Duplex: acciai per il prossimo millennio

Leggere, robuste e resistenti alla corrosione: queste leghe stanno prendendo sempre più piede nelle applicazioni speciali, spodestando gli austenitici tradizionali come l’AISI 316L.

Gli acciai inossidabili duplex furono prodotti per la prima volta all’inizio del 20° secolo, ma fu l’introduzione negli anni ‘70 del processo di decarburazione argon-ossigeno e l’aggiunta di azoto a renderli più forti, più saldabili e più resistenti alla corrosione.

Oggi, gli acciai inossidabili duplex possono essere categorizzati in quattro gruppi principali: “magri”, “standard”, “super” e “iper” duplex. Questi gruppi coprono una gamma di composizioni e proprietà, ma hanno tutti in comune una microstruttura costituita da proporzioni approssimativamente uguali di austenite e ferrite, alta resistenza, buona tenacità e buona resistenza alla corrosione, specialmente alla tensocorrosione rispetto a simili acciai inossidabili austenitici. Inoltre, lo sviluppo di una microstruttura nel duplex richiede percentuali minori di nichel rispetto ad un analogo acciaio inossidabile austenitico con una resistenza comparabile alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale, quindi costano meno. Questo rende gli acciai duplex un gruppo di leghe molto versatile e attraente sia dal punto di vista commerciale che tecnico.

Ci sono applicazioni in cui i gradi duplex possono essere usati come soluzioni a basso costo finale tenendo conto della vita dell’impianto, in alternativa agli acciai al carbonio verniciati, ad una gamma di altri acciai inossidabili, ed in alcuni casi alle leghe di nichel. Questo vantaggio in termini di costi è ulteriormente enfatizzato se il progettista può utilizzare la maggiore resistenza dei gradi duplex per costruire recipienti e tubazioni con uno spessore di parete inferiore a quello che si avrebbe se venisse usato una lega austenitica o a base di nichel. Per questo motivo gli acciai inossidabili duplex sono sempre più usati in molte industrie, in particolare in ambito marino-costiero, scambiatori di calore, e industria chimica-petrolifera. Qui gli acciai duplex possono fornire soluzioni convenienti in ambienti corrosivi, e potrebbero diventare le leghe anticorrosione di riferimento per molti comparti.

Gli acciai inossidabili duplex hanno anche una buona resistenza alla corrosione atmosferica, e sono stati utilizzati per una serie di applicazioni al posto dell’acciaio al carbonio, perché non hanno bisogno di verniciatura o manutenzione in atmosfere aggressive. La loro alta resistenza significa che sono possibili risparmi di spessore: nonostante il costo iniziale al Kg più alto, gli acciai duplex possono essere convenienti rispetto all’acciaio al carbonio verniciato sulla base del costo del ciclo di vita totale.

La famiglia duplex

Gli acciai duplex contengono più del 19% di cromo e hanno più del 30% sia di ferrite che di austenite. I moderni acciai inossidabili duplex contengono circa 50/50 di austenite e ferrite nella loro microstruttura, e combinano l’alta resistenza della ferrite con la duttilità e la tenacità dell’austenite. L’aggiunta di azoto permette una più equa ripartizione degli elementi tra le due fasi, una maggiore resistenza nell’austenite, una migliore resistenza alla corrosione e una migliore saldabilità, per citare solo alcuni vantaggi. La loro alta resistenza e durezza dà loro anche una buona resistenza a erosione e cavitazione. Esistono versioni da colata di molte composizioni duplex, che hanno trovato un ampio utilizzo per pompe, valvole e altre attrezzature. Di conseguenza, queste leghe offrono una gamma molto attraente di proprietà ai progettisti e sono facilmente disponibili in un’ampia gamma di forme di prodotto a commercio.

Per quasi ogni lega austenitica c’è un acciaio inossidabile duplex con una simile resistenza alla corrosione localizzata, una maggiore resistenza alla criccatura da tensocorrosione da cloruri, una maggiore resistenza e, spesso, un costo inferiore. Per fare un esempio, le acciaierie hanno sviluppato una gamma di leghe duplex magre, con basso contenuto di nichel e molibdeno per fornire un’alternativa più resistente agli acciai inossidabili austenitici 304L e 316L.

Le origini degli acciai inossidabili “magri” risalgono alle carenze di materiali strategici verificatesi durante la guerra di Corea, quindi dopo che i gradi standard e super duplex erano ben consolidati. Costi più bassi e più stabili di fronte alla volatilità dei mercati dei metalli, e un’attraente combinazione di proprietà andarono ad erodere la quota di mercato del 304L e 316L.

La gamma di leghe duplex magre è ampia, ma la sua applicazione industriale è ancora fortemente dipendente dal costo del nichel ed è quindi di natura ciclica. Questi gradi si stanno dimostrando più difficili da produrre, formare e fabbricare del previsto, nonostante la ridotta tendenza alla formazione della fase sigma rispetto ai tipi standard, super e iper duplex. Questo fattore, insieme alla limitata disponibilità di profili a commercio e alla mancanza di standardizzazione, ha contribuito a una diffusione di questi gradi inferiore al previsto. Fanno eccezione progetti speciali, dove le proprietà personalizzate di una specifica lega e il fattore costo indirizzano la scelta su questi materiali.

Gli acciai inossidabili superduplex offrono una resistenza alla corrosione simile o migliore rispetto alle leghe austenitiche al 6%Mo, ma a costi molto più bassi, a causa del loro contenuto inferiore di nichel e molibdeno. Queste leghe hanno trovato un’ampia varietà di usi con fluidi di processo aggressivi, acqua di mare, acidi, petrolio e gas. L’acciaio inossidabile superduplex è diventato la lega principale per tubazioni, pompe, nelle attrezzature per il recupero di energia, valvole negli impianti di desalinizzazione ad osmosi inversa, grazie al suo vantaggio in termini di costi, alla buona disponibilità e all’equivalente resistenza alla corrosione interstiziale rispetto ai gradi super austenitici concorrenti al 6%Mo. Le leghe con concentrazioni più alte di cromo e azoto rispetto al superduplex sono chiamate iperduplex.

Le leghe iperduplex formano facilmente fasi intermetalliche e come tali sono difficili da produrre. Sono disponibili solo sotto forma di tubi e profili a parete sottile, e limitatamente per colata. Come i gradi superduplex, sono stati usati sott’acqua, per linee ombelicali dall’industria del petrolio e del gas e per tubi di scambiatori di calore che trattano fluidi aggressivi. Ci sono anche alcune leghe duplex che sono state sviluppate per affrontare problemi di corrosione in industrie specifiche: per il servizio con acido nitrico concentrato e a caldo, per il servizio con urea e carbammato, acido solforico e cloruri.

L’uso in carpenteria

Gli acciai duplex richiedono attenzione in fase di saldatura, ma gli utilizzatori esperti non mancano considerato il frequente uso di queste leghe nell’industria chimica e petrolifera. Quando si salda è essenziale iniziare con materiale che sia adeguatamente trattato termicamente in solubilizzazione e privo di fasi intermetalliche. Durante la saldatura, non è sempre possibile evitare completamente la precipitazione di fasi intermetalliche, pertanto è necessario utilizzare parametri di saldatura che riducano al minimo la loro precipitazione nel metallo saldato e nella ZTA. È noto che già livelli piuttosto bassi di precipitazione di fasi intermetalliche riducono significativamente la resistenza alla corrosione e la tenacità. Se si sospetta che un giunto contenga anche minimi livelli di fase intermetallica, è importante sottoporlo a prove di corrosione e d’impatto. I giunti saldati sono quasi sempre usati senza ulteriori trattamenti, poiché il trattamento termico di distensione può causare la precipitazione di una fase nota come “alfa primo” che può infragilire il giunto. Ci sono diversi modi per migliorare le prestazioni di queste saldature, come la pulizia post saldatura e l’uso di gas contenenti azoto per migliorare la resistenza alla corrosione.

Casi di utilizzo pratico

La resistenza delle leghe duplex alla corrosione in alcuni fluidi di servizio specifici è comune nel settore marino, negli scambiatori di calore, nell’industria chimica e di processo e nell’esposizione atmosferica.

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Ambiente marino

Per molti anni, le leghe di rame sono state il materiale più utilizzato per l’uso marino. Recentemente, gli acciai inossidabili super duplex stanno riscuotendo molto interesse a causa della loro maggiore robustezza, del modulo di Young, e dell’alta resistenza alla corrosione da erosione. Il rischio con gli acciai inossidabili è la corrosione interstiziale.

La Figura 1 mostra il risultato dopo un’esposizione di 60 giorni all’acqua di mare a tre temperature. Il Ferralium, in questo caso, era una lega duplex 25% Cr di vecchia derivazione con un PREN ~37. Solo l’acciaio inossidabile superduplex e la lega austenitica 6%Mo (entrambi con PREN superiore a 40) resistono alla corrosione. Questi dati spiegano perché standard come NORSOK richiedono un PREN > 40 per gli acciai inossidabili per il servizio in acqua di mare.

Il superduplex è ampiamente utilizzato per tubazioni, pompe, filtri, valvole, elementi di fissaggio sommersi e molte altre applicazioni in ambiente marino. La Figura 2 mostra un collettore in superduplex che faceva parte del sistema di raffreddamento per un impianto di produzione dell’alluminio. La Figura 3 mostra i supporti in superduplex dei parabordi di gomma su un molo in Medio Oriente: un’applicazione impegnativa a causa delle temperature molto calde dell’acqua di mare in estate.

Gli acciai inossidabili duplex hanno anche un’eccezionale resistenza alla corrosione da erosione in acqua di mare, in particolare quando sono presenti limo o sabbia. Un impianto di compressione del gas in America centrale sfruttava l’acqua di una baia poco profonda, che veniva agitata ogni volta che c’era una tempesta tropicale causando un carico di sabbia e limo fino a 50 g/l. Questi detriti hanno causato una seria e rapida erosione delle pompe di alimentazione dell’acqua di mare in bronzo al nichel e alluminio e dei tubi dello scambiatore di calore Cu-Ni 90/10. Una speciale pompa in superduplex, ridisegnata per far fronte all’elevato carico di sabbia, permette ora di tollerare una certa corrosione da erosione senza che questa causi una grande riduzione delle prestazioni della pompa stessa.

Una di queste pompe è mostrata nella Figura 4. Gli acciai inossidabili duplex bassolegati non resistono alla corrosione interstiziale in acqua di mare aerata, ma hanno trovato applicazioni in impianti di dissalazione a multiplo effetto (Multiple Effect Desalination, MED).

Negli evaporatori l’acqua di mare è spruzzata su tubi che trasportano vapore, che condensa sotto il getto freddo. Tradizionalmente, le pareti dell’evaporatore, le lastre dei tubi e le piastre di supporto dei tubi erano in acciaio inossidabile austenitico 316L, ma la maggiore resistenza e il minor costo degli acciai inossidabili duplex magri, li rendono la scelta più conveniente nei moderni impianti MED.

Scambiatori di calore

Spesso c’è la necessità di raffreddare un liquido e spesso l’unica disponibile è acqua di mare o salmastra. Gli acciai inossidabili duplex offrono una scelta interessante per gli scambiatori di calore a fascio tubiero e a guscio, sostituendo quelli in rame-nichel o in titanio per la loro resistenza alla corrosione e alla tensocorrosione in una vasta gamma di fluidi di processo.

Quando a bordo di una piattaforma petrolifera vengono prodotti fluidi molto caldi, a volte è necessario raffreddarli sott’acqua in modo che possano essere trasportati per la lavorazione da una conduttura in acciaio al carbonio. Come mostrato nella Figura 6, il superduplex è resistente al fluido corrosivo all’interno dei tubi, mentre la temperatura delle pareti viene mantenuta sotto alla temperatura critica di pitting grazie all’enorme dissipazione di calore del mare. Il superduplex è protetto dalla corrosione esterna dal sistema di protezione catodica ad anodo sacrificale che protegge anche il telaio in acciaio al carbonio rivestito.

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Industria chimica e petrolchimica

Gli acciai inossidabili duplex sono ampiamente utilizzati nell’industria chimica, sia per resistere alla tensocorrosione (alla quale le leghe austenitiche sono suscettibili), sia per gestire liquidi molto corrosivi.

Una delle prime industrie ad adottare gli acciai duplex è stata il processo Kraft nell’industria della cellulosa e della carta, dove i trucioli di legno sono trattati con soda caustica calda. I fluidi di processo diventavano più aggressivi, facendo emergere i limiti di resistenza alla corrosione e tensocorrosione sia dell’acciaio al carbonio che dell’acciaio inossidabile. Gli acciai inossidabili duplex magri hanno risolto questi problemi di corrosione, ad un costo inferiore a quello dell’austenitico 316L. Nell’industria della raffinazione e petrolchimica gli acciai duplex sono ampiamente usati. Un’interessante uso per gli acciai duplex è nella soda caustica, in particolare a temperature e concentrazioni più elevate. Qui l’acciaio al carbonio non può essere utilizzato a causa della tensocorrosione, mentre il 316L è limitato a circa 70° C in ambienti alcalini. Gli acciai inossidabili duplex sono spesso scelti per la loro resistenza alla tensocorrosione da cloruri.

La Figura 8 mostra i limiti di impiego in funzione della concentrazione di cloruri: appare chiaro che gli acciai duplex hanno una resistenza superiore rispetto all’austenitico 316L, e il superduplex è superiore alle leghe austenitiche 6%Mo. Questi valori fanno riferimento a soluzioni a pH quasi neutro e lievemente ossidanti. Condizioni fortemente ossidanti possono aumentare notevolmente la suscettibilità alla tensocorrosione per tutti gli acciai inossidabili.

Infrastrutture

Molti impianti operano vicino al mare e l’atmosfera può essere estremamente corrosiva, in particolare alle latitudini più calde. Gli acciai inossidabili duplex offrono una resistenza alla corrosione superiore all’acciaio inossidabile austenitico 316L in tali ambienti. L’acciaio al carbonio costituisce un’alternativa economica, ma richiede un rivestimento di alta qualità, ispezioni e riparazioni regolari. L’acciaio inossidabile duplex offre un costo di vita significativamente più basso, a causa della ridotta manutenzione. In atmosfere meno aggressive, gli acciai inossidabili duplex magri sono stati usati per ponti e per serbatoi di stoccaggio di sostanze chimiche non particolarmente aggressive. Il vantaggio del duplex magro rispetto all’acciaio è che non richiede verniciatura; essendo più resistente del 316L, consente un risparmio grazie alla riduzione della sezione.

di Marco Basso

Fonte: https://www.mdpi.com/2075-4701/11/5/836/htm

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Source: Stampi
Duplex: acciai per il prossimo millennio

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