classificação:
- SA213 T22 — Aço ferrítico de baixa a moderada liga (comumente chamado de aço liga Cr–Mo)
- SA213 T91 — Aço liga martensítico de alto Cr (martensítico temperado/tipo HSLA para serviço em alta temperatura)
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: Intervalos típicos de composição química (wt%) para SA213 T22 e T91. Estes são intervalos representativos comumente referenciados em especificações da indústria; os limites exatos dependem da norma e da forma do produto.
| Elemento | SA213 T22 (intervalo típico) | SA213 T91 (intervalo típico) |
|---|---|---|
| C | 0.05 – 0.15 | 0.08 – 0.12 |
| Mn | 0.30 – 0.60 | 0.40 – 0.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.20 – 0.60 |
| P | ≤ 0.025 (máx) | ≤ 0.020 (máx) |
| S | ≤ 0.025 (máx) | ≤ 0.010 (máx) |
| Cr | 1.8 – 2.3 | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 (traço) | ≤ 0.40 (traço) |
| Mo | 0.40 – 0.70 | 0.85 – 1.05 |
| V | traço – 0.05 | 0.18 – 0.25 |
| Nb (Cb) | traço – 0.05 | 0.06 – 0.12 |
| Ti | — (tipicamente baixo) | — (tipicamente baixo) |
| B | — (tipicamente não especificado) | — (frequentemente controlado em ppm muito baixos) |
| N | — (baixo) | 0.03 – 0.07 |
Como a liga afeta as propriedades - Cromo e molibdênio: Tanto o Cr quanto o Mo melhoram a resistência a altas temperaturas e a resistência à oxidação. O modesto Cr/Mo do T22 proporciona desempenho moderado em fluência; o alto Cr e Mo do T91, combinado com microaleação, resulta em resistência à fluência substancialmente maior. - Carbono: O maior teor de carbono no T91 apoia a formação de martensita e a resposta ao temperamento; o T22 tem menor carbono para manter a ductilidade e a soldabilidade. - Microaleação (V, Nb): Presente no T91 para estabilizar carbonetos/nitretos, refinar o tamanho do grão e melhorar a resistência à fluência e à amolecimento durante a exposição prolongada. - Silício e manganês: Desoxidação e endurecimento por solução sólida; também afetam a temperabilidade e a tenacidade.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- SA213 T22:
- Microestrutura típica após tratamento térmico padrão: ferrita temperada com constituintes de perlita/bainita temperada, dependendo da taxa de resfriamento. Não é um aço totalmente martensítico.
- Resposta ao tratamento térmico: normalização e temperamento ou alívio de tensões podem ajustar a tenacidade e a resistência. É menos responsivo ao endurecimento martensítico do que o T91; o resfriamento intenso não é tipicamente necessário ou utilizado.
- SA213 T91:
- Microestrutura típica: martensita temperada e resfriada (martensita em lâminas temperadas) com carbonetos e carbonitridos finos (ricos em V/Nb/Ti) após normalização e temperamento adequados.
- Resposta ao tratamento térmico: requer normalização e temperamento controlados para desenvolver a microestrutura pretendida. O processamento termo-mecânico e o temperamento preciso são importantes para alcançar o refino do grão e a resistência à fluência desejada.
- Efeitos do processamento:
- A normalização refina a estrutura do grão de austenita anterior no T91 e é um passo essencial antes do temperamento.
- Resfriamento e temperamento (Q&T) para T91 resultam em alta resistência e estabilidade em altas temperaturas; o superaquecimento reduz a resistência, mas melhora a tenacidade.
- O T22 depende mais do resfriamento controlado e do temperamento para equilibrar ductilidade e resistência; é menos sensível às taxas de resfriamento.
4. Propriedades Mecânicas
Tabela: Intervalos típicos de propriedades mecânicas para condições normalizadas e temperadas ou comumente fornecidas. Os valores dependem do tratamento térmico, forma do produto e especificação.
| Propriedade | SA213 T22 (típico, N&T ou como fornecido) | SA213 T91 (típico, normalizado & temperado) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | 400 – 600 | 550 – 800 |
| Resistência ao escoamento (0.2% offset, MPa) | 200 – 350 | 400 – 650 |
| Alongamento (%) | 18 – 30 | 12 – 20 |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V, J, RT) | 20 – 60 (varia com a espessura) | 30 – 100 (temper + HT dependente) |
| Dureza (HB) | ~150 – 230 | ~200 – 300 |
Interpretação - Resistência: O T91 é claramente a liga mais forte em resistência à tração e ao escoamento, especialmente em altas temperaturas e para resistência à fluência a longo prazo, devido à estrutura martensítica e microaleação. - Tenacidade e ductilidade: O T22 geralmente oferece mais ductilidade e deformação plástica mais fácil; o T91 fornece uma combinação forte de resistência e tenacidade adequada quando devidamente normalizado e temperado, mas é menos dúctil. - Implicações da escolha: Para serviço em alta pressão e alta temperatura onde a fluência é importante, o T91 é preferido. Para temperaturas moderadas, onde a facilidade de fabricação e o custo são prioridades, o T22 continua competitivo.
5. Soldabilidade
A soldabilidade depende do equivalente de carbono e da temperabilidade; ambas as ligas requerem atenção, mas o T91 é mais exigente.
Índices de soldagem comuns: - Equivalente de carbono (tipo IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parâmetro mais abrangente: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa - SA213 T22: Menor temperabilidade geral e menor equivalente de carbono do que o T91 na maioria dos casos. É mais fácil de soldar com metais de enchimento padrão; pré-aquecimento e tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) são recomendados para juntas de retenção de pressão para reduzir tensões residuais e restaurar propriedades, mas o risco de trincas é menor do que no T91. - SA213 T91: Maior temperabilidade (devido ao maior Cr, Mo e microaleação) leva a um maior risco de formação de martensita na HAZ, trincas a frio assistidas por hidrogênio e microestruturas frágeis se não forem devidamente controladas. A soldagem do T91 geralmente requer pré-aquecimento rigoroso, temperatura interpasso controlada e um PWHT completo conforme os requisitos do código; procedimentos de soldagem qualificados e metais de enchimento compatíveis são essenciais. - Nota prática: Para soldagens de metais mistos (por exemplo, unir T91 a aços de baixa liga), procedimentos de transição especiais e WPS/PQRs qualificados são necessários.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, SA213 T22 ou T91, é inoxidável; ambos são suscetíveis à corrosão geral em ambientes úmidos e à oxidação em altas temperaturas, dependendo do ambiente de serviço.
- Estratégias gerais de proteção:
- Revestimentos protetores (pintura), revestimentos ou forros para meios corrosivos.
- A galvanização a quente é possível para alguns componentes fabricados, mas é incomum para tubos de alta temperatura.
- Para resistência à oxidação em alta temperatura, a composição da liga é importante: maior Cr no T91 proporciona melhor resistência à formação de escamas em ambientes de vapor oxidante em comparação com o T22 de menor Cr, mas a resistência à oxidação ainda é inferior a graus inoxidáveis.
- PREN (número equivalente de resistência à picada) não se aplica a aços Cr–Mo não inoxidáveis, mas para referência, a fórmula para ligas inoxidáveis é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — este índice não se aplica de forma significativa ao T22 ou T91 porque a resistência à corrosão localizada e o comportamento passivo requerem um teor de cromo e níquel muito mais altos.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade:
- O T22 é razoavelmente usinado em condição de recozimento ou normalização; a maquinabilidade é moderada.
- O T91, com maior resistência e tendência ao endurecimento, é mais difícil de usinar e requer ferramentas robustas, velocidades de corte mais baixas e atenção à geração de calor.
- Formabilidade e dobra:
- O T22 apresenta melhores características de conformação a frio e dobra devido à menor resistência ao escoamento e maior ductilidade.
- O T91 é menos adequado para conformação a frio extensiva; a conformação é tipicamente feita em condições controladas, muitas vezes mornas, após tratamento térmico apropriado.
- Acabamento de superfície:
- Ambos podem ser acabados com altas tolerâncias, mas o T91 requer processos mais lentos e controlados para evitar endurecimento ou introdução de defeitos.
8. Aplicações Típicas
Tabela: Usos típicos para cada liga
| SA213 T22 — Usos Típicos | SA213 T91 — Usos Típicos |
|---|---|
| Tubos de caldeira e superaquecedor para sistemas de vapor de temperatura moderada | Tubos, cabeçotes e tubos de vapor de alta pressão em usinas que requerem alta resistência à fluência |
| Tubos de trocador de calor e componentes de reaquecedor em faixas de temperatura média | Componentes expostos a 500–650°C onde a resistência a longo prazo é crítica |
| Tubos de pressão geral onde resistência moderada e boa soldabilidade são necessárias | Unidades de craqueamento petroquímico, tubulações de alta temperatura, linhas principais de vapor de usinas |
| Peças de reposição econômicas e tubulações de serviço | Aplicações onde a vida útil do projeto e a resistência à fluência justificam um custo inicial de material mais alto |
Racional de seleção - Escolha T22 para serviço em temperatura moderada com prioridade em menor custo de material, soldagem mais fácil e maior formabilidade. - Escolha T91 para aplicações em alta temperatura e alta tensão onde desempenho a longo prazo em fluência, maior resistência ao escoamento e melhor estabilidade em altas temperaturas são necessários.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo:
- O T91 é tipicamente mais caro por quilograma do que o T22 devido ao maior teor de liga (Cr, Mo) e elementos de microaleação adicionados, e porque o T91 frequentemente requer tratamento térmico e controles de processamento mais rigorosos.
- Disponibilidade:
- Ambas as ligas estão amplamente disponíveis nos principais mercados nas formas de tubo, tubo e barra, mas os prazos de entrega do produto para o T91 podem ser mais longos para tamanhos especializados e condições tratadas termicamente.
- O estoque e o fornecimento local tendem a ser melhores para o T22 porque ele tem um uso mais estabelecido para componentes de caldeira de temperatura moderada.
10. Resumo e Recomendação
Tabela: Resumo rápido
| Característica | SA213 T22 | SA213 T91 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa — procedimentos de pré/pós-soldagem mais fáceis | Exigente — pré-aquecimento rigoroso & PWHT necessário |
| Resistência–Tenacidade (temperatura elevada) | Resistência moderada; boa ductilidade | Alta resistência e resistência à fluência; tenacidade projetada |
| Custo | Menor custo inicial de material | Maior custo de material e processamento |
Conclusões e recomendações - Escolha SA213 T22 se: - As temperaturas e tensões de serviço forem moderadas (envelopes de projeto onde o T22 atende às tensões permitidas). - A velocidade de fabricação, facilidade de soldagem, menor custo inicial e formabilidade forem prioridades. - Você precisar de um tubo amplamente disponível e econômico para trocadores de calor ou caldeiras de temperatura média onde a fluência a longo prazo não é o principal fator de projeto. - Escolha SA213 T91 se: - A aplicação exigir alta resistência à fluência e alta resistência ao escoamento em temperaturas elevadas (por exemplo, linhas principais de vapor, cabeçotes, componentes operando perto de 550–650°C). - A vida útil a longo prazo, redução de espessura para economia de peso ou maior tensão permitida a temperatura justificarem o maior custo de material e processamento. - O projeto puder acomodar controles de soldagem mais rigorosos, PWHT e procedimentos qualificados.
Nota final: A seleção de material deve sempre ser validada por análises detalhadas de tensão, fluência e corrosão e revisada em relação aos códigos aplicáveis (ASME, EN, regulamentos locais). Consulte fornecedores de materiais e engenheiros de soldagem cedo para definir tratamento térmico, procedimentos de soldagem e critérios de inspeção para corresponder às condições de serviço e ao ciclo de vida esperado.