A335 P11 vs P22 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

ASTM A335 P11 e P22 são dois aços de liga de cromo-molibdênio amplamente utilizados para partes de pressão em alta temperatura, como tubulações, cabeçotes e tubos de caldeira. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação comumente ponderam as compensações entre custo, resistência a altas temperaturas, soldabilidade e resistência ao fluência a longo prazo ao selecionar entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem a correspondência da resistência e tenacidade do material à temperatura de serviço, especificação de procedimentos de soldagem para fabricação e equilíbrio do custo do ciclo de vida em relação ao preço de compra inicial.

A principal distinção técnica entre essas classes é o nível de liga de cromo e molibdênio: P22 contém substancialmente mais cromo e molibdênio do que P11, o que afeta diretamente a endurecibilidade, a resistência a altas temperaturas e a resistência à oxidação. Como ambos os aços são ligas ferríticas de Cr–Mo projetadas para serviço em alta temperatura, eles são frequentemente comparados durante a seleção de materiais para caldeiras, tubulações de vapor superaquecido e vasos de pressão.

1. Normas e Designações

• ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (Tubo de aço de liga ferrítica sem costura para serviço em alta temperatura)
• Classe P11 (frequentemente notada como 1.25Cr–0.5Mo nominal)
• Classe P22 (frequentemente notada como 2.25Cr–1Mo nominal)
• EN: Classes comparáveis disponíveis em sistemas de normas EN (por exemplo, P11 ≈ 13CrMo4-5 ou famílias similares; P22 ≈ 2.25Cr–1Mo aços de têmpera)
• JIS/GB: Normas nacionais fornecem aços temperados Cr–Mo aproximadamente equivalentes usados para tubulações e vasos de alta temperatura.
• Classificação: Tanto P11 quanto P22 são aços de liga (aços ferríticos Cr–Mo), não aços inoxidáveis ou aços para ferramentas; eles são usados para componentes de retenção de pressão em alta temperatura e não são HSLA no sentido moderno.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela abaixo lista as faixas de composição nominal típicas (wt%) usadas na prática industrial para A335 P11 e P22. Os valores são mostrados como faixas representativas em vez de mínimos/máximos garantidos exatos de uma especificação de compra específica.

Elemento	A335 P11 (típico, wt%)	A335 P22 (típico, wt%)
C	0.08 – 0.15	0.08 – 0.15
Mn	0.25 – 0.60	0.25 – 0.60
Si	0.10 – 0.50	0.10 – 0.50
P	≤ 0.025	≤ 0.025
S	≤ 0.025	≤ 0.025
Cr	~0.90 – 1.30	~2.00 – 2.50
Ni	≤ 0.40 (traço)	≤ 0.40 (traço)
Mo	~0.40 – 0.65	~0.85 – 1.05
V	tipicamente traço	tipicamente traço
Nb (Cb)	tipicamente traço	tipicamente traço
Ti	tipicamente traço	tipicamente traço
B	tipicamente traço	tipicamente traço
N	traço	traço

Como a liga afeta o desempenho: - Cromo: melhora a resistência à oxidação/corrosão em alta temperatura e contribui para a endurecibilidade e resistência a altas temperaturas. O maior teor de Cr em P22 aumenta sua resistência ao escalonamento e melhora a retenção de resistência em temperaturas de serviço. - Molibdênio: fortalece o ferrite em alta temperatura, melhora a resistência à fluência e aumenta a endurecibilidade. O maior teor de Mo em P22 resulta em melhor resistência à fluência e resistência a altas temperaturas em comparação com P11. - Carbono e manganês: principais contribuintes para resistência e endurecibilidade; ambas as classes mantêm carbono moderado para equilibrar soldabilidade e resistência. - Elementos menores e microligação (V, Nb, Ti) podem estar presentes em quantidades de traço e podem refinar a estrutura do grão e fortalecer a matriz por precipitação sob processamento específico.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - Como fabricado e normalizado: ambas as classes geralmente mostram uma microestrutura de martensita temperada/ferrite temperada após ciclos de normalização e têmpera comumente especificados para partes de pressão. - Após resfriamento e têmpera (onde aplicável para seções pesadas ou forjados): uma estrutura martensítica temperada com precipitação de carbonetos (carbonetos ricos em Cr/Mo) fornece alta resistência e resistência à fluência. - Processamento termo-mecânico: a laminação controlada pode refinar o tamanho do grão e melhorar a tenacidade para ambas as classes, embora o teor de liga controle a facilidade de refino.

Efeitos do tratamento térmico: - A normalização seguida de têmpera refina o tamanho do grão, transforma microestruturas como laminadas em uma matriz uniforme de martensita/bainítica temperada e precipita carbonetos de Cr–Mo que contribuem para a resistência a altas temperaturas. - O maior teor de Cr e Mo em P22 promove uma maior fração de volume de carbonetos de liga e desacelera o amolecimento em altas temperaturas; geralmente requer regimes de têmpera adaptados para equilibrar dureza e tenacidade para seções mais espessas. - P11 é menos ligado e, portanto, um pouco mais fácil de obter tenacidade apropriada após ciclos padrão de normalização/têmpera, mas tem menor resistência a longo prazo em temperaturas muito altas em comparação com P22.

4. Propriedades Mecânicas

Abaixo estão as faixas de propriedades representativas para condição normalizada e temperada comumente usadas em design. As propriedades garantidas reais dependem da forma do produto e do tratamento térmico específico.

Propriedade (temperatura ambiente, a menos que indicado)	A335 P11 (típico)	A335 P22 (típico)
Resistência à tração (MPa)	~415 – 550	~415 – 620
Resistência ao escoamento (0.2% offset, MPa)	~240 – 360	~260 – 400
Alongamento (%)	~20 – 25	~18 – 22
Impacto Charpy V-notch (J, normalizado)	Tipicamente bom em ambiente; retém tenacidade com tratamento térmico adequado	Ductilidade comparável ou ligeiramente inferior para a mesma resistência devido ao maior teor de liga
Dureza (HB ou HRC)	Moderada (por exemplo, faixa de HB 150–220 dependendo do tratamento térmico)	Ligeiramente superior para têmpera equivalente devido à liga

Interpretação: - P22 geralmente fornece maior resistência a altas temperaturas e resistência à fluência devido ao seu maior teor de Cr e Mo; isso frequentemente se traduz na capacidade de operar com segurança em temperaturas mais altas ou com espessura de parede reduzida para uma determinada vida útil de projeto. - P11 tende a ser mais dúctil e marginalmente mais fácil de tratar termicamente para tenacidade em certas espessuras, mas fornece menor resistência a longo prazo em temperaturas elevadas.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende do equivalente de carbono, endurecibilidade e microligação. Duas medidas empíricas amplamente utilizadas são o equivalente de carbono IIW e Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - P22 tem maior Cr e Mo, o que aumenta $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ em relação a P11, implicando maior suscetibilidade ao endurecimento na zona afetada pelo calor e uma maior necessidade de pré-aquecimento e temperaturas de interpassagem controladas. - Ambas as classes são comumente soldadas na indústria; as práticas recomendadas incluem eletrodos de baixo hidrogênio, pré-aquecimento especificado (e às vezes tratamento térmico pós-soldagem — PWHT) e qualificação do procedimento de soldagem. P22 frequentemente requer regimes de pré-aquecimento/PWHT mais conservadores para seções mais espessas devido à maior endurecibilidade. - O controle de hidrogênio, temperatura de interpassagem e PWHT são cruciais para evitar trincas assistidas por hidrogênio e para temperar a dureza da HAZ.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, P11 ou P22, é inoxidável; ambos corroem se expostos a ambientes aquosos ou agressivos. A seleção é impulsionada pelo comportamento mecânico e de oxidação em alta temperatura, em vez da resistência geral à corrosão.
• Para proteção externa ou atmosférica: galvanização, pintura/sistemas de revestimento ou sobreposições de spray térmico podem ser aplicados dependendo do serviço.
• Para proteção interna em correntes de processo corrosivas: revestimentos (por exemplo, sobreposição de solda com ligas resistentes à corrosão), revestimentos ou design de tolerância à corrosão são estratégias típicas.
• PREN (número equivalente de resistência à picada) é usado para ligas inoxidáveis e não é aplicável para aços ferríticos Cr–Mo. Para ligas inoxidáveis, usaria-se:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

Mas este índice é irrelevante para A335 P11 e P22 porque seus teores de Cr estão abaixo dos limites inoxidáveis e eles carecem do alto teor de N e Ni típico de classes inoxidáveis.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade: Ambas as classes são moderadamente usináveis na condição normalizada/temperada. P22 pode ser ligeiramente mais difícil para ferramentas de corte devido ao maior teor de liga e aos carbonetos endurecidos por precipitação resultantes. Elementos formadores de carbonetos (Cr, Mo) aumentam a abrasão das ferramentas.
• Formabilidade: Ambas são menos formáveis do que aços de carbono simples quando frios; a conformação é tipicamente feita em condições normalizadas ou recozidas com atenção aos raios de dobra. Para formas de tubulação e tubos, a conformação é rotineira, mas o retorno elástico e o risco de trincas em regiões fortemente trabalhadas a frio são considerações.
• Acabamento de superfície: Retificação, torneamento e acabamento de soldagem são padrão; atenção às tensões residuais e à evitação de superaquecimento durante a usinagem em P22 é aconselhada para prevenir aumentos locais de dureza.

8. Aplicações Típicas

A335 P11 – Usos Típicos	A335 P22 – Usos Típicos
Tubulação de vapor em temperaturas baixas a moderadas, cabeçotes e conexões onde a sensibilidade ao custo é um fator e as temperaturas são moderadas	Tubulação de vapor em alta temperatura, tubos de superaquecedor/reaquecedor e vasos de pressão onde maior resistência à fluência e resistência à oxidação são necessárias
Caldeiras e trocadores de calor em zonas de alta temperatura menos severas	Linhas principais de vapor de usinas, tubulação de reaquecimento quente e componentes para serviço em temperaturas de projeto mais altas
Tubulação de plantas petroquímicas e químicas para temperaturas moderadas	Aquecedores de processo petroquímico de alta carga e componentes de retenção de pressão em temperaturas elevadas

Racional de seleção: - Escolha P11 para aplicações onde a temperatura máxima de serviço nominalmente mais baixa, menor custo do material e fabricação mais fácil são priorizados. - Escolha P22 quando a aplicação exigir maior resistência à fluência, melhor retenção de propriedades mecânicas em altas temperaturas ou melhor resistência ao escalonamento/oxidação.

9. Custo e Disponibilidade

• Disponibilidade: Ambas as classes são comumente estocadas como tubos sem costura e soldados, conexões e alguns forjados; P11 e P22 são classes padrão em muitas cadeias de suprimento para geração de energia e plantas de processo.
• Custo: P22 é tipicamente mais caro do que P11 devido ao maior teor de Cr e Mo. O custo incremental pode ser justificado por uma vida útil mais longa, possibilidades de design de parede mais fina ou manutenção reduzida.
• Forma do produto: Ambas estão prontamente disponíveis em tubos, tubos e placas de vasos de pressão; os prazos de entrega são geralmente curtos para tamanhos padrão, mas podem aumentar para forjados grandes ou tratamentos térmicos especiais.

10. Resumo e Recomendação

Aspecto	A335 P11	A335 P22
Soldabilidade	Melhor (menor teor de liga → menor CE)	Um pouco mais exigente (maior Cr/Mo → maior CE; necessita de mais pré-aquecimento/PWHT)
Resistência–Tenacidade à RT	Resistência moderada, boa ductilidade	Maior resistência à temperatura, ductilidade comparável ou ligeiramente inferior à resistência equivalente
Resistência a altas temperaturas / Resistência à Fluência	Adequada para temperaturas elevadas moderadas	Superior para temperaturas mais altas e vidas de fluência mais longas
Custo	Menor	Maior

Recomendações: - Escolha P11 se precisar de uma liga Cr–Mo econômica para serviço em temperatura elevada moderada onde extensos PWHT ou resistência agressiva à fluência em alta temperatura não são necessários, e onde ligeiramente melhor ductilidade a frio e procedimentos de soldagem mais fáceis são vantajosos. - Escolha P22 se o projeto exigir maior resistência a longo prazo e resistência à fluência em altas temperaturas, melhor resistência ao escalonamento ou a possibilidade de paredes mais finas para uma determinada vida útil de projeto — e você puder acomodar os requisitos de soldagem e tratamento térmico pós-soldagem mais rigorosos e o custo de material ligeiramente mais alto.

Nota final: Para componentes críticos de retenção de pressão, sempre qualifique a especificação do material, o tratamento térmico necessário e o procedimento de soldagem com o metalurgista do projeto ou autoridade de código (ASME) para garantir compatibilidade com a temperatura de projeto, tensões permitidas e restrições de fabricação.