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

Introdução

P11 e P22 são dois aços liga Cr–Mo amplamente utilizados para componentes que contêm pressão, especialmente tubulações, cabeçotes e tubos de caldeira em usinas de geração de energia e petroquímicas. Engenheiros e equipes de compras frequentemente ponderam os trade-offs entre maior resistência e capacidade em alta temperatura versus custo, soldabilidade e tenacidade ao escolher entre eles.

A principal característica distintiva é o maior teor de cromo e molibdênio em P22 em relação ao P11, o que desloca o desempenho em direção a maior resistência, resistência ao fluência e endurecibilidade em detrimento de uma soldabilidade um pouco reduzida e maior custo do material. Como ocupam pontos adjacentes no espectro de ligas Cr–Mo, essas classificações são comumente comparadas ao projetar sistemas de pressão de temperatura média (até várias centenas de °C).

1. Normas e Designações

• Normas comuns:
• ASTM/ASME: SA/SAE A335 P11, P22 (tubo de aço liga ferrítico sem costura), A/SA 335 especificado para serviço em alta temperatura.
• EN: Famílias de graus Cr–Mo equivalentes nas normas EN (por exemplo, a série EN 10216/10222 possui famílias de produtos Cr–Mo semelhantes).
• JIS/GB: Normas japonesas e chinesas incluem aços Cr–Mo comparáveis com química e propriedades análogas.
• Classificação:
• Tanto P11 quanto P22 são aços liga (graus ferríticos de cromo–molibdênio), não aços inoxidáveis ou aços para ferramentas. Eles não são classificados como HSLA no sentido estrito, mas são aços de vaso de pressão de baixa liga projetados para resistência em alta temperatura e resistência ao fluência.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: intervalos típicos de composição nominal (wt%, representativos de especificações comuns e práticas comerciais)

Elemento	P11 (típico)	P22 (típico)
C	0.05–0.15	0.05–0.15
Mn	0.25–0.60	0.25–0.60
Si	0.10–0.50	0.10–0.50
P	≤0.03	≤0.03
S	≤0.03	≤0.03
Cr	~0.9–1.4 (≈1.0–1.25)	~2.0–2.6 (≈2.25)
Mo	~0.4–0.6 (≈0.5)	~0.8–1.15 (≈1.0)
Ni	≤0.40	≤0.40
V, Nb, Ti, B, N	Traço/não (depende do fabricante)	Traço/não (depende do fabricante)

Notas: - Os valores mostrados são intervalos nominais típicos de especificações de vaso de pressão/tubo, em vez de limites de controle de precisão para todas as formas de produto. Certificações e normas específicas da usina devem ser consultadas para projetos críticos de contrato. - A principal estratégia de liga é que P22 possui Cr e Mo adicionais substanciais em relação ao P11. Isso aumenta a endurecibilidade, a resistência em alta temperatura e a resistência à oxidação/corrosão em alguns ambientes, enquanto P11 fornece uma química mais simples com soldabilidade um pouco melhor e menor custo do material.

Como a liga afeta o desempenho: - O cromo aumenta a resistência à oxidação, a endurecibilidade e a resistência em alta temperatura; também promove a formação de carbonetos que estabilizam a resistência em temperatura elevada. - O molibdênio fortalece a matriz de ferrita, melhora a resistência ao fluência e aumenta a endurecibilidade, melhorando a retenção de resistência em temperatura elevada. - Carbono, Mn e Si definem a resistência básica e a endurecibilidade; um maior teor de carbono aumenta a resistência, mas pode reduzir a soldabilidade e a tenacidade se não for controlado.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - Em condição normalizada e temperada, ambas as classificações exibem microestruturas de martensita temperada ou bainita temperada, dependendo das taxas de resfriamento e do teor de liga. P22, com maior Cr e Mo, favorece mais fortemente a formação de martensita/bainita e maior endurecibilidade para o mesmo ciclo térmico do que P11. - Microestruturas como laminadas para ambas são perlita/ferrita temperadas com carbonetos de liga (carbonetos Cr–Mo) dispersos.

Respostas ao tratamento térmico: - Normalização (resfriamento ao ar acima de A3) refina o tamanho do grão e produz uma microestrutura uniforme. P22 geralmente requer temperaturas de têmpera mais altas para alcançar tenacidade comparável devido ao aumento da endurecibilidade. - Resfriamento e têmpera: Ambas as classificações podem ser resfriadas e temperadas; P22 atingirá níveis de resistência mais altos após o mesmo resfriamento devido ao teor de Cr–Mo, mas os cronogramas de têmpera devem ser ajustados para restaurar a tenacidade e reduzir a dureza residual. - Processamento termo-mecânico: A laminação controlada seguida de têmpera melhora a tenacidade e a resistência ao fluência; adições de microliga (Nb, V, Ti), se presentes, refinam ainda mais o tamanho do grão e a fixação de deslocamentos.

Considerações práticas: - A maior endurecibilidade de P22 significa que seções mais grossas e dissipadores de calor grosseiros podem formar microestruturas mais duras (risco de trincas a frio na HAZ da solda sem pré-aquecimento). - A têmpera é crítica para equilibrar resistência e tenacidade para ambas as classificações, particularmente para temperaturas de operação onde a fluência é uma preocupação.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: comparação qualitativa (condições típicas de produto normalizado e temperado)

Propriedade	P11	P22
Resistência à tração	Moderada	Maior
Resistência ao escoamento	Moderada	Maior
Alongamento (ductilidade)	Geralmente maior	Levemente menor
Tenacidade ao impacto (à temperatura ambiente)	Boa quando devidamente temperada	Boa, mas pode ser mais sensível ao tratamento térmico
Dureza (como entregue)	Menor	Maior

Explicação: - P22 tende a alcançar maiores resistências à tração e ao escoamento principalmente devido ao elevado teor de Cr e Mo que aumenta a resistência e a endurecibilidade. P11 é geralmente mais dúctil e um pouco mais fácil de alcançar HAZs resistentes após a soldagem. - A tenacidade ao impacto para ambas pode ser excelente quando normalizadas e devidamente temperadas; no entanto, a maior endurecibilidade de P22 significa que um controle térmico inadequado pode reduzir a tenacidade em seções grossas ou juntas mal soldadas. - O equilíbrio entre resistência e tenacidade é ajustável através da têmpera; o projeto deve especificar a energia de impacto necessária e o tratamento térmico para garantir conformidade.

5. Soldabilidade

Fatores que influenciam a soldabilidade: - O equivalente de carbono e a endurecibilidade são indicadores principais da suscetibilidade ao endurecimento da HAZ e trincas a frio. Ambas as classificações requerem pré-aquecimento e tratamento térmico pós-solda (PWHT) para aplicações de pressão, mas P22 geralmente requer controles mais conservadores. - O uso de fórmulas de equivalente de carbono fornece uma avaliação qualitativa da soldabilidade.

Índices comuns (apenas para interpretação): - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parâmetro do Instituto Internacional de Soldagem: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - Como P22 tem maior Cr e Mo, os valores de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ serão mais altos para P22 do que para P11 com química semelhante, indicando maior endurecibilidade e maior risco de endurecimento da HAZ e trincas a frio. - Consequências práticas: aumento do pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas, consumíveis de baixo hidrogênio e PWHT em temperaturas especificadas são mais críticos para P22, especialmente em seções mais grossas.

6. Corrosão e Proteção da Superfície

• Nenhum dos dois, P11 ou P22, é inoxidável; a resistência à corrosão em ambientes úmidos ou quimicamente agressivos é limitada. O comportamento formador de cromita melhora com o teor de Cr, portanto, P22 oferece resistência à oxidação modestamente melhor em altas temperaturas e pode formar uma escala de óxido mais protetora em atmosferas oxidantes de alta temperatura.
• Para corrosão atmosférica geral ou aquosa, a proteção da superfície é necessária: pintura, revestimentos epóxi ou galvanização (onde compatível) são típicos. Para serviço enterrado ou submarino, revestimentos epóxi e proteção catódica são comuns.
• PREN não é aplicável a esses aços não inoxidáveis; para contexto, PREN é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• O uso de PREN é significativo apenas para graus inoxidáveis que contêm níquel e nitrogênio significativos; para P11/P22, o teor de cromo e molibdênio é baixo em relação aos aços inoxidáveis, portanto, o planejamento da resistência à corrosão deve depender de revestimentos, inibidores e seleção de materiais.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade: Ambos são usináveis em condição normalizada/temperada; a maior resistência e dureza de P22 podem reduzir a vida útil da ferramenta e exigir parâmetros de usinagem mais pesados em comparação com P11.
• Formabilidade/dobramento: A conformação a frio é mais fácil com P11 devido à menor resistência e maior ductilidade. P22 é menos tolerante em dobras apertadas e pode exigir raios de dobra maiores ou parâmetros de conformação a temperatura elevada/controlada.
• Acabamento de superfície: Ambos respondem bem a operações de acabamento padrão; a moagem e o polimento são diretos quando temperados para dureza moderada.
• Prática de soldagem: Para sistemas de pressão, ambos requerem metais de adição qualificados compatíveis com a têmpera e PWHT para evitar fragilização; P22 frequentemente precisa de escolhas de adição mais resistentes e controles de processo mais rigorosos.

8. Aplicações Típicas

P11 (usos típicos)	P22 (usos típicos)
Tubos de caldeira de baixa a média temperatura, cabeçotes e tubulações onde custo e soldabilidade são priorizados	Tubulações de serviço em temperaturas mais altas, linhas de vapor, cabeçotes e tubos de superaquecedor/reaquecer onde resistência em alta temperatura é necessária
Componentes estruturais em usinas de energia onde resistência moderada ao fluência é adequada	Componentes expostos a temperaturas e pressões de vapor mais altas onde resistência ao fluência e oxidação são importantes
Trocadores de calor e vasos de pressão em serviço petroquímico com temperatura/pressão moderadas	Componentes críticos de vaso de pressão e tubulações em refinarias e usinas de energia que requerem maior resistência e melhor resistência à oxidação em alta temperatura

Racional de seleção: - Escolha P11 quando o equilíbrio entre custo, facilidade de fabricação e desempenho aceitável em alta temperatura for necessário para condições de serviço moderadas. - Escolha P22 quando o serviço envolver temperaturas mais altas, tensões de projeto mais altas ou quando a resistência ao fluência e desempenho de oxidação aprimorados justificarem o maior custo de material e fabricação.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: P22 é geralmente mais caro que P11 devido ao maior teor de cromo e molibdênio e requisitos de processamento/tratamento térmico mais rigorosos. O molibdênio é uma adição de liga relativamente cara.
• Disponibilidade: Ambas as classificações são comuns em faixas de produtos de tubo sem costura e soldáveis; P11 e P22 são amplamente estocadas para os mercados de energia e petroquímica. A disponibilidade por forma de produto (tubo, chapa, forjados) depende do estoque da usina e do fornecimento regional. Os prazos de entrega para P22 podem ser mais longos durante períodos de aperto no mercado de molibdênio.

10. Resumo e Recomendação

Tabela: resumo comparativo (qualitativo)

Atributo	P11	P22
Soldabilidade	Melhor (menor endurecibilidade)	Mais exigente (maior endurecibilidade)
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Resistência moderada, boa ductilidade	Maior resistência, pode ser menos dúctil se não temperado corretamente
Custo	Menor	Maior

Recomendações: - Escolha P11 se: - Você precisa de uma liga Cr–Mo econômica para sistemas de pressão de temperatura moderada. - Facilidade de soldagem, fabricação e ductilidade são prioridades. - As temperaturas e tensões de serviço estão dentro da capacidade do P11 e a fluência não é o critério de projeto controlador. - Escolha P22 se: - A aplicação requer maior resistência em alta temperatura, resistência ao fluência aprimorada ou melhor resistência à oxidação em temperaturas mais altas de vapor/gás. - Você pode implementar controles de soldagem mais rigorosos, pré-aquecimento/PWHT e aceitar um custo de material mais alto para melhorar o desempenho a longo prazo.

Nota final: Especifique o tratamento térmico necessário, energia de impacto, pré-aquecimento e PWHT nos documentos de aquisição; consulte os certificados de teste da usina para a química e propriedades mecânicas reais de cada lote. Para projetos críticos de vaso de pressão ou de alta temperatura, valide a escolha com dados de fluência, propriedades a longo prazo e conformidade com códigos relevantes.