T91 vs P91 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
T91 e P91 são dois nomes frequentemente encontrados por engenheiros que especificam materiais para aplicações de usinas de energia e vapor industrial em alta temperatura. Ambos se referem à mesma família de aços martensíticos/ferríticos resistentes ao calor da classe 9Cr–1Mo usados para partes sob pressão que operam em temperaturas elevadas; no entanto, a designação e as implicações de aquisição diferem. Engenheiros que decidem entre os dois geralmente equilibram fatores como forma do produto pretendida (tubo vs. tubo), código ou norma aplicável, qualificação do procedimento de soldagem e disponibilidade da cadeia de suprimentos regional.
A principal distinção prática é uma impulsionada por normas e forma do produto: “T91” é tipicamente usado em especificações de tubos (por exemplo, ASME SA‑213), enquanto “P91” aparece em especificações de tubos (por exemplo, ASME SA‑335) e em alguns esquemas de nomenclatura regionais. Metalurgicamente, eles são essencialmente a mesma classe 9Cr–1Mo–V–Nb, e é por isso que frequentemente são comparados ou tratados de forma intercambiável em design e aquisição.
1. Normas e Designações
- ASTM/ASME:
- ASME SA‑213 T91 — tubos de aço liga ferrítica sem costura para caldeiras, superaquecedores e trocadores de calor.
- ASME SA‑335 P91 — tubo de aço liga ferrítica sem costura para serviço em alta temperatura.
- EN / Europeu:
- EN 10216‑2 / EN 10222 grau frequentemente notado como X10CrWMoVNb9‑2 (material No. 1.4903) — designação europeia para aços 9Cr comparáveis.
- JIS (Japão) / GB (China):
- Não há um equivalente direto único em JIS; normas japonesas podem listar aços 9Cr semelhantes, mas diferem em limites químicos e práticas de tratamento térmico.
- Normas chinesas GB fornecem graus 9Cr–1MoV comparáveis; as designações locais e limites de tratamento térmico podem variar.
- Classificação: Essas ligas são aços de baixa liga, resistentes ao calor (não inoxidáveis) e são categorizadas na prática como aços ferríticos/martensíticos resistentes ao fluência (estilo HSLA em termos de estratégia de endurecimento, mas formulados para resistência em alta temperatura).
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A família 9Cr–1Mo alcança um equilíbrio de resistência em alta temperatura, resistência à fluência e soldabilidade principalmente através do cromo para resistência à oxidação e ao revenido, molibdênio para resistência à fluência e endurecimento por solução sólida, e microligação com V/Nb para estabilizar carbonetos e controlar o crescimento de grãos. As faixas de composição típicas seguem a prática da indústria:
| Elemento | Faixa típica (wt%) |
|---|---|
| C | 0.08 – 0.12 |
| Mn | 0.30 – 0.60 |
| Si | 0.20 – 0.60 |
| P | ≤ 0.02 |
| S | ≤ 0.01 |
| Cr | 8.0 – 9.5 |
| Ni | ≤ 0.40 |
| Mo | 0.85 – 1.05 |
| V | 0.18 – 0.25 |
| Nb (Ta) | 0.05 – 0.12 |
| Ti | ≤ 0.02 |
| B | traço, ≤ 0.002 |
| N | 0.03 – 0.07 |
Como a estratégia de liga afeta o desempenho: - Cr (8–9.5%) aumenta a resistência à oxidação e contribui para a estabilidade do revenido e a capacidade de endurecimento. - Mo (≈1%) melhora a resistência à fluência e impede a recuperação; importante para propriedades em alta temperatura a longo prazo. - V e Nb formam carbonetos e carbonitretos que fixam a microestrutura e impedem o crescimento de grãos durante a exposição a altas temperaturas, melhorando a vida de ruptura por fluência. - C controlado é necessário para resistência através da transformação martensítica e formação de carbonetos; mantido baixo o suficiente para manter uma soldabilidade aceitável. - Pequeno B melhora as propriedades de fluência em alguns lotes, enquanto N e Ti/Nb controlam a química de precipitação.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestrutura e processamento típicos: - Como-normalizado: uma microestrutura martensítica revenida é produzida após austenitização (normalização) seguida de resfriamento controlado e revenido. A microestrutura consiste em lâminas de martensita revenida, com carbonetos M23C6 dispersos e finos carbonitretos MX (V/Nb). - Normalização + revenido: rota padrão para desenvolver a combinação característica de resistência e tenacidade. A normalização dissolve fases prejudiciais e redefine a estrutura do grão; o revenido otimiza a resistência/tenacidade e estabiliza os carbonetos. - Abatimento & revenido: semelhante à normalização/revenido para esses aços de baixa liga; a severidade do resfriamento é controlada para evitar a retenção excessiva de austenita. - Processamento termo-mecânico (TMT): cronogramas de laminação e resfriamento controlado podem refinar o tamanho do grão de austenita anterior e melhorar a tenacidade sem sacrificar a resistência em alta temperatura. - Diferenças de resposta: não há diferença metalúrgica intrínseca entre T91 e P91 — as diferenças nas propriedades decorrem da temperatura/tempo de tratamento térmico preciso e da história termo-mecânica especificada pela norma do produto. O tratamento térmico pós-soldagem adequado (PWHT) é crucial para restaurar o revenido e aliviar tensões residuais.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas variam conforme a forma do produto, tratamento térmico e fabricante. As faixas típicas para seções normalizadas e revenidas para aços 9Cr–1Mo são:
| Propriedade | Faixa típica |
|---|---|
| Resistência à tração (UTS) | 600 – 800 MPa |
| Resistência ao escoamento (0.2% offset) | 450 – 650 MPa |
| Alongamento (A%) | 12 – 20% |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V, temperatura ambiente) | 30 – 80 J (depende do revenido e do produto) |
| Dureza (HB) | 200 – 260 HB |
Qual é mais forte/mais tenaz/mais dúctil: - Na prática, T91 e P91 são metalurgicamente equivalentes; as diferenças nas propriedades medidas são devido à temperatura de tratamento térmico, tempo de revenido e espessura da seção. Material devidamente normalizado e revenido fornecerá a resistência esperada em alta temperatura e tenacidade adequada em temperatura ambiente. Seções mais espessas e revenido inadequado levam a uma dureza maior e tenacidade menor.
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade decorrem do equivalente de carbono e alta capacidade de endurecimento de Cr, Mo, V e microligação. Índices comuns usados para prever necessidades de pré-aquecimento e PWHT:
-
Instituto Internacional de Soldagem equivalente de carbono: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Equivalente Pcm para previsibilidade da suscetibilidade a trincas a frio: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação e prática: - CE calculado e $P_{cm}$ para aços 9Cr–1Mo geralmente indicam capacidade de endurecimento moderada a alta em relação aos aços carbono. Isso implica procedimentos de soldagem controlados obrigatórios: pré-aquecimento, limites de temperatura entre passes e PWHT completo para restaurar o revenido e minimizar a martensita local e tensões residuais. - Tanto T91 quanto P91 requerem consumíveis de soldagem qualificados e PWHT conforme o código (por exemplo, ASME) para alcançar tenacidade e desempenho de fluência aceitáveis em soldas e zonas afetadas pelo calor. - Devido à química semelhante, a soldabilidade é essencialmente a mesma para T91 e P91, mas a especificação do procedimento de soldagem deve seguir o código do produto (tubo vs. tubo) e espessura.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Estes não são aços inoxidáveis; a resistência à corrosão é limitada à resistência à oxidação melhorada em temperatura elevada devido ao teor de Cr. Eles não são destinados a ambientes corrosivos sem proteção.
- Proteções comuns: pintura, revestimentos de alta temperatura, revestimento refratário e, em alguns casos, galvanização antes do serviço (sujeito a limitações de temperatura). Para aplicações de vapor/energia, o controle da química interna da água/vapor é a estratégia usual de controle de corrosão.
- A fórmula PREN (para desempenho inoxidável) não é aplicável a T91/P91, mas para completude: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — este índice se aplica a aços inoxidáveis e não é significativo para aços ferríticos 9Cr–1Mo.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade: Dificuldade moderada. A maior resistência e a presença de carbonetos reduzem a maquinabilidade em comparação com aços macios. Use ferramentas afiadas, configurações rígidas e velocidades de corte apropriadas. Ferramentas de carboneto são recomendadas para trabalho de produção.
- Formabilidade: Limitada; a conformação a frio significativa não é recomendada. O trabalho a quente e a laminação controlada durante a fabricação são preferidos. A dobra e a conformação de material acabado normalizado & revenido requerem controle cuidadoso do processo; deformação localizada pode causar trincas.
- Acabamento: Desbaste e tratamentos de superfície são padrão; a entrada de calor durante a soldagem e a usinagem pode alterar o revenido local e exigir subsequente PWHT ou revenido local.
8. Aplicações Típicas
| T91 (designações de tubo) | P91 (tubo/estrutural/especificação) |
|---|---|
| Tubos de superaquecedor e reaquecedor em caldeiras e geradores de vapor | Tubulação de vapor de alta pressão em usinas de energia e plantas petroquímicas |
| Tubos de trocador de calor onde resistência à fluência em alta temperatura é necessária | Componentes de cabeçote e tubulação para serviço em alta temperatura |
| Tubos soldados ou sem costura de pequeno diâmetro em caldeiras | Tubo sem costura de grande diâmetro para linhas principais de vapor |
| Componentes fabricados que requerem geometrias de tubo | Vasos de pressão e conexões onde o código exige especificação de tubo |
Racional de seleção: - Escolha a designação de tubo e os fornecedores correspondentes quando a geometria do componente e o código exigirem tubos ASME SA‑213 T91 (por exemplo, bobinas de superaquecedor). - Escolha a designação de tubo ao especificar tubo sem costura/em alta temperatura conforme ASME SA‑335 P91 para linhas principais de tubulação de vapor/energia. - Em ambos os casos, os critérios técnicos decisivos são temperatura de operação, estresse de projeto/requisito de fluência, soldabilidade/capacidade de PWHT e conformidade com o código.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: Aços 9Cr–1Mo são mais caros do que aços carbono comuns e aços 1¼Cr–Mo devido a elementos de liga e ao controle de processo mais rigoroso exigido. Entre estes, T91/P91 é uma classe de baixa liga premium.
- Disponibilidade por forma de produto: Tubos T91 são amplamente produzidos para mercados de caldeiras e trocadores de calor; a disponibilidade de tubos P91 é robusta em regiões industriais principais, mas os prazos de entrega podem variar. Usinas europeias podem fornecer material equivalente à EN sob designação diferente; a aquisição deve especificar tanto os requisitos químicos/de tratamento térmico quanto a norma exata (ASME vs EN) para evitar incompatibilidade.
- Itens de longo prazo: tubos P91 sem costura de grande diâmetro ou parede grossa e fabricados pesados podem ter prazos de entrega prolongados e devem ser planejados cedo na aquisição.
10. Resumo e Recomendação
| Aspecto | T91 | P91 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Moderada; requer pré-aquecimento e PWHT | Moderada; requer pré-aquecimento e PWHT |
| Resistência–Tenacidade (serviço HT) | Alta (dependente do tratamento térmico) | Alta (dependente do tratamento térmico) |
| Custo | Premium vs aços carbono; depende do fornecimento de tubos | Premium vs aços carbono; depende do fornecimento de tubos |
Conclusões: - Escolha T91 se você estiver especificando ou adquirindo tubos (tubos de caldeira/superaquecedor/trocador de calor) e o código regulador exigir tubos ASME SA‑213 T91 ou formas de produto equivalentes. Use T91 onde a forma do produto, tolerâncias dimensionais e práticas de fabricação de tubos são exigidas. - Escolha P91 se você estiver especificando tubulação sem costura, conexões ou partes sob pressão sob códigos como ASME SA‑335 P91, ou se os processos de aquisição e inspeção estiverem orientados para produtos de tubo. Use P91 para linhas principais de vapor e tubulação sob pressão onde o código do tubo e a qualificação do procedimento de soldagem estão escritos para P91.
Nota prática final: Metalurgicamente, T91 e P91 referem-se à mesma família 9Cr–1Mo; a decisão em design de engenharia ou aquisição deve, portanto, ser impulsionada pela forma do produto exigida, pela norma/código aplicável e pelos procedimentos de fabricação e soldagem a montante, em vez de por diferenças percebidas de desempenho do material. Sempre especifique limites exatos de química, tratamento térmico requerido (parâmetros de normalização e revenido), PWHT e critérios de aceitação mecânica nos documentos de compra para garantir desempenho de serviço reproduzível.