SA387 11CL2 vs 22CL2 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
SA‑387 (também referenciado como ASTM A387) é uma família de aços de baixa liga de cromo-molibdênio para partes que contêm pressão em serviço a altas temperaturas. Engenheiros e equipes de compras frequentemente ponderam as compensações entre dois membros comumente especificados: 11CL2 (frequentemente chamado de tipo P11) e 22CL2 (frequentemente chamado de tipo P22). Os contextos típicos de decisão incluem selecionar a mínima liga para uma resistência ao fluência aceitável à temperatura, equilibrar a soldabilidade e as demandas de tratamento térmico pós-solda, ou otimizar o custo de aquisição em relação ao desempenho ao longo do ciclo de vida.
O principal contraste prático entre essas classes é o conteúdo de liga direcionado à resistência a altas temperaturas e à resistência à fluência: a composição de maior cromo e molibdênio da classe 22CL2 oferece maior resistência e capacidade de fluência em temperaturas elevadas, enquanto 11CL2 oferece menor conteúdo de liga que melhora a soldabilidade e reduz o custo do material. Como ambos são projetados para aplicações de pressão a altas temperaturas, eles são comumente comparados quando os projetistas escolhem materiais para caldeiras, trocadores de calor, tubulações e vasos de pressão que operam em faixas de temperatura semelhantes.
1. Normas e Designações
- Principais normas:
- ASTM/ASME: SA‑387 / A387 (Classes 11, 22; Classes 1, 2, etc.)
- EN: Designações equivalentes frequentemente caem em classes P (por exemplo, P11 / P22) ou equivalentes EN 10222/10028 dependendo da forma do produto.
- JIS/GB: Normas nacionais podem especificar aços Cr‑Mo comparáveis com diferentes códigos de classe.
- Tipo de material:
- Tanto SA387 11CL2 quanto 22CL2 são aços de baixa liga, cromo-molibdênio destinados ao serviço a altas temperaturas. Eles não são aços inoxidáveis e não são HSLA no sentido de aços estruturais de alta resistência microaleados; são ligas de vaso de pressão resistentes ao calor com adições intencionais de Cr e Mo.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela abaixo fornece faixas típicas representativas (wt%) encontradas nas especificações SA‑387/A387 Classe 11 Classe 2 e Classe 22 Classe 2 ou na prática comum de usina. A química contratual exata deve sempre ser retirada do certificado da usina ou da edição aplicável da norma.
| Elemento | 11CL2 (wt% representativo) | 22CL2 (wt% representativo) |
|---|---|---|
| C | 0.06 – 0.15 | 0.05 – 0.15 |
| Mn | 0.30 – 0.60 | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.08 – 0.35 | 0.08 – 0.35 |
| P (máx) | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S (máx) | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| Cr | 0.90 – 1.35 | 2.00 – 2.60 |
| Ni (máx) | ≤ 0.40 | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.44 – 0.65 | 0.80 – 1.15 |
| V | tipicamente baixo / traço | tipicamente baixo / traço |
| Nb, Ti, B, N | traço / controlado | traço / controlado |
Como a liga afeta o desempenho: - O cromo (Cr) aumenta a resistência à oxidação e a resistência a altas temperaturas e contribui para a temperabilidade. - O molibdênio (Mo) aumenta a resistência à fluência e estabiliza os carbonetos a temperaturas elevadas; o Mo também promove a temperabilidade. - O carbono aumenta a resistência, mas reduz a soldabilidade e a tenacidade se excessivo; ambas as classes mantêm baixo carbono para equilibrar a tenacidade à temperatura ambiente e a soldabilidade. - O manganês e o silício são desoxidantes e contribuem para a resistência. - Elementos de microaleação em traço (V, Nb, Ti) quando presentes em pequenas quantidades influenciam o controle do tamanho do grão e o endurecimento por precipitação, mas as classes SA‑387 são principalmente fortalecidas pela química de Cr/Mo e tratamento térmico.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Processamento típico e microestrutura: - Laminado a quente ou normalizado e temperado, ambas as classes desenvolvem uma microestrutura martensítica/bainítica temperada dependendo da taxa de resfriamento e do conteúdo de liga. - 11CL2 (menor Cr/Mo): tende a se transformar a temperaturas mais altas e exibe carbonetos um pouco mais grossos após o temperamento em comparação com 22CL2; a microestrutura é suficiente para serviço moderado de fluência. - 22CL2 (maior Cr/Mo): mostra maior temperabilidade e forma uma distribuição mais fina de carbonetos temperados que são mais eficazes em resistir à fluência e ao amolecimento a temperaturas elevadas.
Influência dos tratamentos térmicos: - Normalização e temperamento (rota comum): refina o tamanho do grão e produz uma mistura de martensita/bainita temperada com melhor equilíbrio de tenacidade e resistência. - Resfriamento e temperamento: podem ser usados para requisitos de maior resistência, mas ambas as classes são tipicamente usadas em condição normalizada/temperada para serviço de vaso de pressão. - Processamento termo-mecânico (laminação controlada): pode melhorar a resistência ao escoamento e a tenacidade por refino de grão e controle de precipitação; mais eficaz em 22CL2 devido à liga, mas requer controle rigoroso do processo. - Tratamento térmico pós-solda (PWHT): necessário para muitas aplicações de pressão para temperar a zona afetada pelo calor e restaurar a tenacidade; os cronogramas de PWHT dependem da espessura, código de projeto e conteúdo de liga.
4. Propriedades Mecânicas
A tabela a seguir fornece uma comparação qualitativa das características comuns de desempenho mecânico sob condições padrão de tratamento térmico (normalizado e temperado). Os valores absolutos dependem da espessura, química exata e tratamento térmico; consulte o certificado do material e o código de projeto para números mínimos garantidos.
| Propriedade | 11CL2 | 22CL2 |
|---|---|---|
| Resistência à tração (comportamento típico) | Moderada | Maior (melhorada a T elevada) |
| Resistência ao escoamento | Moderada | Maior |
| Alongamento (ductilidade) | Levemente maior (melhor ductilidade à temperatura ambiente) | Levemente menor (compensação pela resistência) |
| Tenacidade ao impacto (temperatura ambiente, temperado) | Boa, depende do tratamento térmico | Boa, pode ser comparável se tratado adequadamente, mas requer controle |
| Dureza (temperado) | Moderada | Maior em condição de tratamento térmico semelhante |
Por que essas diferenças ocorrem: - O maior Cr e Mo em 22CL2 aumentam a temperabilidade e a precipitação de carbonetos estáveis que mantêm a resistência à temperatura. Isso aumenta a resistência à tração e ao escoamento, particularmente no regime de fluência, ao custo de reduções modestas na ductilidade, a menos que o temperamento e o tratamento térmico sejam otimizados. - O menor conteúdo de liga de 11CL2 resulta em uma soldabilidade ligeiramente melhor e frequentemente maior alongamento medido à temperatura ambiente.
5. Soldabilidade
Fatores-chave de soldabilidade: - O equivalente de carbono e a temperabilidade governam a suscetibilidade a trincas a frio e a necessidade de pré-aquecimento e PWHT. - O conteúdo de liga (Cr, Mo) aumenta a temperabilidade; assim, 22CL2 geralmente requer práticas de pré-aquecimento e PWHT mais conservadoras do que 11CL2 para espessuras equivalentes.
Fórmulas empíricas úteis (interprete qualitativamente; nenhum cálculo numérico fornecido): - Instituto Internacional de Soldagem Equivalente de Carbono: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Dearden & O'Neill ou Pcm (expressa a suscetibilidade a trincas na solda): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação: - 22CL2 geralmente produzirá um $CE_{IIW}$ e um $P_{cm}$ mais altos do que 11CL2 devido ao seu maior Cr e Mo, implicando controles de soldagem mais rigorosos (pré-aquecimento, temperatura entre passes, PWHT). - Ambas as classes são soldáveis com procedimentos apropriados; a prática comum é aplicar pré-aquecimento e PWHT obrigatórios de acordo com o Código ASME de Caldeiras e Vasos de Pressão para partes de pressão, com temperaturas e durações de PWHT selecionadas para aliviar tensões induzidas por hidrogênio e tensões residuais e para temperar a HAZ.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhuma das classes é inoxidável; ambas são suscetíveis à corrosão geral e à corrosão localizada em ambientes agressivos.
- Estratégias de proteção: pintura, revestimentos epóxi, revestimentos poliméricos e galvanização (dependendo da temperatura de projeto e serviço) são métodos típicos de proteção de superfície. Para resistência à oxidação/escama a altas temperaturas, o conteúdo de Cr em 22CL2 oferece resistência à escama um pouco melhor em comparação com 11CL2, mas nenhum deles substitui os aços inoxidáveis para serviço corrosivo.
- PREN (número equivalente de resistência à picada) não é aplicável a esses aços não inoxidáveis, no entanto, para completude: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Use ligas resistentes à corrosão ou revestimento/revestimento quando houver ataque químico ou alto risco de corrosão localizada; para muitas aplicações de caldeiras e vapor, as preocupações com corrosão são tratadas pelo controle da química da água em vez de depender da resistência à corrosão do metal base.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade: ambas as classes são facilmente usinadas em condições normalizadas/temperadas. O conteúdo de liga ligeiramente menor de 11CL2 pode oferecer uma facilidade de usinagem marginalmente melhor; 22CL2 pode exigir trocas de ferramenta mais frequentes ao usinar para a mesma dureza.
- Formabilidade/dobramento: ambas podem ser moldadas quando fornecidas na condição normalizada; os raios de dobra mínimos e as temperaturas de formação devem seguir práticas padrão para aços Cr‑Mo temperados. A maior temperabilidade em 22CL2 pode aumentar o risco de trincas durante a formação a frio de seções mais espessas.
- Acabamento de superfície: ambas aceitam métodos comuns de acabamento (desbaste, jateamento, revestimento). O tratamento térmico após a formação ou soldagem é frequentemente necessário para atender aos requisitos de tenacidade e tensão.
8. Aplicações Típicas
| 11CL2 (SA387 Classe 11 CL2) | 22CL2 (SA387 Classe 22 CL2) |
|---|---|
| Componentes de caldeira e forno operando a temperaturas elevadas moderadas onde custo e soldabilidade são prioridades | Componentes de alta temperatura (superaquecedores, reaquecedores, cabeçotes espessos) onde resistência superior à fluência e estabilidade a longo prazo a altas temperaturas são necessárias |
| Casco de vaso de pressão e tubulações onde a temperatura de projeto é mais baixa dentro do envelope de serviço | Partes de pressão para seções mais pesadas e serviço a temperaturas mais altas em usinas de energia e unidades petroquímicas |
| Tubulações e conexões econômicas onde PWHT e resistência moderada são suficientes | Spools críticos de alta temperatura, componentes de paredes espessas e partes sujeitas a tensões sustentadas mais altas a temperatura |
Racional de seleção: - Escolha 11CL2 quando as temperaturas e tensões de operação estiverem dentro de seu envelope de projeto seguro, e quando minimizar o custo da liga e facilitar a fabricação/soldagem forem desejados. - Escolha 22CL2 quando as demandas de serviço antecipadas (temperatura mais alta, tensão sustentada mais alta, seções mais espessas) exigirem resistência à fluência e resistência a altas temperaturas melhoradas.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: 22CL2 é tipicamente mais caro em custo de material do que 11CL2 devido ao maior conteúdo de Cr e Mo. O delta varia com os preços de mercado para elementos de liga.
- Disponibilidade: Ambas as classes são amplamente produzidas em chapas e forjados para equipamentos de pressão; a disponibilidade por forma de produto (chapas, forjados, tubos) e o tempo de entrega dependem dos cronogramas da usina e da demanda regional. 11CL2 é frequentemente mais comumente disponível em uma ampla gama de tamanhos devido ao seu uso mais amplo em aplicações sensíveis ao custo.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | 11CL2 | 22CL2 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (menor temperabilidade) | Mais exigente (maior Cr/Mo) |
| Equilíbrio entre resistência e tenacidade | Resistência moderada; boa ductilidade | Maior resistência a altas temperaturas; boa tenacidade se tratado termicamente |
| Custo | Menor | Maior |
Conclusões e recomendações práticas: - Escolha 11CL2 se você precisar de um aço de pressão Cr‑Mo econômico para serviço a temperaturas elevadas moderadas onde soldagem mais fácil e menor custo de liga são prioridades, e onde as tensões e temperaturas de projeto estão dentro dos limites permitidos para o material Classe 11. - Escolha 22CL2 se a aplicação exigir resistência à fluência aprimorada e maior resistência sustentada a altas temperaturas (ou seções mais espessas onde a temperabilidade é necessária), e você puder acomodar procedimentos de soldagem mais rigorosos e um custo de material mais alto.
Notas finais: - Sempre verifique a química exata e as propriedades mecânicas garantidas no certificado da usina para o lote que está sendo adquirido. - Siga os códigos de projeto aplicáveis (ASME Seção II/Código de Caso, ASME BPVC, normas EN) para tensões permitidas, PWHT requerido e testes. A seleção deve ser feita no contexto da temperatura de operação, pressão, vida útil esperada, especificações de procedimentos de soldagem (WPS/PQR) e planos de inspeção em serviço.