P91 vs P92 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros e profissionais de compras que selecionam aços para aplicações de potência e processo em alta temperatura devem equilibrar resistência, resistência ao fluência, soldabilidade e custo do ciclo de vida. P91 e P92 são dois aços resistentes ao calor com 9% de cromo amplamente utilizados, desenvolvidos para sistemas de tubulação de geração de vapor e alta pressão; a decisão entre eles é comumente um compromisso entre o desempenho a alta temperatura a longo prazo e o custo de fabricação/inspeção.

A principal distinção metalúrgica é que o P92 evolui a clássica família 9Cr–1Mo, deslocando parte da estratégia de fortalecimento para um reforço refratário mais pesado (tungstênio e microligação otimizada), o que melhora a resistência ao fluência em temperaturas elevadas. Devido a essa mudança direcional na liga, o P92 geralmente oferece maior resistência a longo prazo e desempenho de ruptura por fluência em detrimento de práticas de soldagem e fabricação ligeiramente mais exigentes em comparação com o P91.

1. Normas e Designações

• Normas e especificações comuns onde P91 e P92 aparecem:
• ASME/ASTM: tipicamente como P91 e P92 em SA-335 (tubo de aço liga ferrítica sem costura) e códigos relacionados de caldeiras/tubulações.
• EN: esses aços estão disponíveis sob designações europeias em equivalentes EN e normas de produto detalhadas para tubos e conexões.
• GB (China): amplamente produzidos sob as correspondentes classificações GB/T para aços resistentes ao calor.
• JIS: normas japonesas às vezes fazem referência a aços 9Cr equivalentes para serviço em alta temperatura.
• Classificação: tanto P91 quanto P92 são aços ferríticos-martensíticos de baixa liga e resistentes ao calor (nem inoxidáveis nem aços para ferramentas). Eles são melhor categorizados como aços de liga de alta resistência e resistência ao fluência (tipo HSLA para serviço em temperatura elevada).

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela a seguir mostra intervalos de composição típicos (aproximados, arredondados para refletir especificações comuns e práticas industriais). Os intervalos exatos permitidos são definidos na norma de material aplicável ou na ficha técnica do fornecedor.

Elemento	P91 (intervalos típicos, % em peso)	P92 (intervalos típicos, % em peso)
C	0.08–0.12	0.08–0.12
Mn	0.3–0.6	0.2–0.6
Si	0.2–0.5	0.2–0.6
P	≤0.02	≤0.02
S	≤0.01	≤0.01
Cr	8.0–9.5	8.5–9.5
Ni	≤0.40	≤0.40
Mo	~0.85–1.05	~0.4–0.7
W	traço a 0.5	~1.7–2.5
V	0.18–0.25	0.18–0.25
Nb (Cb)	0.06–0.12	0.06–0.12
Ti	≤0.02	≤0.02
B	níveis de ppm muito baixos	níveis de ppm muito baixos
N	0.02–0.07	0.03–0.07

Notas: - O P92 reduz o teor geral de Mo e introduz tungstênio (W) intencionalmente para aumentar o fortalecimento por solução sólida e precipitação em temperatura elevada. A microligação com V e Nb é mantida e otimizada em ambas as ligas para estabilizar precipitados finos de carbonetos/nitratos que controlam a fluência. - O boro em níveis de partes por milhão é frequentemente utilizado para melhorar a temperabilidade; o nitrogênio é controlado para estabilizar carbonetos/nitratos e influenciar o comportamento de têmpera. - Esses intervalos são indicativos; sempre confirme com certificados de fábrica e requisitos de código relevantes.

Como a liga afeta as propriedades: - O cromo fornece resistência à oxidação e estabilidade da matriz em temperatura elevada. - Mo e W são fundamentais para o fortalecimento por solução sólida e para a formação de carbonetos/precipitados complexos estáveis que retardam a fluência; substituir parte do Mo por W desloca o equilíbrio temperatura-resistência em favor de um melhor desempenho a longo prazo em fluência. - V e Nb formam precipitados finos de MX (carbonitreto) que fixam deslocamentos e limites de grão, o que melhora a resistência à fluência e controla a fragilização por têmpera quando devidamente balanceados. - O carbono controla a dureza e a resistência, mas aumenta a temperabilidade e a suscetibilidade à formação de martensita—daí a necessidade de controle rigoroso e tratamento térmico apropriado.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - Ambas as ligas são produzidas para uma microestrutura martensítica/ferrítica temperada após tratamento térmico normalizado e temperado. A estrutura como normalizada é pacotes de lâminas de martensita com limites de grão de austenita anterior; o têmpera produz martensita temperada com vários carbonetos e carbonitretos (precipitados do tipo M23C6, MX). - A microestrutura do P92 tende a exibir uma maior estabilidade de precipitados em temperatura de serviço devido a carbonetos contendo W e uma distribuição refinada de carbonitretos de Nb/V (projetados para resistir ao crescimento).

Rotas de tratamento térmico: - Normalização: aquecimento a uma temperatura de austenitização para dissolver carbonetos de liga, seguido de resfriamento ao ar para formar martensita; as temperaturas típicas são definidas pelo código/especificação e devem ser seguidas para controle dimensional e propriedades metalúrgicas. - O resfriamento não é típico—esses aços são normalizados e depois temperados em vez de endurecidos por resfriamento no sentido usado para aços para ferramentas. - Têmpera: realizada para reduzir a fragilidade, aliviar tensões e precipitar carbonetos de fortalecimento. A temperatura e o tempo de têmpera afetam significativamente a resistência à fluência, tenacidade e dureza. - Processamento termo-mecânico: algumas formas de produto (placas, forjados) se beneficiam de laminação controlada e resfriamento acelerado para refinar o tamanho do grão de austenita anterior e distribuir os precipitados de forma mais uniforme.

Diferenças de efeito: - Os precipitados contendo tungstênio do P92 e o equilíbrio ligeiramente diferente de Nb/V reduzem o crescimento de precipitados em temperaturas de serviço, levando a uma resistência à fluência a longo prazo superior em comparação com o P91. As janelas de têmpera e os ciclos de PWHT devem ser selecionados e controlados para evitar superaquecimento ou subaquecimento em qualquer uma das ligas.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela — intervalos qualitativos e típicos (após normalização e têmpera adequadas; valores específicos dependem do tratamento térmico exato e dos requisitos do código):

Propriedade	P91 (típico)	P92 (típico)
Resistência à tração (Rm)	~600–750 MPa (temperatura ambiente, típico)	~650–800 MPa (temperatura ambiente, típico)
Resistência ao escoamento (Rp0.2)	~415–520 MPa	~480–560 MPa
Alongamento (A%)	~18–25%	~15–25% (ductilidade semelhante)
Tenacidade ao impacto (Charpy V-notch)	Moderada a boa (depende da têmpera)	Boa, comparável, mas sensível ao tratamento térmico
Dureza (HRC/HBW)	Tipicamente ~180–250 HB	Tipicamente ~190–260 HB

Interpretação: - O P92 é geralmente projetado para fornecer maior resistência à tração e à fluência, especialmente em temperaturas elevadas e longos tempos de exposição. - A ductilidade e a tenacidade ao impacto podem ser semelhantes à temperatura ambiente quando o tratamento térmico adequado é aplicado, mas ambas as ligas requerem têmpera cuidadosa para manter a tenacidade exigida, particularmente em soldas. - A dureza é comparável; as diferenças são governadas pela temperatura de têmpera e pela microestrutura final.

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade: - Tanto o P91 quanto o P92 são soldáveis, mas requerem pré-aquecimento controlado, limites de temperatura entre passes e tratamento térmico pós-solda (PWHT) obrigatório para temperar a solda martensítica e a zona afetada pelo calor (HAZ). - O maior teor de liga e a temperabilidade tornam ambos suscetíveis ao endurecimento da HAZ e à fissuração a frio se os procedimentos de soldagem não forem controlados.

Fórmulas úteis (interpretação qualitativa apenas): - Equivalente de carbono (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Um maior $CE_{IIW}$ indica maior temperabilidade e um maior risco de martensita na HAZ e fissuração; tanto o P91 quanto o P92 produzem valores relativamente elevados em comparação com aços de baixa liga. - Pcm (parâmetro de soldabilidade):
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ ajuda a avaliar a suscetibilidade à fissuração a frio; elementos de microligação e boro em P91/P92 podem elevar o índice.

Implicações práticas: - O aumento do tungstênio no P92 (e o Mo ajustado) eleva ligeiramente a temperabilidade em relação ao P91, portanto, os controles de soldagem tendem a ser mais críticos (pré-aquecimento mais alto, perfis cuidadosos de interpassagem e PWHT, uso de metais de enchimento compatíveis). - O uso de metais de enchimento compatíveis ou sobrecompatíveis, controle rigoroso de hidrogênio e procedimentos de soldagem qualificados são necessários. O tratamento térmico pós-solda é essencial para alcançar as propriedades mecânicas exigidas e reduzir tensões residuais e dureza martensítica. - Reparos de solda e soldagem multipassos requerem atenção especial aos ciclos de temperatura/tempo de PWHT especificados no código ou no procedimento de soldagem do fabricante.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, P91 ou P92, são aços inoxidáveis; eles dependem do teor de Cr (~9%) para melhorar a resistência à oxidação em temperaturas elevadas, em vez de resistência à corrosão em ambientes úmidos ou com cloretos.
• Para exposições atmosféricas, aquosas ou quimicamente agressivas, aplicam-se práticas padrão de proteção de superfície: revestimentos, tintas, spray térmico ou galvanização podem ser usados onde apropriado (mas a galvanização em componentes de serviço em alta temperatura não é típica).
• PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é relevante para esses aços ferríticos resistentes ao calor não inoxidáveis; para referência, o PREN é calculado como:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ mas esse índice se aplica à seleção de ligas inoxidáveis e não caracteriza de forma significativa o P91/P92.

Orientação prática: - Para oxidação do lado do vapor a longo prazo e corrosão do lado do fogo em caldeiras e superaquecedores, a seleção de material (P91 vs P92) deve ser orientada pela temperatura de operação e pelo comportamento esperado de deposição/oxidação, com revestimentos e controles de química da água aplicados conforme necessário.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade: ambas as ligas são mais difíceis de usinar do que aços de baixa liga devido à maior resistência e temperabilidade; o P92 pode ser ligeiramente mais desafiador devido ao teor de tungstênio e à estabilidade associada dos carbonetos. Use ferramentas afiadas, montagens rígidas e parâmetros de corte ajustados.
• Formabilidade/dobra: a conformação a frio é limitada; a conformação é geralmente realizada em formas de produto normalizadas ou recozidas, quando possível. Os raios de dobra e os métodos devem seguir a orientação do fornecedor e permitir o tratamento térmico subsequente.
• Operações de moagem, perfuração e acabamento requerem atenção à geração de calor para evitar têmpera ou endurecimento do trabalho na superfície.
• A fabricação por solda requer procedimentos qualificados e pessoal familiarizado com os requisitos de PWHT.

8. Aplicações Típicas

P91 — Usos Típicos	P92 — Usos Típicos
Tubulação principal de vapor, cabeçotes, tubos de superaquecedor, seções de reaquecedor em plantas convencionais e subcríticas (até ~600–620°C de acordo com a expectativa de vida útil)	Tubulação de caldeiras e turbinas de alta pressão e ultra-supercrítica, tubos de superaquecedor/reaquecedor avançados, componentes onde maior resistência à fluência é necessária para um serviço mais longo ou temperaturas mais altas (tipicamente na extremidade superior da família 9Cr)
Tubos e conexões de caldeira em usinas de energia fóssil	Componentes de seção grossa ou aqueles que requerem resistência à ruptura a longo prazo melhorada e taxas de fluência reduzidas
Vasos de pressão de parede grossa onde um comportamento de material bem compreendido e com custo controlado é aceitável	Plantas de nova construção ou retrofits onde a vida útil prolongada em temperaturas metálicas mais altas justifica maior custo de material e fabricação

Racional de seleção: - Escolha com base na temperatura de projeto exigida, na vida útil de ruptura por fluência exigida, na espessura (o W aumenta a resistência em seções mais grossas) e na estratégia de soldagem/fabricação aceitável.

9. Custo e Disponibilidade

• O P92 é tipicamente mais caro que o P91 devido ao tungstênio adicional e controles de fabricação; pode também ter prazos de entrega mais longos e disponibilidade mais limitada em certas formas ou tamanhos de produto.
• O P91 está amplamente disponível em todo o mundo em tubos, conexões, placas e forjados e frequentemente representa a base para componentes aprovados por código.
• A disponibilidade varia com os ciclos de mercado, capacidades de fábrica e região geográfica; a aquisição deve confirmar os prazos de entrega para tubos sem costura versus tubos soldados, forjados e conexões.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo (qualitativa):

Atributo	P91	P92
Soldabilidade (complexidade do procedimento)	Boa — PWHT padrão exigido	Mais exigente — maior temperabilidade, controle mais rigoroso
Resistência–Tenacidade (temperatura ambiente)	Forte, boa tenacidade	Maior resistência, tenacidade comparável se tratado adequadamente
Resistência à fluência (a longo prazo, alta T)	Boa até os limites de serviço típicos	Melhor resistência à fluência a longo prazo em temperaturas mais altas
Custo & Disponibilidade	Custo mais baixo, maior disponibilidade	Custo mais alto, fornecimento mais restrito em algumas formas

Recomendações: - Escolha P91 se: - A aplicação estiver dentro das temperaturas de serviço convencionais de 9Cr–1Mo e expectativas de vida útil de projeto, - A velocidade de fabricação, custo e disponibilidade mais fácil forem prioridades, - Experiência comprovada em código e procedimentos de soldagem existentes forem preferidos.

• Escolha P92 se:
• O projeto exigir maior resistência à fluência a longo prazo, operação na extremidade superior das capacidades de temperatura de 9Cr, ou vida garantida mais longa sob vapor/pressão,
• O projeto puder acomodar controles de soldagem mais rigorosos, maior custo de material e potencialmente prazos de entrega mais longos,
• Melhor desempenho em seções grossas ou regimes agressivos de fluência em alta temperatura for um fator decisivo.

Nota final: A seleção de material deve sempre ser apoiada por dados específicos de projeto sobre ruptura por fluência, registros de qualificação de procedimento de soldagem, cronogramas adequados de tratamento térmico e consulta com fornecedores e fabricantes de materiais. Confirme a composição exata e as propriedades garantidas a partir do certificado de teste da fábrica e siga as prescrições do código (ASME/EN/GB/JIS) para projeto, soldagem e inspeção.