Specificazione dei getti resistenti alla corrosione: gradi, processi e verifica

Un ordine di sostituzione di un manicotto di una pompa di solito inizia con una domanda: la parte precedente si è rotta per vaiolatura vicino alla flangia dopo diciotto mesi e l'ingegnere dell'impianto vuole una fusione che duri fino al prossimo grande cambiamento. Getti resistenti alla corrosione raramente vengono giudicati solo in base alla resistenza alla trazione. Negli impianti chimici, di trattamento termico e di lavorazione dell'acciaio, i fattori decisivi sono la composizione della lega, il processo di fusione, il trattamento termico e la solidità interna. Questo articolo spiega come interagiscono questi fattori, come confrontare i gradi e cosa verificare prima che una fusione voci in servizio.

Che cos'è un getto resistente alla corrosione?

Una fusione resistente alla corrosione è un componente metallico modellato versando la lega fusa in uno stampo, quindi progettato per resistere all'attacco chimico previsto nel suo ambiente di servizio: vaiolatura, corrosione interstiziale, tensocorrosione o ossidazione ad alta temperatura. Le famiglie di materiali più utilizzate nelle fusioni industriali sono:

• Acciai inossidabili austenitici come 316L (grado di fusione CF3M), con buona resistenza a tutto tondo a molti acidi e sostanze contenenti cloruro a temperatura moderata.
• Acciai inossidabili duplex come il 2205 (grado di colata CD3MN), che combina una maggiore resistenza con una migliore resistenza alla tensocorrosione da cloruri rispetto ai normali gradi austenitici.
• Leghe di nichel-cromo come il tipo HP 26Cr35Ni, scelte quando il componente è esposto sia ad alte temperature che ad atmosfere di processo corrosivo.

Una fusione non è una parte lavorata con una forma diversa. Durante la solidificazione, le leghe colate sviluppano una struttura a grana più grossa, possono segregarsi a livello dei dendriti e possono contenere microritiri quando il sistema di alimentazione è inadeguato. Tutte e tre le caratteristiche influenzano la resistenza alla corrosione. Due getti con lo stesso grado nominale possono quindi avere prestazioni molto diverse a seconda della fonderia che li ha prodotti.

Meccanismi di corrosione che determinano la scelta del grado

Prima di scegliere un grado, identifica quale meccanismo di guasto è più probabile. Quattro dominano nei getti industriali resistenti alla corrosione:

• Vaiolatura e corrosione interstiziale: attacco localizzato, solitamente guidato da cloruri, e accelerato nelle zone stagnanti, sotto le guarnizioni o sotto i depositi.
• Tensocorrosione: stress da trazione combinato con un ambiente specifico, come cloruri caldi o soluzioni caustiche; spesso producono fratture improvvise e inaspettate.
• Corrosione intergranulare: attacco lungo i bordi dei grani, tipicamente causata dalla precipitazione del carburo di cromo quando la lega diventa sensibilizzata durante la fusione, la saldatura o il raffreddamento lento.
• Corrosione uniforme: perdita di spessore uniforme su tutta la superficie; è più semplice da prevedere, ma determinare comunque lo spessore della parete e la durata del servizio richiesto.

La seguente tabella collega questi meccanismi alla risposta consueta della legge.

Selezione delle leghe: inizia con PREN, poi guarda più in profondità

Il numero equivalente di resistenza alla vaiolatura (PREN) è uno strumento di screening standard per la resistenza alla vaiolatura del cloruro: PREN = %Cr 3,3 x %Mo 16 x %N. Classifica rapidamente i gradi austenitici e duplex. Le barre sottostanti mostrano valori approssimativi per i gradi di colata più comuni.

PREN è un punto di partenza, non una risposta finale. Non dice nulla sulla corrosione uniforme negli acidi riducenti e non è in grado di rilevare difetti di fusione che agiscono come siti di inizio vaiolatura. Per i componenti critici, associare PREN ai dati dei test di corrosione o all'esperienza di servizio. Una fusione duplex del 2205 solitamente sopravvive al servizio del cloruro caldo che scava rapidamente il 316L, ma solo se la microstruttura è corretta dopo la solubilizzazione. Quando il trattamento termico è sbagliato, si formano fasi dannose ai bordi dei grani e il getto diventa vulnerabile anche se la sua chimica soddisfa il certificato.

Come il processo di fusione modifica le prestazioni di corrosione

Il percorso di fusione influenza direttamente il comportamento alla corrosione perché determina la struttura dei grani, la porosità e la qualità della superficie. Tre processi dominano la produzione di componenti resistenti alla corrosione e ciascuno lascia una firma diversa.

• La fusione centrifuga è preferita per i componenti cilindrici: manicotti resistenti alla corrosione, tubi radianti, rulli di forni e sezioni di tubi. Il metallo si solidifica direzionalmente dalla parete esterna verso l'interno, producendo una struttura densa a grana fine con pochi vuoti di ritiro. La fusione centrifuga può produrre pezzi da 50 mm a 1000 mm di diametro e fino a 4000 mm di lunghezza.
• La fusione a cera persa (cera persa) viene scelta per geometrie complesse, pareti sottili e buona finitura superficiale del pezzo fuso. Poiché il guscio dello stampo rimane caldo, il metallo può raffreddarsi lentamente a meno che il versamento e la temperatura dello stampo non siano controllati, quindi la ricottura in soluzione dopo la fusione è fondamentale.
• Lo stampaggio in sabbia di resina è adatto a parti di grandi dimensioni come corpi di pompe, corpi di valvole e agitatori. Le sezioni pesanti si raffreddano in modo non uniforme, aumentando il rischio di segregazione e precipitazione del carburo. Queste parti dipendono ancora di più da un ciclo di trattamento termico correttamente progettato.

La conclusione pratica è indicare il trattamento termico richiesto insieme al grado, compresa la temperatura di ricottura e il metodo di raffreddamento e, ove pertinente, l'intervallo consentito per la durezza e il contenuto di ferrite.

Cosa controllare quando si acquistano getti resistenti alla corrosione

I problemi di approvvigionamento di solito derivano da specifiche incomplete piuttosto che da sfortuna. Una specifica robusta per un getto resistente alla corrosione dovrebbe includere:

1. Un grado di colata con una composizione chimica che varia dagli standard di colata come ASTM A743, ASTM A744 o ASTM A890, piuttosto che da una lamiera lavorata o da una barra standard.
2. Un requisito di trattamento termico, solitamente solubilizzazione, espresso con un intervallo di temperatura e un metodo di raffreddamento, oltre ai limiti di accettabilità per la durezza e, per i gradi duplex, il contenuto di ferrite.
3. Requisiti dei test non distruttivi: test con liquidi penetranti per crepe superficiali, radiografia per la solidità interna e test idrostatici per parti contenenti pressione.
4. Documentazione: un certificato di prova del materiale con l'analisi effettiva della colata, oltre a rapporti spettrometrici e metallografici per le fusioni critiche.
5. Tolleranze dimensionali ed eventuali esigenze di lavorazione legate al disegno.

L'hardware di verifica di una fonderia è importante qui. Gli spettrometri a lettura diretta confermano la chimica effettiva di ciascun calore, l'analisi metallografica verifica la struttura dopo il trattamento termico e la scansione 3D verifica che la geometria consegnata corrisponde al modello. Un getto con un'eccellente composizione nominale può comunque rompersi presto se presenta difetti incorporati.

Dove vengono utilizzati getti resistenti alla corrosione

I pezzi fusi resistenti alla corrosione sono raramente un acquisto di base; sono specificati per il dovere. Le applicazioni tipiche includono:

• Impianti chimici e petrolchimici: manicotti resistenti alla corrosione 2205 e 316L per tubazioni di processo, agitatori 26Cr35Ni tipo HP per reattori e componenti di valvole o pompe in mezzi aggressivi.
• Trattamento termico e lavorazione dell'acciaio: tubi radianti, rulli del forno e rulli del fondo del forno che affrontano temperature elevate combinate con atmosfere ossidanti, talvolta solforanti.
• Incenerimento dei rifiuti: componenti della griglia ed elementi dello scambiatore di calore esposti ai gas di combustione e ai depositi ricchi di cloruri.

La posta economica è maggiore del prezzo parziale. Studi di settore stimano che il costo globale della corrosione sia pari a circa 2,5 trilioni di dollari, circa il 3,4% del PIL globale, e la maggior parte di tale costo appare sotto forma di perdita di produzione e arresti non programmati, danni che spesso iniziano con una fusione corrosa localmente.

Le fusioni resistenti alla corrosione premiano un approccio disciplinato. Identificare il meccanismo di corrosione, verificare il grado e il trattamento termico e verificare la solidità interna prima che la parte raggiunga la linea. Un produttore come Wuxi Dongmingguan Special Metal Manufacturing che controlla la fusione, la fusione centrifuga e a cera persa, il trattamento termico, la lavorazione meccanica e il controllo di qualità sotto lo stesso tetto può rispondere a queste domande con i propri dati. Quando valuti un fornitore, poni tre domande: come è stata solidificata la parte, come è stata trattata termicamente e come fai a sapere che la chimica consegnata corrisponde al certificato? Le risposte separano i getti che portano semplicemente un nome di qualità, come 316L o 2205, dai getti che effettivamente durano in servizio.