Migliori pratiche per prevenire fratture fragili in tubi, flange e raccordi in acciaio al carbonio

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Nota dell'editore: questo articolo fa seguito a "Cause e rimedi per guasti ai componenti duttili della bobina" e "ASME esamina i requisiti di test per tubi, raccordi e flange".

Le leghe tradizionali hanno ruoli standard nella fabbricazione dei metalli, indipendentemente dal fatto che i metalli siano acciai inossidabili per dispositivi medici o prodotti marini; una qualsiasi delle generazioni di acciai ad alte prestazioni sviluppate negli ultimi due decenni per l'industria automobilistica; o metalli come l'alluminio e il titanio, che hanno un elevato rapporto resistenza/peso e un'elevata resistenza alla corrosione, che li rendono particolarmente adatti per applicazioni aerospaziali, di raffineria e di lavorazione chimica.

Lo stesso vale per alcune leghe di acciaio al carbonio, in particolare quelle che contengono quantità specifiche di carbonio e manganese. Alcuni di questi, a seconda della quantità di elementi di lega, sono adatti all'uso nella realizzazione di flange, raccordi e tubi per impianti di lavorazione chimica e raffinerie. Tutti hanno una caratteristica in comune: i materiali utilizzati in queste applicazioni devono essere sufficientemente duttili da resistere alla frattura fragile e alla tensocorrosione (SCC).

Organizzazioni di standardizzazione come l'American Society of Manufacturing Engineers (ASME) e ASTM Intl. (precedentemente nota come American Society of Testing and Materials) forniscono indicazioni in merito. Due codici di settore rilevanti, ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVD) Sezione VIII, Divisione 1 e ASME B31.3, Process Piping, considerano gli acciai al carbonio (qualsiasi materiale ferroso contenente dallo 0,29% allo 0,54% di carbonio e dallo 0,60% all'1,65% di manganese) essere abbastanza duttile per il servizio in climi caldi, zone miti e aree in cui la temperatura scende fino a -20 gradi F. Tuttavia, recenti fallimenti a temperatura ambiente hanno portato a un esame più attento riguardo alle quantità e ai rapporti dei vari elementi microallineanti utilizzati nella produzione di tali flange, raccordi e tubi.

Fino a poco tempo fa, né ASME né ASTM richiedevano prove di impatto per confermare il comportamento duttile di molti articoli in acciaio al carbonio utilizzati a temperature fino a -20 gradi F. Le decisioni di esentare alcuni prodotti si basavano sulle proprietà storiche dei materiali. Ad esempio, prodotti in acciaio al carbonio come flange A105, raccordi A234-WPB e tubi in acciaio al carbonio A106 grado B con uno spessore della parete di ½ pollice (25 mm) o inferiore, se utilizzati a una temperatura minima del metallo di progettazione (MDMT) di -20 gradi F, sono stati esentati dai test di impatto a causa del loro ruolo tradizionale in tali applicazioni.

Tuttavia, l’accettazione storica e le applicazioni tradizionali non necessariamente durano per sempre. Alcuni materiali che rientrano nella curva B della revisione 2017 di ASME VIII-1, UCS-66 (vedere Figura 1), hanno una storia recente e documentata di guasti dovuti a frattura fragile a temperature superiori a -20 gradi F e, in molti casi, a temperature calde. Pertanto, sono considerati a rischio di frattura fragile a temperatura ambiente, principalmente durante l'avvio, l'arresto, i test idrostatici e la depressurizzazione rapida (autorefrigerazione).

La pratica di effettuare aggiunte deliberate di oligoelementi durante la produzione di acciai a medio carbonio, che contengono dallo 0,18% allo 0,23% di carbonio, è probabilmente intesa a ridurre la temperatura del trattamento termico e il tempo di lavorazione. In uso negli ultimi decenni, questa tecnica ha avuto una conseguenza involontaria: rottura fragile delle flange di grado A105, dei raccordi A234-WPB e dei tubi in acciaio al carbonio A106-B. È noto che questo fenomeno si verifica a temperatura ambiente.

Questo problema diventa acuto quando i materiali soggetti a SCC vengono utilizzati in determinate condizioni di servizio. Secondo la National Association of Corrosion Engineers (NACE) MR0103, una progettazione, una lavorazione (taglio, piegatura, saldatura), installazione o manipolazione impropri possono rendere i materiali resistenti sensibili all'SCC. Le concentrazioni di stress negli intagli locali, come i pozzi di corrosione, rendono le saldature vulnerabili all'SCC. È noto che anche le tensioni residue di trazione derivanti dalla saldatura danno origine alla fessurazione senza sollecitazioni esterne. Le saldature che non sono state sottoposte a distensione e i componenti sottoposti a lavorazione a freddo sono particolarmente vulnerabili. Il mancato rispetto dei requisiti di trattamento termico, meccanici o chimici delle specifiche può essere verificato solo attraverso l'esame metallurgico. Le imperfezioni sulle superfici lavorate delle flange saldate possono essere rilevate solo attraverso una valutazione volumetrica non distruttiva.