SA387 Gr11 vs Gr22 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
SA387 Grau 11 e Grau 22 são duas classes de aço para vasos de pressão de cromo-molibdênio (Cr-Mo) intimamente relacionadas, amplamente especificadas para serviço em altas temperaturas em caldeiras, vasos de pressão e equipamentos petroquímicos. Engenheiros, gerentes de compras e fabricantes frequentemente ponderam as compensações entre custo do material, soldabilidade, tenacidade e resistência a altas temperaturas ao selecionar entre essas classes. Os contextos típicos de decisão incluem componentes de tubulação e vasos expostos a altas temperaturas de vapor, trocadores de calor e componentes onde a resistência ao fluência térmica e a temperabilidade são importantes.
A principal diferença entre as duas classes é a quantidade de cromo e molibdênio na liga: o Grau 11 é uma variante de menor teor de Cr/Mo destinada a temperaturas elevadas moderadas, enquanto o Grau 22 contém mais Cr e Mo para fornecer maior resistência e resistência à fluência em temperaturas mais altas. Por causa disso, o Gr22 é especificado onde maior resistência a longo prazo e temperabilidade são necessárias; o Gr11 é selecionado onde um custo ligeiramente mais baixo e uma soldagem mais fácil são prioridades, enquanto ainda fornece boas propriedades em altas temperaturas.
1. Normas e Designações
- Principais normas e designações:
- ASTM/ASME: SA387 (placa) — Grau 11 (frequentemente abreviado como Gr11) e Grau 22 (Gr22). Especificações de tubulação relacionadas: ASTM A335/ASME SA335 P11 e P22 (tubos).
- EN: Ligas comparáveis existem nas normas EN para aços de liga para equipamentos de pressão (a seleção requer referência cruzada, pois o mapeamento direto um-para-um não é exato).
- JIS / GB: Normas japonesas e chinesas têm famílias semelhantes de 1.25Cr–0.5Mo e 2.25Cr–1Mo, mas verifique as designações nacionais para equivalência.
- Classificação: Tanto o SA387 Gr11 quanto o Gr22 são aços de liga (aços ferríticos Cr-Mo) usados para serviço em altas temperaturas; não são aços inoxidáveis, aços carbono, nem HSLA no sentido moderno.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir lista as faixas de composição típicas comumente associadas ao SA387 Gr11 e Gr22. Estas são faixas representativas da prática industrial e referências cruzadas padrão; sempre verifique com o certificado de teste do moinho para valores exatos.
| Elemento | Faixa típica — Gr11 (aprox.) | Faixa típica — Gr22 (aprox.) |
|---|---|---|
| C | 0.08 – 0.15 wt% | 0.08 – 0.15 wt% |
| Mn | 0.30 – 0.70 wt% | 0.30 – 0.70 wt% |
| Si | 0.10 – 0.50 wt% | 0.10 – 0.50 wt% |
| P (máx) | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| S (máx) | ≤ 0.035 wt% | ≤ 0.035 wt% |
| Cr | ~1.0 – 1.4 wt% (nominal ~1.25%) | ~2.0 – 2.5 wt% (nominal ~2.25%) |
| Mo | ~0.40 – 0.65 wt% (nominal ~0.50%) | ~0.85 – 1.15 wt% (nominal ~1.00%) |
| V, Nb, Ti, B | Tipicamente presentes apenas como microaliagem residual/traço (≤0.05 wt% cada) | Tipicamente presentes apenas como microaliagem residual/traço (≤0.05 wt% cada) |
| N | Traço | Traço |
Como a estratégia de liga afeta o comportamento: - O cromo aumenta a temperabilidade, a resistência à temperatura e a resistência à oxidação; maior teor de Cr no Gr22 proporciona maior resistência a altas temperaturas e resistência à fluência do que o Gr11. - O molibdênio contribui para a resistência à fluência e à temperabilidade; o maior teor de Mo no Gr22 amplifica o efeito. - O carbono, manganês e silício definem a resistência base e a temperabilidade; o carbono aumenta a resistência, mas pode reduzir a soldabilidade e a tenacidade se excessivo. - Microaliagem menor (V, Nb, Ti) refina o tamanho do grão e pode melhorar a resistência à fluência quando presente intencionalmente, mas placas SA387 típicas geralmente dependem do equilíbrio Cr-Mo em vez de microaliagem pesada.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Em condição normalizada e temperada (ou resfriada e temperada), ambas as classes são matriz ferrítica com martensita temperada ou constituintes bainíticos, dependendo da taxa de resfriamento e do teor de liga. O Gr11, com menor temperabilidade, tende a formar martensita/bainita temperada mais fina com tratamento térmico apropriado; o Gr22, sendo mais altamente ligado, alcança maior temperabilidade e retém mais microestrutura temperável após resfriamento semelhante.
Rotas de tratamento térmico e efeitos: - Normalização: Refina o tamanho do grão e homogeneiza a microestrutura; ambas as classes se beneficiam da normalização para melhorar a tenacidade antes do temperamento. - Resfriamento e temperamento (Q&T): Para placas SA387 destinadas a alta resistência, uma rota Q&T aumenta a resistência ao escoamento e a resistência à tração; o temperamento reduz tensões residuais e melhora a tenacidade. O Gr22 alcança maior resistência temperada em temperaturas de temperamento comparáveis devido ao maior teor de Cr-Mo. - Processamento termo-mecânico: Laminação controlada e resfriamento acelerado podem refinar ainda mais o tamanho do grão e melhorar a tenacidade; o efeito é conceitualmente semelhante para ambas as classes, mas a maior temperabilidade do Gr22 torna o controle da microestrutura mais sensível à taxa de resfriamento.
Notas práticas: - A seleção da temperatura de temperamento é crítica para equilibrar a resistência a altas temperaturas e a tenacidade. O excesso de temperamento reduz a resistência; o sub-temperamento pode deixar martensita quebradiça. O Gr22 frequentemente requer temperamento cuidadoso para atender tanto às metas de fluência quanto de tenacidade.
4. Propriedades Mecânicas
O desempenho mecânico depende do tratamento térmico, espessura e temperatura de teste. A tabela a seguir fornece comparações qualitativas e comportamento direcional típico, em vez de valores garantidos precisos; as especificações do projeto e os certificados do moinho governam os valores contratuais.
| Propriedade | SA387 Gr11 (direcional) | SA387 Gr22 (direcional) |
|---|---|---|
| Resistência à tração | Moderada; adequada para temperaturas elevadas moderadas | Maior; resistência à tração melhorada devido ao maior teor de Cr-Mo |
| Resistência ao escoamento | Moderada | Maior |
| Alongamento (ductilidade) | Tipicamente ligeiramente maior (mais dúctil) | Ligeiramente menor que o Gr11 em temperamento equivalente |
| Tenacidade ao impacto (RT e baixa T) | Boa quando normalizada/temperada; tenacidade mais fácil de alcançar devido à menor temperabilidade | Boa quando devidamente tratada termicamente, mas mais sensível à entrada de calor e à taxa de resfriamento |
| Dureza (HRC/Brinell) | Moderada | Maior dureza potencial após endurecimento/temperamento |
Por que essas diferenças ocorrem: - Maior teor de Cr e Mo no Gr22 aumenta a temperabilidade e a resposta ao endurecimento por temperamento, produzindo maior resistência e dureza. No entanto, o aumento da temperabilidade tende a reduzir a ductilidade e pode tornar a obtenção de tenacidade uniforme mais exigente, particularmente em seções grossas ou com tratamento térmico inadequado.
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade incluem teor de carbono, temperabilidade e a presença de elementos de liga que promovem a formação de martensita na zona afetada pelo calor (HAZ).
Conceitos-chave e fórmulas preditivas: - Use fórmulas de equivalente de carbono para estimar as necessidades de pré-aquecimento e tratamento térmico pós-solda (PWHT). Uma fórmula de equivalente de carbono comumente usada é: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Um parâmetro mais conservador para aços estruturais é o parâmetro de soldabilidade $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa para SA387: - O Gr22 tem maior teor de Cr e Mo, aumentando $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ em relação ao Gr11. Isso significa que o Gr22 é mais suscetível ao endurecimento da HAZ e a possíveis trincas a frio se soldado sem as precauções adequadas. - Implicações práticas: - Pré-aquecimento frequentemente necessário para ambas as classes em seções mais grossas ou em baixas temperaturas ambiente, mas o Gr22 geralmente requer pré-aquecimento mais alto e controle mais rigoroso. - PWHT (temperamento de alívio de tensões) é comumente exigido para aços Cr-Mo usados em altas temperaturas para temperar a HAZ e restaurar a resistência à fluência; a temperatura e o tempo de manutenção do PWHT são normalmente definidos pelo código (por exemplo, ASME) e requisitos de serviço. - Use consumíveis de soldagem de baixo hidrogênio e procedimentos qualificados; controle a temperatura entre passes e a entrada de calor para evitar dureza excessiva na HAZ.
6. Corrosão e Proteção da Superfície
- Tanto o Gr11 quanto o Gr22 são aços de liga não inoxidáveis e, portanto, requerem proteção da superfície para ambientes de corrosão atmosférica, química ou marinha.
- Estratégias de proteção típicas:
- Sistemas de pintura/revestimento (epóxi, poliuretano, intumescente para proteção contra incêndio).
- A galvanização a quente é possível para algumas formas de produto, mas pode não ser compatível com os requisitos de serviço em altas temperaturas ou PWHT exigidos pelo código.
- Proteção catódica se usado em ambientes enterrados ou marinhos.
- Índices inoxidáveis: PREN não é aplicável a aços de liga ferríticos Cr-Mo porque PREN se aplica à resistência à corrosão de aços inoxidáveis austeníticos: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Esclarecimento: Embora o Gr22 tenha maior teor de Cr e Mo do que o Gr11, o nível absoluto de Cr (~2-2.25%) está muito abaixo dos níveis de grau inoxidável; melhora a resistência à oxidação e à fluência em altas temperaturas, mas não confere resistência significativa à corrosão geral em comparação com aços inoxidáveis.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade: Ambas as classes são usinadas de forma semelhante a outros aços de média liga; o Gr22 pode ser ligeiramente mais duro e menos usinável se entregue em tempera de maior resistência. Os parâmetros de ferramentas e corte devem ser ajustados com base na dureza.
- Formabilidade/dobrabilidade: A ductilidade é adequada para conformação em condição normalizada/temperada; o Gr11 tende a ser mais tolerante devido à ductilidade ligeiramente maior. Para conformação a frio, verifique a dureza e o temperamento; a conformação a quente pode ser necessária para formas complexas.
- Acabamento de superfície: Operações de moagem e acabamento são diretas, mas é necessário cuidado com a geração de calor para evitar temperamento ou endurecimento da superfície.
- Tratamento térmico após a fabricação: Componentes soldados ou fortemente trabalhados a frio geralmente requerem PWHT para atender aos requisitos mecânicos e de fluência para serviço em altas temperaturas.
8. Aplicações Típicas
| SA387 Grau 11 (Gr11) | SA387 Grau 22 (Gr22) |
|---|---|
| Coletor de caldeira, tambores e tubulação operando em temperaturas elevadas moderadas onde custo e soldabilidade são considerações | Tubulação de alta temperatura, como tubos de superaquecedor e recalentador, e vasos de pressão que requerem maior resistência a longo prazo e resistência à fluência |
| Trocadores de calor e partes de pressão onde temperaturas moderadas de vapor são esperadas | Componentes em plantas petroquímicas e de energia operando em temperaturas ou pressões de vapor mais altas onde resistência à fluência aprimorada é necessária |
| Flanges, conexões e placas onde soldagem mais fácil e menor teor de liga são vantajosos | Seções grossas ou componentes de maior estresse onde temperabilidade e propriedades mecânicas em altas temperaturas são críticas |
Racional de seleção: - Escolha o Gr11 quando a temperatura de projeto e a resistência à fluência/ruptura exigidas estiverem dentro da capacidade do Gr11, quando a facilidade de soldagem e controle de custos forem importantes, e quando o desempenho em altas temperaturas moderadas for suficiente. - Escolha o Gr22 quando a aplicação exigir maior resistência à tração e à fluência a longo prazo em altas temperaturas, maior temperabilidade para seções grossas, ou se os limites de código/temperatura especificarem o maior teor de liga, apesar do maior custo de material e fabricação.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: O Gr22 é geralmente mais caro que o Gr11 devido ao maior teor de Cr e Mo (Mo é um elemento de liga caro). O prêmio de preço depende dos preços de mercado de Mo e Cr e da forma (placa, tubo, forjamento).
- Disponibilidade: Ambas as classes são comumente produzidas por moinhos de placas e tubos; o Gr22 pode ser ligeiramente menos disponível em alguns tamanhos de produto e formas especializadas, mas ambas são categorias de liga padrão com ampla oferta industrial. A aquisição deve confirmar os prazos de entrega e verificar as certificações do moinho para tratamentos térmicos e resultados de testes mecânicos.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa):
| Critério | SA387 Gr11 | SA387 Gr22 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (menor CE) | Mais exigente (maior CE) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Bom; mais fácil de alcançar tenacidade | Maior resistência; tenacidade alcançável com HT controlado |
| Custo | Menor | Maior |
Recomendações: - Escolha SA387 Gr11 se precisar de uma liga Cr-Mo econômica para serviço em altas temperaturas moderadas, preferir soldagem e fabricação mais fáceis, e sua temperatura de projeto e requisitos de fluência estiverem dentro da capacidade do Gr11. - Escolha SA387 Gr22 se a aplicação exigir maior resistência à tração e à fluência a longo prazo em altas temperaturas, maior temperabilidade para seções grossas, ou se os limites de código/temperatura especificarem o maior teor de liga, apesar do maior custo de material e fabricação.
Conselho prático final: - Sempre especifique a condição de tratamento térmico exata necessária, parâmetros de PWHT e critérios de aceitação (testes mecânicos, energia de impacto nas temperaturas exigidas) nos documentos de compra. - Exija relatórios de teste do moinho e assegure-se de que os procedimentos de soldagem (pré-aquecimento, entre passes, consumíveis, PWHT) sejam qualificados para a classe e espessura escolhidas para alcançar o desempenho pretendido em serviço.