Come attrezzatura speciale in grado di resistere a pressioni interne o esterne, i recipienti a pressione vengono utilizzati ampiamente nei campi chimico, petrolchimico, farmaceutico, energetico, alimentare, aerospaziale e altri. Poiché spesso si confrontano con condizioni operative estreme come alta temperatura, alta pressione e corrosione, pongono richieste estremamente elevate nella selezione dei materiali. La scelta dei materiali è non solo correlata alla sicurezza e affidabilità dei recipienti a pressione, ma influisce direttamente sui costi di produzione e sulla durata. Questo articolo discuterà dettagliatamente i materiali ideali per la fabbricazione di recipienti a pressione.
Requisiti Base per i Materiali dei Recipienti a Pressione
Come attrezzatura a lungo termine per la resistenza alla pressione, il materiale della caldaia deve prima di tutto avere eccellenti proprietà meccaniche. Ciò include alta resistenza a trazione, buona duttilità, tenacia all'impatto e resistenza alla fatica. Il materiale non deve creparsi sotto alta pressione e deve essere in grado di assorbire energia invece di rompersi quando colpito da una forza esterna. Inoltre, la stabilità termica e la resistenza alle alte temperature sono altresì indicatori importanti per giudicare i materiali, specialmente nei reattori ad alta temperatura e negli impianti di scambio termico, dove il materiale deve mantenere una struttura e proprietà meccaniche stabili.
La resistenza alla corrosione è un altro requisito chiave. Molti recipienti a pressione vengono utilizzati per immagazzinare o reagire con mezzi corrosivi come forti acidi, forti alcali, soluzioni salate, solventi organici, ecc. La resistenza alla corrosione del materiale determina direttamente la durata e il fattore di sicurezza dell'attrezzatura. Il materiale deve inoltre avere buone prestazioni di saldatura e capacità di lavorazione e formatura per soddisfare le esigenze di produzione di strutture complesse.
Quali Materiali Possono Essere Utilizzati per la Costruzione di Recipienti a Pressione?
Acciaio al carbonio:
Acciaio al carbonio è il materiale più comunemente utilizzato nei recipienti a pressione. Viene selezionato per le sue buone proprietà meccaniche, forte saldabilità, buona prestazione di lavorazione e basso prezzo. I materiali comuni in acciaio al carbonio includono Q235, Q345, A516Gr.70, ecc.
La resistenza alla trazione del materiale in acciaio al carbonio è moderata, il che lo rende adatto per la realizzazione della maggior parte dei componenti a pressione, specialmente in un ambiente a temperatura normale e senza mezzi fortemente corrosivi. La sua buona duttilità ne facilita la formatura e la saldatura durante la produzione, semplificando notevolmente il processo di fabbricazione. Inoltre, i materiali in acciaio al carbonio hanno standard e sistemi di approvvigionamento perfetti sia all'interno che all'estero, il che è molto conveniente per il controllo della qualità.
Tuttavia, gli svantaggi dell'acciaio al carbonio sono evidenti. La sua resistenza alla corrosione è scarsa, ed è facile che si arrugginisca in ambienti acidi, alcalini o salini. Se non vengono presi provvedimenti antiruggine adeguati, è molto probabile che si verifichino perforazioni e perdite. Inoltre, la sua tenacità diminuisce bruscamente in ambienti a bassa temperatura, con il rischio di frattura fragile, il che limita il suo utilizzo in occasioni a bassa temperatura.
Pertanto, l'acciaio al carbonio viene utilizzato principalmente nelle seguenti occasioni:
- Serbatoi di compressione aria;
- Sistemi di trattamento dell'acqua;
- Caldaie;
- Serbatoi per l'olio, ecc.
Al fine di migliorare la resistenza alla corrosione dell'acciaio al carbonio, spesso viene protetto con rivestimenti o spruzzatura. Sebbene l'acciaio al carbonio abbia dei disadvantage, il suo eccellente rapporto costi/prestazioni lo rende comunque un materiale base indispensabile nella costruzione di recipienti a pressione.
Acciaio legato:
L'acciaio legato è un tipo di materiale che migliora le prestazioni aggiungendo elementi leganti come cromo, nichel e molibdeno all'acciaio al carbonio. Il suo principale vantaggio è una grande resistenza meccanica, buona resistenza termica e una certa resistenza alla corrosione. Tra gli acciai legati più comuni ci sono 15CrMoR, 12Cr1MoV, SA387Gr.11, Gr.22, ecc., ampiamente utilizzati in contenitori ad alta temperatura e alta pressione, come caldaie a vapore, reattori, ecc.
Dopo aver aggiunto cromo e molibdeno, la resistenza all'ossidazione e la resistenza allo strisciamento dell'acciaio legato migliorano significativamente, in modo da mantenere una buona stabilità anche in ambienti ad alta temperatura e alta pressione. Alcuni acciai legati possono fornire inoltre resistenza alla corrosione per determinati mezzi, come il 12Cr1MoV, che si comporta bene in ambienti ad alta temperatura con solfuro di idrogeno.
Sebbene l'acciaio legato abbia prestazioni eccellenti, il suo costo di produzione è significativamente superiore a quello dell'acciaio al carbonio normale e la sua difficoltà di lavorazione è maggiore. Durante il saldatura, è necessario controllare strettamente i parametri di processo e effettuare un trattamento termico per evitare crepe termiche e crepe per corrosione residua. Inoltre, alcuni acciai legati sono sensibili alla fragilità indotta dall'idrogeno e devono essere utilizzati con cautela negli impianti di immagazzinamento dell'idrogeno.
Acciaio inossidabile:
Acciaio inox può essere utilizzato anche per la produzione di recipienti a pressione, soprattutto nei settori chimico, farmaceutico e alimentare, e la sua eccellente resistenza alla corrosione lo rende la prima scelta. L'acciaio inossidabile è principalmente diviso in austenitico, ferritico, martensitico e duplex. Gli acciai inossidabili austenitici più comuni, come il 304 e il 316L, vengono ampiamente utilizzati grazie alle loro buone caratteristiche di saldabilità, tenacia e resistenza alla corrosione.
l'acciaio inossidabile 316L ha una buona resistenza ai medi cloruranti grazie al suo alto contenuto di molibdeno ed è particolarmente adatto per recipienti a pressione in ambienti salini o marini. Gli acciai inossidabili duplex (come il 2205, il 2507) combinano i vantaggi delle strutture austenitiche e ferritiche, hanno una maggiore resistenza e una maggiore resistenza alla corrosione puntiforme, e stanno gradualmente sostituendo l'acciaio inossidabile austenitico tradizionale in alcuni campi.
Lo svantaggio principale dell'acciaio inossidabile è il suo alto prezzo, specialmente per i modelli con alto contenuto di nichel e molibdeno. Inoltre, durante la saldatura si forma facilmente corrosione intergranulare, e sono necessari trattamenti a soluzione solida o modelli a basso carbonio (come il 316L). In un ambiente fortemente riducente, l'acciaio inossidabile potrebbe correre il rischio di corrosione da stress, e occorre selezionare il modello del materiale in modo mirato.
Pertanto, l'acciaio inossidabile viene utilizzato principalmente nelle seguenti occasioni:
- Reattore;
- Serbatoio per lo stoccaggio farmaceutico;
- Serbatoio per gas ad alta purezza, ecc.
Titanio e leghe di titanio:
Il metallo titanio è diventato un materiale popolare per la costruzione di serbatoi a pressione di alta gamma grazie alla sua bassa densità, alta resistenza specifica ed eccellente resistenza alla corrosione. Il titanio ha un'eccellente stabilità nei confronti di vari mezzi altamente corrosivi come l'acido nitrico, acidi organici, cloro umido, acqua di mare, ecc., ed è particolarmente adatto per un uso a lungo termine in ambienti ossidanti e neutri.
I materiali comuni in titanio includono titanio puro (ad esempio TA1, TA2) e leghe di titanio (ad esempio TC4). Il titanio puro ha un'eccellente saldabilità e formabilità ed è ampiamente utilizzato in contenitori con bassa resistenza ma elevate richieste di resistenza alla corrosione, come serbatoi per acqua salata, vasche per galvanizzazione, reattori chimici, ecc. Le leghe di titanio combinano resistenza e resistenza alla corrosione, e sono adatte per componenti a pressione o occasioni a alta sollecitazione.
I materiali in titanio sono costosi, difficili da lavorare e hanno requisiti ambientali estremamente elevati durante la saldatura (si richiede protezione con gas inerte), quindi vengono utilizzati principalmente in prodotti ad alta tecnologia e ad alto valore aggiunto. Nelle aree di aerospazio, aviazione, ingegneria sottomarina, impianti per la desalinizzazione dell'acqua di mare, attrezzature mediche, ecc., i materiali in titanio stanno giocando sempre più un ruolo irreplacevole.
Come scegliere?
Nell'ingegneria pratica, la selezione dei materiali varia a seconda delle diverse condizioni operative. Prendendo ad esempio la colonna di desolforazione di una raffineria, il suo mezzo contiene componenti altamente corrosivi come l'idrogeno solforato, l'ammoniaca e i cloruri. È più appropriato scegliere acciaio inossidabile 316L o l'acciaio inox duplex 2205. Nelle caldaie delle centrali elettriche, il vapore ad alta temperatura e alta pressione impone richieste estremamente elevate sugli alleati resistenti al calore, spesso si utilizza l'acciaio al lega 12Cr1MoV o SA387.
Nell'industria fertilizzanti, i reattori ad alta pressione utilizzati negli impianti di produzione di ammoniaca sintetica usano spesso materiali speciali come pannelli compositi in titanio e pannelli compositi in Hastelloy; nell'industria della trasformazione alimentare, per garantire igiene e pulizia, si utilizzano spesso materiali in acciaio inossidabile austenitico come 304L e 316L.
Quindi, nelle applicazioni ingegneristiche, la selezione del materiale deve essere combinata con la pressione di lavoro dell'attrezzatura, la temperatura, il tipo di mezzo, il ciclo operativo, l'economia e l'applicabilità dello standard. Considerare una varietà di fattori per selezionare materiali che siano sicuri, affidabili ed economicamente ragionevoli.
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