Il barra in acciaio al carbonio è un materiale adatto per i componenti dei recipienti a pressione?

La resistenza alla trazione e alla resa del materiale è conforme alla sezione II, parte D, della norma ASME BPVC.

Per quanto riguarda i recipienti a pressione, le barre in acciaio al carbonio devono rispettare alcuni requisiti previsti dal Codice ASME per caldaie e recipienti a pressione, in particolare la Sezione II, Parte D, che specifica le proprietà meccaniche dei componenti destinati a contenere pressione. In base ai valori di resistenza a snervamento, è richiesto un valore minimo di 205 MPa, ovvero circa 30.000 psi. La resistenza a trazione, invece, è meno uniforme e può variare da 380 a 485 MPa, ovvero circa da 55.000 a 70.000 psi, a seconda della qualità e della temperatura di esercizio. La barra in acciaio al carbonio ASTM A36 è esplicitamente citata nelle norme per applicazioni in cui la pressione non supera i 300 psi. Queste barre rispettano gli standard richiesti e offrono inoltre un buon rapporto resistenza/peso. Un’altra proprietà importante è l’allungamento: se rimane superiore al 20%, il materiale è sufficientemente duttile da sopportare picchi di pressione senza cedere. Mantenere la durezza inferiore a 200 HB contribuisce inoltre a prevenire fratture dovute alla perdita di duttilità, un problema di sicurezza di notevole rilevanza.

Resistenza del campione di riferimento: Confronto tra le specifiche ASTM A516 Grado 70 e i requisiti per l’impiego a basse temperature

Considerando la natura dell'acciaio al carbonio e la sua temperatura di transizione duttile-fragile, in gradi, la tenacità all'impatto diventa un fattore critico da valutare. Prendiamo ad esempio l'ASTM A516 Grado 70, un materiale spesso utilizzato per le lamiere di recipienti saldati. L'A515 Grado 70 richiede soltanto un valore minimo di 20 J nel test di resilienza Charpy V con intaglio a una temperatura di circa -30 gradi Celsius. Questo requisito è adeguato per applicazioni con acqua refrigerata, ma risulta insufficiente per applicazioni che prevedono temperature di circa -45 gradi Celsius (fino a -49 gradi). Interessantemente, analizzando i dati della Sezione VIII dell'ASME e i principi meccanici della frattura, emerge che l'acciaio al carbonio presenta prestazioni inferiori rispetto all'acciaio inossidabile austenitico, con una differenza di circa il 40–50%. Nella pratica, ciò significa che oleodotti artici e impianti di stoccaggio di GNL richiedono prestazioni minime di tenacità pari a 40 J. In questi casi, gli ingegneri generalmente non hanno altra scelta se non quella di utilizzare leghe di nichel conformi alle specifiche ASTM A352 LCB/LCC oppure di applicare, dopo la costruzione, un trattamento termico speciale di distensione delle tensioni residue. Ciò deriva dal fatto che i normali tondini di acciaio al carbonio non possiedono intrinsecamente tale capacità.

Di recipienti a pressione, fabbricazione e qualità di barre in acciaio al carbonio approvate ASTM

Recipienti a pressione saldati in acciaio al carbonio: elementi di fissaggio e accessori realizzati in A516-70

L’A516-70 possiede tutte le caratteristiche richieste, poiché la resistenza allo snervamento iniziale è pari a circa 260 MPa (38 ksi). Presenta buona saldabilità e una tenacità affidabile del cordone di saldatura nella direzione dello spessore a temperature di esercizio moderate, oltre a contenere un tenore di carbonio adeguato (inferiore allo 0,27%). Ciò contribuisce a prevenire la formazione di cricche nella zona termicamente alterata (HAZ). Va tuttavia osservato che la norma ASTM A516 riguarda esclusivamente le lamiere e non le barre. L’impiego di barre in acciaio al carbonio costituirebbe una non conformità, a meno che non venga specificata una qualità equivalente di barra. Per quanto riguarda le barre utilizzate in applicazioni di contenimento della pressione, esistono altre norme ASTM che definiscono i requisiti meccanici e chimici.

Quando evitare l’uso di barre ASTM A106 e A29 per applicazioni strutturali e cilindriche

Sebbene i tubi senza saldatura ASTM A106 possano rivelarsi piuttosto efficaci per componenti cilindrici ad alta temperatura, come quelli impiegati nei ugelli e in prodotti simili, la scarsa e non uniforme composizione chimica del prodotto, unita alla mancanza di prove di resilienza obbligatorie, ne impedisce l’uso come sostituti delle barre strutturali nelle applicazioni primarie di contenimento della pressione. Si consideri, ad esempio, la qualità A29 grado 1045: questa qualità è destinata a tipiche applicazioni strutturali, ma non prevede una resistenza allo snervamento minima definita; di conseguenza, potrebbe presentare una resistenza allo snervamento estremamente bassa nella regione duttile, causando così un cedimento strutturale nel momento meno opportuno. Queste due specifiche non soddisfano neppure i requisiti relativi alla composizione chimica, alle prove di resilienza e alla tenuta dei registri previsti dall’ASME BPVC Sezione VIII. Pertanto, per i componenti non cilindrici di contenimento della pressione, devono essere utilizzate barre di acciaio al carbonio ASTM A696. Queste barre presentano requisiti più stringenti in termini di composizione chimica, dimostrano una comprovata resistenza all’urto e i risultati dei test attestano che le barre possono essere trasformate nelle necessarie raccorderie, fondamentali nel nostro settore.

Comportamento alla corrosione e vincoli ambientali per barre in acciaio al carbonio

Vulnerabilità alla fessurazione da H₂S umido, alla corrosione da pitting da cloruri e strategie di mitigazione

I recipienti in pressione contenenti solfuro di idrogeno (H₂S) umido e cloruri sono estremamente dannosi per le barre in acciaio al carbonio e causano un rapido deterioramento del metallo. Durante il servizio, l'acciaio diventa soggetto a un fenomeno denominato "sulfide stress cracking" (rottura da sollecitazione in presenza di solfuri). Durante tale fenomeno, l'idrogeno (H) viene assorbito nel metallo e nella struttura dell'acciaio. Questo problema risulta ulteriormente accentuato con l'aumento della durezza dell'acciaio (superiore a 22 HRC sulla scala di durezza Rockwell). La presenza di cloruri genera celle elettrochimiche (o piccole zone di corrosione localizzata) sulla superficie e punti di concentrazione tensionale, che aumentano significativamente la velocità di propagazione delle fessure. Per tale motivo, gli ingegneri devono selezionare materiali con valori di durezza inferiori al limite di 22 HRC prescritto dalle norme NACE MR0175 e ISO 15156. Devono inoltre essere applicati rivestimenti protettivi (ad esempio alluminio termospruzzato ed epossidici). Va inoltre presa in considerazione l'adozione di sistemi di protezione catodica. Sistemi di controllo progettati per eliminare l'H₂S, ridurre il valore del pH e impiegare sostanze inibitrici della corrosione rappresentano tutti mezzi efficaci per controllare l'ambiente operativo. Dal punto di vista progettuale, l'eliminazione dei "dead legs" (tratti ciechi) e degli spazi in cui l'acqua può ristagnare è una pratica diffusa per prevenire i guasti dovuti alla corrosione.

Riduzione del contenuto di carbonio nella barra in acciaio al carbonio e il suo effetto sulla saldabilità, sulla lavorazione e sul trattamento termico post-saldatura

In che modo la riduzione del carbonio e il suo impatto sulla zona influenzata dal calore (HAZ) e sui requisiti di trattamento termico post-saldatura (PWHT)?

Quando si integra l'acciaio al carbonio con altri elementi per la costruzione di recipienti a pressione, il tenore di carbonio (C) è fondamentale per definire la facilità di saldatura. Con tenori di C superiori allo 0,25% aumenta il rischio che la zona termicamente alterata (HAZ) sviluppi proprietà indesiderate, rendendola suscettibile a fessurazioni fredde dopo la saldatura. Mantenere il tenore di carbonio inferiore allo 0,25% è generalmente favorevole alla saldatura, poiché consente una maggiore stabilità dell'arco, una riduzione dei requisiti di preriscaldamento e una maggiore flessibilità relativamente alle qualifiche delle procedure di saldatura. Secondo l'ASME BPVC Sezione VIII Divisione 1, se qualsiasi sezione ha uno spessore pari o superiore a 38 mm, è obbligatorio eseguire il trattamento termico post-saldatura (PWHT). Si tratta di una procedura volta ad eliminare le tensioni residue indotte dal processo di saldatura e a ripristinare un livello di duttilità necessario nei componenti soggetti a carichi ciclici o in quelli destinati a condizioni operative di elevata integrità. Il tipico PWHT prevede il riscaldamento fino a una temperatura obiettivo compresa tra 600 e 700 °C per 1 ora ogni 25 mm di spessore del campione; inoltre, è obbligatorio effettuare un preriscaldamento preventivo per evitare shock termici prima dell'esecuzione del PWHT.

Seguire correttamente questi passaggi garantisce che tutte le dimensioni rimangano stabili e che la struttura mantenga nel tempo un’elevata affidabilità, senza un impatto significativo sul tasso di produzione.

Qual è la resistenza a snervamento minima per le barre in acciaio al carbonio utilizzate nei recipienti a pressione?

La resistenza a snervamento minima richiesta è di 205 MPa o 30.000 PSI.

Perché l’acciaio al carbonio ASTM A516 grado 70 è il materiale preferito per le parti saldate dei recipienti in acciaio al carbonio?

Per il suo equilibrato insieme di caratteristiche, tra cui una resistenza a snervamento minima di circa 260 MPa, una buona saldabilità e una buona tenacità.

Quali sono gli effetti della temperatura sulla resistenza all’urto dell’acciaio al carbonio?

Le basse temperature riducono la resistenza all’urto dell’acciaio al carbonio, rendendolo meno performante rispetto agli acciai inossidabili austenitici.

Quali sono i metodi per controllare la corrosione nelle barre in acciaio al carbonio?

L’uso di materiali con durezza inferiore a 22 HRC, rivestimenti protettivi, protezione catodica e ambiente controllato.

Qual è l'importanza del contenuto di carbonio nella saldatura delle barre in acciaio al carbonio?

Se il contenuto di carbonio rimane inferiore allo 0,25%, ciò favorirà un arco stabile durante la saldatura, ridurrà la necessità di preriscaldamento e l'acciaio sarà meno soggetto a fessurazioni fredde.