SA387 11CL2 vs 22CL2 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Table Of Content

Table Of Content

Introdução

SA‑387 (também referenciado como ASTM A387) é uma família de aços de baixa liga de cromo-molibdênio para partes que contêm pressão em serviço a altas temperaturas. Engenheiros e equipes de compras frequentemente ponderam as compensações entre dois membros comumente especificados: 11CL2 (frequentemente chamado de tipo P11) e 22CL2 (frequentemente chamado de tipo P22). Os contextos típicos de decisão incluem selecionar a mínima liga para uma resistência ao fluência aceitável à temperatura, equilibrar a soldabilidade e as demandas de tratamento térmico pós-solda, ou otimizar o custo de aquisição em relação ao desempenho ao longo do ciclo de vida.

O principal contraste prático entre essas classes é o conteúdo de liga direcionado à resistência a altas temperaturas e à resistência à fluência: a composição de maior cromo e molibdênio da classe 22CL2 oferece maior resistência e capacidade de fluência em temperaturas elevadas, enquanto 11CL2 oferece menor conteúdo de liga que melhora a soldabilidade e reduz o custo do material. Como ambos são projetados para aplicações de pressão a altas temperaturas, eles são comumente comparados quando os projetistas escolhem materiais para caldeiras, trocadores de calor, tubulações e vasos de pressão que operam em faixas de temperatura semelhantes.

1. Normas e Designações

  • Principais normas:
  • ASTM/ASME: SA‑387 / A387 (Classes 11, 22; Classes 1, 2, etc.)
  • EN: Designações equivalentes frequentemente caem em classes P (por exemplo, P11 / P22) ou equivalentes EN 10222/10028 dependendo da forma do produto.
  • JIS/GB: Normas nacionais podem especificar aços Cr‑Mo comparáveis com diferentes códigos de classe.
  • Tipo de material:
  • Tanto SA387 11CL2 quanto 22CL2 são aços de baixa liga, cromo-molibdênio destinados ao serviço a altas temperaturas. Eles não são aços inoxidáveis e não são HSLA no sentido de aços estruturais de alta resistência microaleados; são ligas de vaso de pressão resistentes ao calor com adições intencionais de Cr e Mo.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela abaixo fornece faixas típicas representativas (wt%) encontradas nas especificações SA‑387/A387 Classe 11 Classe 2 e Classe 22 Classe 2 ou na prática comum de usina. A química contratual exata deve sempre ser retirada do certificado da usina ou da edição aplicável da norma.

Elemento 11CL2 (wt% representativo) 22CL2 (wt% representativo)
C 0.06 – 0.15 0.05 – 0.15
Mn 0.30 – 0.60 0.30 – 0.60
Si 0.08 – 0.35 0.08 – 0.35
P (máx) ≤ 0.025 ≤ 0.025
S (máx) ≤ 0.025 ≤ 0.025
Cr 0.90 – 1.35 2.00 – 2.60
Ni (máx) ≤ 0.40 ≤ 0.40
Mo 0.44 – 0.65 0.80 – 1.15
V tipicamente baixo / traço tipicamente baixo / traço
Nb, Ti, B, N traço / controlado traço / controlado

Como a liga afeta o desempenho: - O cromo (Cr) aumenta a resistência à oxidação e a resistência a altas temperaturas e contribui para a temperabilidade. - O molibdênio (Mo) aumenta a resistência à fluência e estabiliza os carbonetos a temperaturas elevadas; o Mo também promove a temperabilidade. - O carbono aumenta a resistência, mas reduz a soldabilidade e a tenacidade se excessivo; ambas as classes mantêm baixo carbono para equilibrar a tenacidade à temperatura ambiente e a soldabilidade. - O manganês e o silício são desoxidantes e contribuem para a resistência. - Elementos de microaleação em traço (V, Nb, Ti) quando presentes em pequenas quantidades influenciam o controle do tamanho do grão e o endurecimento por precipitação, mas as classes SA‑387 são principalmente fortalecidas pela química de Cr/Mo e tratamento térmico.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Processamento típico e microestrutura: - Laminado a quente ou normalizado e temperado, ambas as classes desenvolvem uma microestrutura martensítica/bainítica temperada dependendo da taxa de resfriamento e do conteúdo de liga. - 11CL2 (menor Cr/Mo): tende a se transformar a temperaturas mais altas e exibe carbonetos um pouco mais grossos após o temperamento em comparação com 22CL2; a microestrutura é suficiente para serviço moderado de fluência. - 22CL2 (maior Cr/Mo): mostra maior temperabilidade e forma uma distribuição mais fina de carbonetos temperados que são mais eficazes em resistir à fluência e ao amolecimento a temperaturas elevadas.

Influência dos tratamentos térmicos: - Normalização e temperamento (rota comum): refina o tamanho do grão e produz uma mistura de martensita/bainita temperada com melhor equilíbrio de tenacidade e resistência. - Resfriamento e temperamento: podem ser usados para requisitos de maior resistência, mas ambas as classes são tipicamente usadas em condição normalizada/temperada para serviço de vaso de pressão. - Processamento termo-mecânico (laminação controlada): pode melhorar a resistência ao escoamento e a tenacidade por refino de grão e controle de precipitação; mais eficaz em 22CL2 devido à liga, mas requer controle rigoroso do processo. - Tratamento térmico pós-solda (PWHT): necessário para muitas aplicações de pressão para temperar a zona afetada pelo calor e restaurar a tenacidade; os cronogramas de PWHT dependem da espessura, código de projeto e conteúdo de liga.

4. Propriedades Mecânicas

A tabela a seguir fornece uma comparação qualitativa das características comuns de desempenho mecânico sob condições padrão de tratamento térmico (normalizado e temperado). Os valores absolutos dependem da espessura, química exata e tratamento térmico; consulte o certificado do material e o código de projeto para números mínimos garantidos.

Propriedade 11CL2 22CL2
Resistência à tração (comportamento típico) Moderada Maior (melhorada a T elevada)
Resistência ao escoamento Moderada Maior
Alongamento (ductilidade) Levemente maior (melhor ductilidade à temperatura ambiente) Levemente menor (compensação pela resistência)
Tenacidade ao impacto (temperatura ambiente, temperado) Boa, depende do tratamento térmico Boa, pode ser comparável se tratado adequadamente, mas requer controle
Dureza (temperado) Moderada Maior em condição de tratamento térmico semelhante

Por que essas diferenças ocorrem: - O maior Cr e Mo em 22CL2 aumentam a temperabilidade e a precipitação de carbonetos estáveis que mantêm a resistência à temperatura. Isso aumenta a resistência à tração e ao escoamento, particularmente no regime de fluência, ao custo de reduções modestas na ductilidade, a menos que o temperamento e o tratamento térmico sejam otimizados. - O menor conteúdo de liga de 11CL2 resulta em uma soldabilidade ligeiramente melhor e frequentemente maior alongamento medido à temperatura ambiente.

5. Soldabilidade

Fatores-chave de soldabilidade: - O equivalente de carbono e a temperabilidade governam a suscetibilidade a trincas a frio e a necessidade de pré-aquecimento e PWHT. - O conteúdo de liga (Cr, Mo) aumenta a temperabilidade; assim, 22CL2 geralmente requer práticas de pré-aquecimento e PWHT mais conservadoras do que 11CL2 para espessuras equivalentes.

Fórmulas empíricas úteis (interprete qualitativamente; nenhum cálculo numérico fornecido): - Instituto Internacional de Soldagem Equivalente de Carbono: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Dearden & O'Neill ou Pcm (expressa a suscetibilidade a trincas na solda): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação: - 22CL2 geralmente produzirá um $CE_{IIW}$ e um $P_{cm}$ mais altos do que 11CL2 devido ao seu maior Cr e Mo, implicando controles de soldagem mais rigorosos (pré-aquecimento, temperatura entre passes, PWHT). - Ambas as classes são soldáveis com procedimentos apropriados; a prática comum é aplicar pré-aquecimento e PWHT obrigatórios de acordo com o Código ASME de Caldeiras e Vasos de Pressão para partes de pressão, com temperaturas e durações de PWHT selecionadas para aliviar tensões induzidas por hidrogênio e tensões residuais e para temperar a HAZ.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

  • Nenhuma das classes é inoxidável; ambas são suscetíveis à corrosão geral e à corrosão localizada em ambientes agressivos.
  • Estratégias de proteção: pintura, revestimentos epóxi, revestimentos poliméricos e galvanização (dependendo da temperatura de projeto e serviço) são métodos típicos de proteção de superfície. Para resistência à oxidação/escama a altas temperaturas, o conteúdo de Cr em 22CL2 oferece resistência à escama um pouco melhor em comparação com 11CL2, mas nenhum deles substitui os aços inoxidáveis para serviço corrosivo.
  • PREN (número equivalente de resistência à picada) não é aplicável a esses aços não inoxidáveis, no entanto, para completude: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
  • Use ligas resistentes à corrosão ou revestimento/revestimento quando houver ataque químico ou alto risco de corrosão localizada; para muitas aplicações de caldeiras e vapor, as preocupações com corrosão são tratadas pelo controle da química da água em vez de depender da resistência à corrosão do metal base.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

  • Maquinabilidade: ambas as classes são facilmente usinadas em condições normalizadas/temperadas. O conteúdo de liga ligeiramente menor de 11CL2 pode oferecer uma facilidade de usinagem marginalmente melhor; 22CL2 pode exigir trocas de ferramenta mais frequentes ao usinar para a mesma dureza.
  • Formabilidade/dobramento: ambas podem ser moldadas quando fornecidas na condição normalizada; os raios de dobra mínimos e as temperaturas de formação devem seguir práticas padrão para aços Cr‑Mo temperados. A maior temperabilidade em 22CL2 pode aumentar o risco de trincas durante a formação a frio de seções mais espessas.
  • Acabamento de superfície: ambas aceitam métodos comuns de acabamento (desbaste, jateamento, revestimento). O tratamento térmico após a formação ou soldagem é frequentemente necessário para atender aos requisitos de tenacidade e tensão.

8. Aplicações Típicas

11CL2 (SA387 Classe 11 CL2) 22CL2 (SA387 Classe 22 CL2)
Componentes de caldeira e forno operando a temperaturas elevadas moderadas onde custo e soldabilidade são prioridades Componentes de alta temperatura (superaquecedores, reaquecedores, cabeçotes espessos) onde resistência superior à fluência e estabilidade a longo prazo a altas temperaturas são necessárias
Casco de vaso de pressão e tubulações onde a temperatura de projeto é mais baixa dentro do envelope de serviço Partes de pressão para seções mais pesadas e serviço a temperaturas mais altas em usinas de energia e unidades petroquímicas
Tubulações e conexões econômicas onde PWHT e resistência moderada são suficientes Spools críticos de alta temperatura, componentes de paredes espessas e partes sujeitas a tensões sustentadas mais altas a temperatura

Racional de seleção: - Escolha 11CL2 quando as temperaturas e tensões de operação estiverem dentro de seu envelope de projeto seguro, e quando minimizar o custo da liga e facilitar a fabricação/soldagem forem desejados. - Escolha 22CL2 quando as demandas de serviço antecipadas (temperatura mais alta, tensão sustentada mais alta, seções mais espessas) exigirem resistência à fluência e resistência a altas temperaturas melhoradas.

9. Custo e Disponibilidade

  • Custo: 22CL2 é tipicamente mais caro em custo de material do que 11CL2 devido ao maior conteúdo de Cr e Mo. O delta varia com os preços de mercado para elementos de liga.
  • Disponibilidade: Ambas as classes são amplamente produzidas em chapas e forjados para equipamentos de pressão; a disponibilidade por forma de produto (chapas, forjados, tubos) e o tempo de entrega dependem dos cronogramas da usina e da demanda regional. 11CL2 é frequentemente mais comumente disponível em uma ampla gama de tamanhos devido ao seu uso mais amplo em aplicações sensíveis ao custo.

10. Resumo e Recomendação

Critério 11CL2 22CL2
Soldabilidade Melhor (menor temperabilidade) Mais exigente (maior Cr/Mo)
Equilíbrio entre resistência e tenacidade Resistência moderada; boa ductilidade Maior resistência a altas temperaturas; boa tenacidade se tratado termicamente
Custo Menor Maior

Conclusões e recomendações práticas: - Escolha 11CL2 se você precisar de um aço de pressão Cr‑Mo econômico para serviço a temperaturas elevadas moderadas onde soldagem mais fácil e menor custo de liga são prioridades, e onde as tensões e temperaturas de projeto estão dentro dos limites permitidos para o material Classe 11. - Escolha 22CL2 se a aplicação exigir resistência à fluência aprimorada e maior resistência sustentada a altas temperaturas (ou seções mais espessas onde a temperabilidade é necessária), e você puder acomodar procedimentos de soldagem mais rigorosos e um custo de material mais alto.

Notas finais: - Sempre verifique a química exata e as propriedades mecânicas garantidas no certificado da usina para o lote que está sendo adquirido. - Siga os códigos de projeto aplicáveis (ASME Seção II/Código de Caso, ASME BPVC, normas EN) para tensões permitidas, PWHT requerido e testes. A seleção deve ser feita no contexto da temperatura de operação, pressão, vida útil esperada, especificações de procedimentos de soldagem (WPS/PQR) e planos de inspeção em serviço.

Voltar para o blog

Deixe um comentário