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Nell'industria petrolchimica, le differenze di prestazioni tra i raccordi a T in acciaio duplex e i raccordi a T realizzati con altri materiali si manifestano principalmente in termini di resistenza, resistenza alla corrosione, resistenza alle alte temperature, lavorabilità e costo. Di seguito è riportata un'analisi comparativa dettagliata:
1. Resistenza e resistenza alla pressione: l'acciaio duplex supera significativamente l'acciaio inossidabile austenitico e l'acciaio al carbonio
Il limite di snervamento dei raccordi a T in acciaio duplex (ad esempio, 2205, 2507) può raggiungere 450–700 MPa, che è 2–3 volte quello dell'acciaio inossidabile austenitico 316L (170–210 MPa) e 1,5–2 volte quello dell'acciaio al carbonio (200–300 MPa). Questa proprietà consente di ridurre il peso dell'apparecchiatura diminuendo lo spessore delle pareti in applicazioni ad alta pressione (come le unità di idrocracking che operano a 10-15 MPa), evitando al contempo la deformazione causata dalla concentrazione degli stress. L'acciaio al carbonio, con la sua minore resistenza, richiede pareti più spesse ad alte pressioni ed è soggetto a cricche da fatica; l'acciaio inossidabile ferritico, sebbene più resistente dell'acciaio austenitico, ha scarsa tenacità e debole resistenza agli urti.
II. Resistenza alla corrosione: l'acciaio duplex eccelle in ambienti con cloruri e solfuro di idrogeno
Resistenza alla vaiolatura e alla corrosione sotto tensione: la resistenza alla corrosione dell'acciaio duplex è garantita dalla sua microstruttura bifase “ferritica + austenitica”. Il suo valore equivalente di resistenza alla vaiolatura (PREN) è ≥34. In ambienti di acqua di mare e di lavorazione del petrolio grezzo contenenti ioni cloruro, la temperatura critica di vaiolatura (CPT) raggiunge i 30–40°C, superando di gran lunga i 15°C dell'acciaio inossidabile 316L. Ad esempio, nelle condutture di iniezione di acqua di mare sulle piattaforme offshore, i raccordi a T in acciaio duplex 2205 possono resistere alla corrosione dell'acqua di mare, con una riduzione dello spessore della parete inferiore a 0,1 mm dopo cinque anni di funzionamento. Inoltre, in ambienti acidi contenenti H₂S (come gli impianti di trattamento del gas naturale), l'acciaio duplex ha una soglia più alta di stress corrosion cracking (SCC), prevenendo le fratture da “fragilità da idrogeno”. mentre l'acciaio inossidabile austenitico è soggetto a stress corrosion cracking in ambienti con ioni cloruro o solfuro di idrogeno.
Differenze dalle leghe a base di nichel: le leghe a base di nichel (come l'Inconel 625) offrono la migliore resistenza alla corrosione in mezzi acidi forti come l'acido cloridrico concentrato o l'acido fluoridrico, ma il loro costo è 5–10 volte quello dell'acciaio duplex, rendendole adatte solo a scenari di corrosione estremi; l'acciaio duplex offre una migliore convenienza economica in ambienti di corrosione moderata.
3. Resistenza alle alte temperature: l'acciaio inossidabile austenitico è più adatto alle alte temperature, mentre l'acciaio duplex è limitato alle temperature medie.
L'acciaio inossidabile austenitico (come il 310S) può essere utilizzato a lungo termine a temperature comprese tra 600-1100°C, rendendolo adatto ad applicazioni ad alta temperatura come i tubi dei forni; tuttavia, la temperatura di esercizio a lungo termine per l'acciaio duplex in genere non supera i 300°C (2205) o i 400°C (2507), poiché temperature superiori a queste soglie possono portare alla precipitazione della fase σ, con conseguente riduzione della tenacità. L'acciaio al carbonio subisce una significativa diminuzione della resistenza al di sopra dei 350°C e l'acciaio inossidabile ferritico è soggetto a creep al di sopra dei 450°C, rendendo entrambi i materiali adatti solo ad applicazioni a bassa temperatura.
4. Lavorazione e costo: l'acciaio duplex offre una migliore convenienza economica complessiva rispetto ai materiali di fascia alta.
Saldatura e formabilità: l'acciaio duplex ha un basso rischio di fragilità della zona interessata dal calore e può essere saldato utilizzando processi di saldatura convenzionali, con una difficoltà inferiore rispetto alle leghe a base di nichel; durante la formatura a freddo, la deformazione deve essere controllata, ma la sua formabilità a caldo è superiore all'acciaio ferritico. L'acciaio inossidabile austenitico ha un'eccellente formabilità a freddo, ma tende ad attaccarsi agli utensili durante la lavorazione a caldo; le leghe a base di nichel mostrano un significativo incrudimento, che richiede processi specializzati sia per la formatura che per la saldatura.
Confronto dei costi: il costo del materiale dell'acciaio duplex è superiore a quello dell'acciaio inossidabile austenitico 316L, ma inferiore a quello delle leghe a base di nichel. In ambienti corrosivi ad alta pressione, la durata dei raccordi in acciaio duplex è 2–3 volte quella del 316L, con conseguente riduzione dei costi complessivi. Ad esempio, dopo che una raffineria ha sostituito i suoi raccordi con acciaio duplex, il ciclo di manutenzione è stato esteso da 2 anni a 5 anni. Mentre l'acciaio al carbonio ha costi iniziali inferiori, richiede frequente manutenzione per la protezione dalla corrosione (ad esempio, sabbiatura annuale per la rimozione della ruggine), che può comportare costi operativi a lungo termine più elevati.
5. Raccomandazioni per la selezione dello scenario applicativo
Dare la priorità all'acciaio duplex: condutture di acqua di mare contenenti ioni cloruro, sistemi di lavorazione del petrolio grezzo, unità di idrogenazione ad alta pressione (pressione > 8 MPa), condutture di gas acido contenenti H₂S e piattaforme offshore in cui sono richieste sia resistenza che resistenza alla corrosione in applicazioni compatte.
Selezionare altri materiali: acciaio inossidabile austenitico 316L per ambienti acidi diluiti a temperatura ambiente; acciaio inossidabile ferritico per gas di scarico non corrosivi ad alta temperatura; acciaio al carbonio per condutture a bassa pressione non corrosive; e leghe a base di nichel per ambienti di corrosione completamente immersi in acido concentrato, alta temperatura e alta pressione.
Riepilogo
I raccordi a T in acciaio duplex, con i loro vantaggi completi di “elevata resistenza, resistenza alla corrosione da moderata ad alta ed economicità”, sono diventati la scelta principale per gli ambienti corrosivi ad alta pressione nell'industria petrolchimica. Altri materiali, tuttavia, svolgono un ruolo insostituibile in specifiche condizioni di temperatura o in condizioni di corrosione estreme. Quando si selezionano i materiali, è essenziale condurre una valutazione completa considerando la composizione del mezzo, i parametri operativi e i costi del ciclo di vita per ottenere l'equilibrio ottimale tra prestazioni e costi.