P22 vs P91 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
P22 e P91 são dois aços amplamente utilizados em vasos de pressão e tubulações na geração de energia, petroquímica e equipamentos de indústria pesada. Engenheiros e profissionais de compras frequentemente ponderam custo, fabricabilidade e desempenho a longo prazo ao escolher entre eles—por exemplo, equilibrando o custo inicial do material e a soldabilidade em relação à resistência a altas temperaturas e à vida útil sob fluência exigidas.
A principal distinção de engenharia é que o P91 é formulado e processado para oferecer uma resistência a altas temperaturas e resistência à fluência substancialmente maiores do que o P22, em grande parte devido ao maior teor de cromo e microligação controlada, além do tratamento térmico. Essas diferenças fazem deles alternativas comuns para componentes expostos a temperaturas e tensões elevadas, razão pela qual a comparação é frequente na especificação de componentes e na análise de custo do ciclo de vida.
1. Normas e Designações
- Normas comuns:
- ASTM/ASME: ASTM A335 / ASME SA-335 (tubos de aço liga ferrítica sem costura) — P22, P91
- EN: equivalentes EN 10216 / EN 10222 (vários graus de aço EN mapeiam para esses graus P)
- JIS / GB: normas nacionais frequentemente fornecem equivalentes aproximados (consulte conversões específicas)
- Classificação de material:
- P22: aço ferrítico de baixa liga (1,25% Cr — comumente chamado de 1.25Cr-0.5Mo). Classificado como um aço liga para serviço a altas temperaturas.
- P91: aço ferrítico martensítico de alto cromo, com resistência à fluência aprimorada (nominalmente 9Cr-1Mo com adições de V/Nb). Frequentemente tratado como um aço martensítico liga/HSLA (aço de alta resistência de baixa liga) otimizado para resistência à fluência.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: Intervalos de composição típicos (wt%). Os valores mostrados são intervalos representativos de especificações comuns; os limites exatos dependem da norma específica e do lote.
| Elemento | P22 (intervalo típico) | P91 (intervalo típico) |
|---|---|---|
| C | 0.04–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.25–0.60 |
| Si | 0.10–0.50 | 0.20–0.60 |
| P | ≤0.025 | ≤0.02 |
| S | ≤0.015 | ≤0.01 |
| Cr | 0.9–1.5 | 8.0–9.5 |
| Ni | traço | traço–baixo |
| Mo | 0.38–0.65 | 0.85–1.05 |
| V | — | 0.08–0.25 |
| Nb (Cb) | — | 0.03–0.12 |
| Ti | traço | traço |
| B | — | traço (nível ppm) |
| N | traço | 0.02–0.06 |
Como a liga afeta as propriedades: - O cromo (Cr) aumenta a resistência à oxidação e a capacidade de endurecimento; o Cr muito mais alto no P91 é um dos principais contribuintes para a melhoria da resistência a altas temperaturas e à oxidação. - O molibdênio (Mo) melhora a resistência a altas temperaturas e a resistência à fluência em ambas as ligas; o P91 geralmente tem ~1% de Mo contra ~0.5% no P22. - O vanádio (V) e o nióbio (Nb) no P91 formam carbonetos/nitretos finos que estabilizam a microestrutura martensítica e inibem a deformação por fluência, fixando deslocamentos e limites de grão. - O carbono fornece resistência via martensita/martensita temperada, mas um maior teor de carbono também aumenta a capacidade de endurecimento e o risco de trincas; o P91 utiliza um teor de C controlado para equilibrar resistência e soldabilidade. - Pequenas adições de B e N controlado no P91 podem refinar ainda mais as propriedades, influenciando a precipitação e a capacidade de endurecimento.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- P22: A microestrutura típica após normalização e têmpera é bainita temperada/ferrita temperada com carbonetos ricos em Mo dispersos. Não forma uma estrutura totalmente martensítica da mesma forma que o P91 após tratamentos térmicos típicos. A microestrutura é estável para serviço a temperaturas elevadas moderadas, mas menos resistente à fluência a longo prazo do que o P91.
- P91: Projetado para formar uma estrutura martensítica fina após normalização e resfriamento rápido, seguido por uma etapa de têmpera que precipita carbonetos e nitretos finos (por exemplo, M23C6, precipitados do tipo MX). O processamento termomecânico e a têmpera controlada são essenciais para obter a microestrutura martensítica temperada otimizada que proporciona alta resistência à fluência.
- Efeitos do processamento:
- Normalização: refina o tamanho do grão de austenita anterior; o P91 geralmente requer uma normalização a temperaturas mais altas do que o P22 para dissolver carbonetos de liga e promover a formação adequada de martensita.
- Resfriamento e têmpera / Normalização e têmpera: ambas as ligas requerem têmpera após a solidificação. A têmpera do P91 é particularmente crítica para estabilizar a estrutura martensítica e alcançar tenacidade, enquanto mitiga tensões residuais.
- Tratamentos termomecânicos e taxas de resfriamento controladas são mais críticos para o P91 para evitar precipitados grosseiros e controlar o desempenho de fluência a longo prazo.
4. Propriedades Mecânicas
Tabela: Comparação qualitativa (valores típicos após normalização & têmpera; as propriedades reais dependem do tratamento térmico exato, espessura e especificação).
| Propriedade | P22 (típico) | P91 (típico) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (máxima) | Moderada | Alta |
| Resistência ao escoamento | Moderada | Alta |
| Alongamento (ductilidade) | Boa (maior que P91) | Moderada (menor que P22) |
| Tenacidade ao impacto (RT) | Boa quando devidamente temperada | Boa quando devidamente temperada; pode ser sensível ao tratamento térmico |
| Dureza | Moderada | Maior (mais suscetível ao desgaste) |
Explicação: - O P91 oferece resistências à tração e ao escoamento substancialmente mais altas e superior resistência à fluência a longo prazo em temperaturas elevadas devido à sua microestrutura martensítica e microligação (V, Nb) em comparação com a estrutura ferrítica bainítica/temperada de baixa liga do P22. - O P22 geralmente oferece maior ductilidade e pode apresentar um controle de tenacidade mais fácil em algumas espessuras; o P91 pode alcançar boa tenacidade, mas requer controle rigoroso do tratamento térmico e do tratamento térmico pós-solda (PWHT).
5. Soldabilidade
Fatores-chave: equivalente de carbono, capacidade de endurecimento e teor de microligação determinam as necessidades de pré-aquecimento/PWHT e o risco de trincas na HAZ.
Índices de soldabilidade comuns (usados para avaliar o risco qualitativamente): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação (qualitativa): - P22: menor Cr e menor capacidade de endurecimento em relação ao P91—valores de equivalente de carbono moderados. Soldar P22 geralmente requer pré-aquecimento e PWHT para minimizar a dureza da HAZ e a suscetibilidade a trincas assistidas por hidrogênio, mas os ciclos padrão de PWHT estão bem estabelecidos e são relativamente tolerantes. - P91: maior Cr, Mo e elementos de microligação aumentam a capacidade de endurecimento e elevam o risco de formação de martensita dura na HAZ; portanto, soldar P91 é mais exigente. Pré-aquecimento adequado, temperaturas interpasso controladas e ciclos de PWHT cuidadosamente prescritos são essenciais para evitar a fragilização da HAZ e temperar a HAZ martensítica. O uso de metais de enchimento correspondentes ou de sobreposição e a qualificação rigorosa do procedimento são comuns. - Conselho prático: os procedimentos de soldagem do P91 requerem WPS/PQR qualificados e pessoal experiente; a soldagem de reparo e a têmpera pós-solda devem seguir ciclos aprovados pelo fabricante ou código. O P22 é mais tolerante, mas ainda requer PWHT correto para componentes de serviço sob pressão.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, P22 ou P91, é inoxidável. A resistência à corrosão em ambientes úmidos/ácidos deve ser gerenciada pela seleção de material, revestimentos ou inibidores.
- Estratégias comuns de proteção: pintura, aluminização a alta temperatura, spray térmico ou especificação de margem de corrosão. Para ambientes externos ou úmidos, revestimentos padrão e proteção catódica são usados conforme necessário.
- PREN (índice de corrosão por pite) não é aplicável a esses aços ferríticos não inoxidáveis porque o PREN é usado para ligas inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Para resistência à oxidação/escamação a altas temperaturas, o maior Cr no P91 proporciona melhor resistência à oxidação em relação ao P22, mas nenhum deles oferece proteção contra corrosão em nível inoxidável.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Usinagem:
- P22: mais fácil de usinar em relação ao P91 devido à menor resistência e dureza; as velocidades de corte podem ser mais altas e as ferramentas têm maior vida útil.
- P91: mais duro e forte, tende a endurecer durante o trabalho; requer ferramentas mais robustas, velocidades de corte mais baixas e configurações rígidas.
- Formação/dobra:
- P22: melhores características de conformação a frio; reduções maiores possíveis sem trincas.
- P91: formabilidade a frio limitada—formação a quente ou maior cautela e raios de dobra maiores podem ser necessários.
- Acabamento de superfície: o P91 pode exigir etapas de moagem/polimento mais agressivas e pode gerar aparas mais difíceis de usinar; a moagem é comumente usada para remover camadas descarbonizadas da HAZ após a soldagem antes do PWHT em casos críticos.
8. Aplicações Típicas
| P22 (usos típicos) | P91 (usos típicos) |
|---|---|
| Tubulação de vapor, cabeçotes e vasos de pressão em caldeiras e refinarias de temperatura moderada (até ~540–565°C de serviço, dependendo do projeto) | Cabeçotes de alta temperatura, tubulações de superaquecedores/reaquecedores, linhas de vapor e componentes de pressão em usinas de energia ultra-supercríticas e avançadas onde alta resistência à fluência é necessária |
| Trocadores de calor, tambores e tubulações de alta temperatura não críticas onde custo e disponibilidade favorecem 1.25Cr-0.5Mo | Componentes de alta tensão e longa vida expostos a altas temperaturas e tensões sustentadas onde redução da espessura da parede ou vida útil prolongada é necessária |
| Componentes de pressão industrial geral onde a vida útil de projeto convencional é aceitável | Aplicações de nova construção ou retrofit que visam temperaturas/pressões de vapor mais altas e intervalos de serviço mais longos |
Justificativa da seleção: - Escolha P22 para serviço a temperaturas moderadas onde soldabilidade, ductilidade e menor custo do material são prioridades. - Escolha P91 onde resistência à fluência a longo prazo, resistência a altas temperaturas e potencial para seções mais finas ou vida útil prolongada justificam o maior custo do material e da fabricação.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: o P91 é tipicamente mais caro que o P22 em uma base por quilograma/pé devido ao maior teor de liga e requisitos de processamento/tratamento térmico mais rigorosos.
- Disponibilidade: o P22 está amplamente disponível em muitas formas de produto (tubo, chapa, conexões). O P91 está amplamente disponível, mas pode ter prazos de entrega mais longos para formas de produto específicas, componentes processados em usinas com tolerâncias apertadas ou quando fabricação de grau superior (por exemplo, consumíveis de soldagem) é necessária.
- Nota de aquisição: o custo total instalado deve considerar não apenas o preço do material, mas a qualificação do procedimento de soldagem, ciclos de PWHT, inspeção e potenciais intervalos de substituição do ciclo de vida.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa):
| Critério | P22 | P91 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Mais fácil; PWHT padrão | Mais exigente; pré-aquecimento/PWHT rigorosos e procedimentos qualificados |
| Resistência–Tenacidade (temperatura ambiente) | Resistência moderada, boa ductilidade/tenacidade | Alta resistência, boa tenacidade se devidamente tratada; ductilidade menor |
| Resistência à fluência a altas temperaturas | Moderada; adequada para serviço a temperaturas mais baixas/ciclos altos | Superior; projetado para serviço prolongado de fluência |
| Custo | Custo de material mais baixo; fabricação mais simples | Custo de material e fabricação mais alto |
| Disponibilidade | Amplamente disponível | Amplamente disponível, mas processamento especializado pode aumentar o prazo de entrega |
Recomendação: - Escolha P22 se você precisar de uma liga econômica para serviço a temperaturas elevadas moderadas onde o PWHT padrão é aceitável, ductilidade e fabricação mais fácil são prioridades, e a vida útil de fluência a longo prazo além dos limites de projeto convencionais não é necessária. - Escolha P91 se o projeto exigir resistência significativamente maior e resistência à fluência a longo prazo em temperaturas elevadas (por exemplo, parâmetros de vapor de usinas de energia avançadas), ou onde a redução da espessura/peso da parede e a extensão dos intervalos de manutenção justificam custos mais altos de material e fabricação e controles de soldagem mais rigorosos.
Nota final: A seleção exata do grau deve considerar as tensões de projeto do componente, a vida útil de projeto necessária, códigos aplicáveis (ASME/EN/JIS/GB), capacidades de soldagem e inspeção, e análise de custo do ciclo de vida. Para componentes críticos de retenção de pressão, consulte os requisitos do código e fornecedores de materiais para dados químicos e mecânicos certificados e para a qualificação de procedimentos de soldagem.