Termini di Utilizzo Sezione Failure Analysis

L’obiettivo di questa sezione del sito web è favorire la comprensione scientifica e la diffusione delle potenzialità della Failure Analysis in campo metallurgico. I casi di studio qui presentati s’ispirano a situazioni verosimili e sono tratti dall’esperienza operativa di AQM, costruita in oltre 35 anni di attività nel settore del Testing e della Consulenza metallurgica.

Per esigenza didattica e di riservatezza le informazioni riportate ed i documenti mostrati sono tecnicamente e scientificamente esatti ma non sono intenzionalmente riconducibili alle situazioni originali che li ispirano.

Le circostanze, i materiali e prodotti descritti sono presentati in forma anonima ed ogni associazione a fatti reali, aziende, persone e cose è sotto la responsabilità del lettore che s’impegna ad evitare un utilizzo diverso da quello scientifico indicato. La proprietà intellettuale ed i diritti d’autore dei casi presentati appartengono ad AQM srl.

Danneggiamenti Scambiatori di Calore - AQM Srl Provaglio D'Iseo

Danneggiamenti degli Scambiatori di Calore

Gli scambiatori di calore sono usati per trasferire calore dai gas di combustione, vapore o acqua a fluidi di vario tipo. Quelli costruiti con tubi sono generalmente usati per grandi impianti, mentre quelli costruiti con lamiere sono usati per piccoli flussi. Di solito sono sistemi a sé stanti, ma talvolta fanno parte di impianti più grandi e complessi.

Nella scelta dei materiali da costruzione per gli scambiatori di calore si deve tenere conto della resistenza alla corrosione, della resistenza meccanica, della conducibilità termica e del costo. La maggiore criticità è la resistenza alla corrosione, perché le varie parti dello scambiatore di calore possono venire a contatto con i più disparati ambienti e sostanze, spesso corrosivi. Per questa ragione la corrosione è inevitabile.

La principale funzione degli scambiatori di calore è trasferire il calore dal lato caldo al lato dove circola il fluido (interno o esterno). Pertanto sono fondamentali la conducibilità termica della parete, lo spessore e la resistenza all’ossidazione. In certi casi la resistenza a trazione e allo snervamento non sono fattori importanti, perché le sollecitazioni che devono essere sopportate dalla parete per effetto della pressione interna sono così basse da non richiedere materiali con elevate caratteristiche meccaniche. La rigidità e la resistenza all’intaglio sono invece caratteristiche importanti. La prima è proporzionale allo spessore della parete, al diametro e al modulo elastico. La seconda  dipende dagli stessi fattori e anche dalla resistenza allo snervamento.

Spesso sono usati tubi alettati per migliorare la conduzione termica tra gas e liquidi o tra liquidi e liquidi. Le alette usate per il raffreddamento dell’aria o dell’acqua sono applicate per brasatura, saldatura, o saldatura a resistenza. Pertanto è fondamentale l’idoneità del materiale usato a questi processi. Gli scambiatori a olio sono spesso costruiti con profilati cavi estrusi, con alette longitudinali integrate.

La resistenza alla corrosione è fondamentale per gli scambiatori di calore che devono lavorare in ambienti imprevedibili. Molti scambiatori lavorano con acqua salmastra, acqua di mare, acqua di fiume o acqua di raffreddamento riciclata, la cui composizione chimica può cambiare nel tempo, con le stagioni, o per altre cause imprevedibili, come lunghi periodi di fermata dell’impianto. Può anche capitare che gli scambiatori di calore siano consegnati in cantiere molto prima che l’impianto sia finito e inizi a lavorare. In tal caso si dovrebbero adottare tutte le precauzioni per evitare l’innesco della corrosione, come per esempio consegnare lo scambiatore secco o addirittura riempito con un gas inerte. Poiché possono accadere fermate accidentali non previste dalle normali operazioni di manutenzione, dovrebbero essere disponibili idonee procedure per evitare il danneggiamento dell’impianto.

I vari tipi di danneggiamento degli scambiatori di calore dipendono generalmente dai metodi di costruzione dei tubi e delle condotte, dai processi di costruzione, dai metodi di controllo in fabbrica e in campo, dall’ambiente effettivo in cui operano, dalle procedure di spedizione e d’immagazzinamento, ma soprattutto dalle operazioni d’avviamento e fermata e dalle condizioni d’esercizio dell’impianto.

La prima precauzione è d’usare tubi e materiali esenti da difetti o imperfezioni superficiali o subcorticali, tipici dei prodotti fabbricati per deformazione plastica a caldo (laminazione, fucinatura ed estrusione). I difetti e le imperfezioni dovrebbero essere cercati con tutte le prove non distruttive applicabili, quali Eddy-current (ET), ultrasuoni (UT), particelle magnetiche (MT) e prove di tenuta idrauliche.

Si è osservato statisticamente che i trattamenti termici, la raddrizzatura, il decapaggio e la rettifica sono responsabili di più avarie di quelle attribuibili ai difetti superficiali e subcorticali propri dei tubi e materiali originali. Per esempio, la rettifica, la raddrizzatura e il trattamento termico determinano l’intensità delle tensioni residue, da cui dipende in larga misura il danneggiamento da tensocorrosione e da corrosione-fatica.

Le atmosfere dei trattamenti termici, il decapaggio e i metodi di pulizia influenzano lo spessore e la morfologia degli ossidi sulla superficie interna dei tubi. L’ossido dovrebbe essere sottile e flessibile e dovrebbe ricoprire completamente la superficie interna, perché piccole scheggiature dello strato creano aree anodiche che possono innescare corrosione crateriforme. Se l’ossido interno deve essere eliminato, bisogna essere certi della sua completa asportazione.

Particolare cura deve essere posta nelle operazioni d’allineamento e foratura delle piastre tubiere per ottenere le giuste tolleranze d’assemblaggio dei tubi dello scambiatore e minimizzare le tensioni indotte. Anche l’eccessiva mandrinatura dei tubi nella piastra tubiera induce tensioni pericolose.

DANNEGGIAMENTO PER CORROSIONE

La corrosione generalizzata può essere responsabile del danneggiamento degli scambiatori di calore perché conduce all’assottigliamento delle pareti dei tubi; tuttavia è normalmente prevista dal progetto, che valuta il soprametallo da usare per garantire la resistenza dello scambiatore di calore per tutta la vita prevista.

La corrosione più pericolosa e frequente è quella localizzata che può manifestarsi per:

  • vaiolatura o corrosione crateriforme (pitting);
  • corrosione da bolle di vapore (impingement);
  • assottigliamento della parete (thinning);
  • dealligazione (dealloying);
  • corrosione intergranulare (intergranular corrosion);
  • tensocorrosione (stress corrosion cracking).

Anche le correnti vaganti possono talvolta generare corrosione localizzata.

Nelle immagini che seguono sono illustrati alcuni casi di corrosione di scambiatori di calore.

Corrosione per aerazione differenziale

Figura 1. A sinistra: sezione di un tubo di cupronichel 706 di uno scambiatore di calore usato per raffreddare olio diatermico (esterno) con acqua di fiume (interno), corroso in esercizio fino a perorazione dopo solo 18 mesi. Superficie interna con perforazione (A) e numerose pustole liberate dall’incrostazione asportata volutamente per l’osservazione macroscopica (B). A destra: sezione micrografica del foro passante. Nessuna alterazione microstrutturale, né incrostazioni od ossidi ai bordi del foro. Tale situazione è identica in ogni pustola. Una pustola di colore verdastro fu analizzata mediante diffrazione a raggi X. Il composto predominante nell’incrostazione era carbonato basico di rame, CuCO3.Cu(OH)2, tipico della corrosione delle leghe di rame in acqua ricca d’ossigeno. La diagnosi di difetto concluse che il danneggiamento dei tubi era dovuto a corrosione per aerazione differenziale, innescata dai depositi di particelle solide dell’acqua di fiume sulla superficie interna dei tubi nei periodi di basso flusso. La differenza della concentrazione d’ossigeno tra l’acqua e la parete del tubo sotto il deposito di fango generò la cella galvanica, che portò alla corrosione con formazione di pustole e crateri di corrosione.

Corrosione per dealligazione

Figura 2. A sinistra: esempio di dezincificazione localizzata sotto strato, passante l’intera parete del tubo di un condensatore per turbina, d’ottone 70-30. 2 x circa. A destra: micrografia della sezione trasversale del tubo dezincificato. Superficie interna fortemente corrosa selettivamente (sopra) e metallo inattaccato (sotto). Attacco cloruro ferrico. 50 x.

Figura 3. esempio di tubi di cupronichel 70-30 esfoliati per de nichelatura di un alimentatore d’acqua calda in pressione.

Erosione – corrosione (impingement attack)

Figura 4. Erosione – corrosione a forma di ferro di cavallo, dovuta a flusso turbolento dell’acqua di fiume in un tubo di rame. Questo fenomeno si manifesta quando un gas, un vapore o un liquido impatta o transita ad alta velocità sulle superfici metalliche. L’azione erosiva distrugge il film protettivo in zone anche limitate, generando celle galvaniche e la successiva corrosione crateriforme delle zone anodiche. 0,5 x circa.

DANNEGGIAMENTO PER SURRISCALDAMENTO

Il danneggiamento da temperatura elevata può dipendere da errori nella scelta di materiali troppo deboli alla temperatura d’esercizio e soggetti al fenomeno di scorrimento viscoso (creep) o che s’infragiliscono alla temperatura d’esercizio o superiore. L’infragilimento può dipendere anche dall’assorbire idrogeno, come le caso illustrato nella seguente immagine.

Anche la fatica può portare a frattura quando le parti adiacenti a quella danneggiata sono soggette a cicli d’espansione termica e possiedono coefficienti d’espansione termica e composizione chimica diverse da quello sottoposto a sforzo.

Un altro problema legato alla temperatura è la formazione di scaglia con ossidazione eccessiva per surriscaldamento.

Figura 5. Provetta rotta alla prova di schiacciamento di un tubo di titanio ASTM B337, grado 2, prelevato da uno scambiatore di calore, rotto in esercizio per assorbimento d’idrogeno e ossigeno durante un surriscaldamento accidentale a 815 °C, temperatura considerata fuori dal campo di normale uso del titanio grado 2, ASTM B337, come dimostrato dalle prove meccaniche comparative eseguite sul tubo originale non esercito e quello sotto diagnosi.

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