P91 vs P92 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
P91 e P92 são aços martensíticos resistentes ao fluência, de cromo-molibdênio-vanádio (Cr–Mo–V), amplamente utilizados em equipamentos de geração de energia e petroquímicos em alta temperatura, como tubos de caldeira, cabeçotes e tubulações de vapor. Engenheiros, gerentes de compras e fabricantes frequentemente enfrentam o dilema de seleção entre P91 e P92 ao equilibrar a resistência em alta temperatura e a resistência à fluência a longo prazo com a soldabilidade, facilidade de fabricação e custo total do ciclo de vida. Os contextos típicos de decisão incluem a atualização da capacidade de temperatura do vapor, a otimização dos intervalos de manutenção para componentes de alta pressão ou a seleção de materiais para novas caldeiras de alta eficiência.
A principal distinção metalúrgica que impulsiona as diferenças de desempenho é a estratégia de liga—particularmente como o tungstênio (W) e o molibdênio (Mo) são equilibrados ao lado de outros elementos de microligadura (V, Nb, B). Essa estratégia de substituição influencia a química do carboneto, a estabilidade do precipitado e a temperabilidade, que por sua vez afetam a resistência à fluência, tenacidade e soldabilidade. É por isso que P91 e P92 são frequentemente comparados para componentes em temperatura elevada.
1. Normas e Designações
- Normas e especificações comuns:
- ASME/ASTM: ASME SA-335 / P91 e P92 (tubulação de liga ferrítica sem costura para temperaturas elevadas), ASTM A213, ASTM A387 (variantes de chapa) e códigos relacionados de caldeiras e vasos de pressão da ASME.
- EN: Graus equivalentes frequentemente aparecem sob designações EN e EN-modificadas (por exemplo, X10CrMoVNb9-1 para química semelhante ao P91 e X10CrWMoVNb9-2 para química semelhante ao P92).
- JIS/GB: Normas locais fornecem composições semelhantes sob numerações diferentes; confirme com a certificação do fornecedor.
- Classificação:
- Tanto P91 quanto P92 são aços de liga projetados para serviço em alta temperatura; às vezes são agrupados com aços ferríticos de alta resistência à fluência HSLA/martensíticos (não aços inoxidáveis ou aços para ferramentas).
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir mostra intervalos típicos de composição para P91 e P92 em porcentagem de peso. Estes são representativos das especificações de material normalizado e temperado comercial; os valores reais dependem de subcategorias e normas específicas.
| Elemento | P91 (intervalo típico, % em peso) | P92 (intervalo típico, % em peso) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.12 | 0.08–0.12 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.60 | 0.20–0.60 |
| P | ≤0.02 | ≤0.02 |
| S | ≤0.01 | ≤0.01 |
| Cr | 8.0–9.5 | 8.5–9.5 |
| Ni | ≤0.50 | ≤0.50 |
| Mo | 0.85–1.05 | 0.20–0.50 |
| W | traço–0.3 | 1.7–2.0 |
| V | 0.15–0.25 | 0.18–0.25 |
| Nb (Cb) | 0.06–0.12 | 0.06–0.12 |
| Ti | ≤0.01 | ≤0.01 |
| B | 0.0005–0.003 | 0.0005–0.005 |
| N | 0.03–0.07 | 0.03–0.07 |
Como a liga afeta as propriedades - O cromo fornece resistência à oxidação e corrosão em alta temperatura e forma carbonetos M23C6 que afetam o comportamento de fluência e têmpera. - O molibdênio (Mo) aumenta o endurecimento por solução sólida e contribui para a formação estável de carbonetos; o Mo é tradicionalmente central para a resistência à fluência do P91. - O tungstênio (W) no P92 é usado como um substituto parcial para o Mo: o W forma carbonetos mais estáveis, que coarsen lentamente e contribui para uma maior resistência à fluência a longo prazo em temperaturas muito altas. - O vanádio (V) e o nióbio (Nb) formam carbonitretos MX finos que fixam os limites de grão, inibem a recuperação e recristalização e melhoram a resistência à ruptura por fluência. - Adições de boro muito baixas melhoram a resistência à fluência ao se segregarem nos limites de grão da austenita anterior e atrasarem a cavitação durante a exposição a longo prazo.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestrutura típica - Tanto P91 quanto P92 produzem uma microestrutura martensítica temperada após um ciclo de tratamento térmico padrão (normalização acima de Ac3 seguida de resfriamento e têmpera). - A microestrutura temperada consiste em martensita em lâminas com carbonetos e carbonitretos distribuídos: M23C6 (rico em Cr) ao longo dos limites de grão da austenita anterior e limites de lâmina, e precipitados MX (V,Nb) dentro das lâminas.
Efeitos da liga e do tratamento térmico - P91: Com maior Mo e W ligeiramente mais baixo, a distribuição de carbonetos é favorável para a resistência à fluência necessária na janela de design original (tipicamente até cerca de 600–620 °C). O Mo contribui para o endurecimento da matriz e a estabilidade do precipitado, mas carbonetos ricos em Mo podem coarsen após longas exposições. - P92: A substituição parcial do Mo pelo W resulta em carbonetos e intermetálicos com cinéticas de coarsening mais lentas em temperatura elevada. O P92 frequentemente desenvolve uma dispersão mais fina e estável de carbonetos após a têmpera adequada, o que proporciona melhor resistência à fluência a longo prazo em temperaturas de vapor mais altas e expectativas de vida mais longas. - Tratamentos termo-mecânicos: Ambos os graus respondem à normalização + têmpera e a processamento termo-mecânico específico que refina o tamanho do grão da austenita anterior e promove uma distribuição desejável de precipitados. A temperatura de têmpera controla as compensações entre tenacidade e resistência.
4. Propriedades Mecânicas
A tabela a seguir apresenta propriedades representativas para material normalizado e temperado na condição fornecida. Os valores reais dependem da química precisa, tratamento térmico, espessura/formato e normas de teste.
| Propriedade | P91 (representativa) | P92 (representativa) |
|---|---|---|
| Resistência ao escoamento (0.2%, MPa) | ~415 (limite inferior típico) — até ~500–600 dependendo da têmpera | maior: ~500–650 (ampla faixa dependendo da têmpera) |
| Resistência à tração (MPa) | ~550–700 | ~650–800 |
| Alongamento (%) | ~18–25 | ~12–20 (geralmente ligeiramente inferior ao P91) |
| Impacto Charpy V-notch (temperatura ambiente, J) | moderado a bom (depende do tratamento térmico; comumente ≥40–60 J) | um pouco mais baixo ou similar dependendo da têmpera; mais sensibilidade ao tratamento térmico |
| Dureza (HB) | ~180–260 (condição N&T típica) | ~200–300 (pode ser maior devido à liga e têmpera) |
Interpretação - Resistência: O P92 geralmente oferece maior resistência à ruptura por fluência e maior resistência à tração/escoamento em muitos tratamentos térmicos comerciais devido à adição de W e à estabilidade refinada do precipitado. - Tenacidade e ductilidade: O P91 tende a ser um pouco mais dúctil e tolerante na fabricação; o P92 pode ser menos dúctil e requer controle mais rigoroso do tratamento térmico e PWHT para garantir tenacidade. - Dureza: O P92 frequentemente apresenta maior dureza em condições comparáveis; isso ajuda na resistência em alta temperatura, mas pode aumentar a suscetibilidade a trincas na soldagem se não for gerenciado.
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade para ambos os graus giram em torno do equivalente de carbono/temperabilidade, microligadura e requisitos de PWHT.
Fórmulas típicas de soldabilidade para avaliar as necessidades de pré-aquecimento e PWHT: - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm Internacional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa - Tanto P91 quanto P92 têm temperabilidade apreciável (Cr, Mo/W, V, Nb, B), levando a uma alta propensão para formar martensita dura na HAZ se soldada sem pré-aquecimento e PWHT adequados. - O maior W do P92 e o equilíbrio de liga ligeiramente diferente aumentam ainda mais a temperabilidade, portanto, frequentemente requer controles de pré-aquecimento/PWHT mais conservadores e materiais de enchimento compatíveis formulados para a química do P92. - PWHT (tipicamente 700–760 °C para esses aços, específico para código e espessura) é obrigatório para temperar a martensita na HAZ e relaxar tensões residuais. Controle de hidrogênio, temperaturas de interpassagem controladas e consumíveis de soldagem de baixo hidrogênio são necessários. - Seleção de material de enchimento: Use consumíveis especificados para P91 ou P92 conforme apropriado (consumíveis compatíveis ou aprovados). Para soldagem de P92, fios de enchimento e procedimentos especializados são mais comuns para minimizar incompatibilidades microestruturais e prevenir trincas do Tipo IV em zonas de fluência a longo prazo.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nem P91 nem P92 são aços inoxidáveis; ambos dependem da liga para resistência à oxidação em alta temperatura, em vez de resistência geral à corrosão aquosa.
- Em ambientes aquosos ou corrosivos, a proteção da superfície é tipicamente necessária: pintura, metalização, revestimento ou revestimentos apropriados. Para proteção atmosférica, revestimentos industriais ou galvanização a quente (onde aplicável pelo serviço) são opções, mas a galvanização pode não ser adequada para serviço de vapor em alta temperatura.
- PREN (Número Equivalente de Resistência à Fissuração) é definido como: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice se aplica a aços inoxidáveis e resistência à corrosão localizada e não é significativo para P91/P92 porque suas composições e usos pretendidos são para desempenho mecânico em alta temperatura, em vez de resistência à corrosão por cloreto.
- Oxidação em alta temperatura: O teor de cromo (≈9%) confere alguma resistência à oxidação para serviço do lado do vapor, mas escalas de oxidação a longo prazo e comportamento de carbonetação devem ser considerados; o P92 é frequentemente preferido em temperaturas de vapor mais altas porque os carbonetos contendo W retardam o crescimento da escala e mantêm a integridade mecânica por mais tempo.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade: Ambos os aços são menos usináveis do que aços de carbono simples devido ao teor de liga e dureza. A maior temperabilidade do P92 e seu potencial para maior dureza podem reduzir a vida útil das ferramentas e aumentar as forças de corte necessárias.
- Formabilidade/dobramento: A conformação a frio é limitada; a conformação/prensagem a quente e a têmpera controlada são comuns. Ambos os graus respondem mal à conformação a frio severa sem tratamento térmico subsequente.
- Acabamento de superfície e moagem: O P92 mais duro requer ferramentas/moagem mais agressivas. O controle de tensões residuais e a evitação de superaquecimento são importantes durante o acabamento.
- Tratamento térmico após a fabricação: Ciclos corretos de normalização e têmpera ou tratamento térmico pós-soldagem são necessários para alcançar as propriedades pretendidas e evitar fragilização.
8. Aplicações Típicas
| Usos Típicos do P91 | Usos Típicos do P92 |
|---|---|
| Cabeçotes de vapor, tubulações e tubos em caldeiras subcríticas e supercríticas iniciais (≤ ~600 °C de serviço) | Tubulações e cabeçotes de vapor em alta temperatura em caldeiras avançadas/ultra-supercríticas (ambientes com maior demanda de fluência) |
| Tubos de trocador de calor, componentes de vasos de pressão para vapor de temperatura moderada | Componentes de alta pressão e alta temperatura em usinas projetadas para temperaturas de vapor mais altas e maior vida útil (HRSGs, reaquecedores) |
| Tubulações petroquímicas onde boa resistência em alta temperatura é necessária, mas existe sensibilidade ao custo | Serviço onde a vida útil de fluência estendida e a estabilidade superior a longo prazo são priorizadas, apesar do maior custo de material e processamento |
| Corpos de válvulas e conexões para serviço em temperatura elevada | Componentes críticos que requerem desempenho máximo de ruptura por fluência para extensão da vida útil do projeto |
Racional de seleção - Escolha P91 quando a aplicação exigir resistência à fluência comprovada em temperaturas elevadas moderadas com boa disponibilidade e fabricação ligeiramente mais fácil. - Escolha P92 quando a temperatura de projeto e a vida útil de fluência exigida excederem a capacidade do P91, ou quando os operadores buscarem intervalos de manutenção mais longos e maior tensão permitida na temperatura de serviço.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: O P92 é geralmente mais caro que o P91 devido ao maior teor de liga (notavelmente W), controles de fusão especializados e demanda/oferta mais limitada. Os procedimentos de fabricação e soldagem para P92 também podem aumentar o custo instalado.
- Disponibilidade: O P91 tem uma história mais longa de uso generalizado e é mais comumente estocado em muitas formas de produto (tubo, chapa, forjamento). A disponibilidade do P92 depende do mercado regional e da produção do moinho; os prazos de entrega podem ser mais longos, especialmente para seções grandes ou formas especiais.
10. Resumo e Recomendação
| Atributo | P91 | P92 |
|---|---|---|
| Soldabilidade (prática) | Boa com procedimentos padrão do P91; menos exigente que o P92 | Mais exigente — maior temperabilidade requer pré-aquecimento/PWHT e consumíveis compatíveis mais rigorosos |
| Resistência–Tenacidade a RT | Equilibrado — boa tenacidade e resistência adequada | Maior resistência e resistência à fluência, mas frequentemente ligeiramente reduzida ductilidade/tenacidade se não otimizado |
| Desempenho de fluência em T elevada | Excelente até a janela de projeto (~até ~600–620 °C típico) | Superior resistência à fluência a longo prazo em temperaturas mais altas e vidas mais longas |
| Custo & disponibilidade | Mais econômico e amplamente disponível | Maior custo de material e processamento; a disponibilidade pode ser mais limitada |
Conclusões — escolha com base nas condições de serviço: - Escolha P91 se: você precisar de um aço resistente à fluência bem estabelecido e econômico para serviço em temperatura elevada dentro do envelope de design convencional do P91, desejar uma fabricação e soldagem um pouco mais fáceis e priorizar a disponibilidade e o custo de compra/fabricação mais baixo. - Escolha P92 se: a aplicação exigir resistência superior à fluência a longo prazo em temperaturas elevadas de vapor (ou intervalos de serviço estendidos), se a vida útil de projeto ou tensões permitidas mais altas justificarem o maior custo de material e processamento, e se sua capacidade de fabricação puder gerenciar controles de soldagem mais rigorosos e qualificação.
Nota prática final: Para qualquer um dos graus, o sucesso no serviço depende menos do nome nominal do grau sozinho e mais da verificação correta da química, procedimentos de soldagem aprovados, controle rigoroso do tratamento térmico/PWHT e garantia de qualidade (NDT, testes mecânicos e rastreabilidade). Ao passar de P91 para P92, espere ajustes nas especificações de procedimentos de soldagem, seleção de materiais de enchimento e possivelmente prazos de entrega e custos de aquisição.