Gli apparecchi in pressione che operano a bassa temperatura sono soggetti a un meccanismo di guasto che non esiste alle temperature ordinarie: la frattura fragile. Al di sotto di una temperatura critica (Temperatura di Transizione Duttile-Fragile, DBTT), l'acciaio al carbonio cambia modo di rottura da duttile (con deformazione plastica preventiva e assorbimento di energia) a fragile (senza preavviso, propagazione quasi istantanea della cricca). Un componente che sembrava integro si rompe senza preavviso.
Transizione Duttile-Fragile
I metalli con struttura cubica a corpo centrato (BCC), come gli acciai al carbonio e ferritici, mostrano una DBTT. Al di sopra della DBTT: rottura duttile con significativa deformazione plastica e alta assorbimento energetico. Al di sotto della DBTT: rottura fragile con minima deformazione plastica e bassissima energia assorbita. I metalli con struttura cubica a facce centrate (FCC), come acciai austenitici inossidabili, rame, alluminio e nichel, non hanno DBTT — mantengono tenacità adeguata fino a temperature prossime allo zero assoluto: questo è il principale vantaggio dei materiali FCC per applicazioni criogeniche.
La Prova di Charpy
La prova di resilienza Charpy con intaglio a V (CVN, secondo ISO 148-1 / ASTM A370) è il metodo standard per valutare la tenacità a bassa temperatura. Un provino standardizzato (10×10×55 mm con intaglio V) viene rotto da un pendolo a una temperatura prestabilita, misurando l'energia assorbita (Joule). ASME Section VIII e EN 13445 richiedono prove Charpy alle basse temperature per apparecchi che operano al di sotto di certi limiti. Energia tipicamente richiesta: ≥27 J a media su 3 provini, con nessun valore individuale <20 J.
MDMT in ASME Section VIII
ASME Section VIII Div. 1 fornisce il metodo per determinare la Minimum Design Metal Temperature (MDMT) attraverso le Figure UCS-66 e UCS-66.1. La Figura UCS-66 indica, in funzione del gruppo di materiale P-Number e dello spessore, la MDMT per cui non è richiesta la prova CVN. All'aumentare dello spessore (materiale più fragile), la MDMT per la quale si può evitare la prova CVN aumenta (si avvicina alla temperatura ambiente). La Figura UCS-66.1 permette di ridurre la MDMT quando la pressione operativa è inferiore alla MAWP (la struttura è meno sollecitata, quindi meno sensibile alla fragilità).
Selezione dei Materiali per Bassa Temperatura
| Materiale | MDMT tipica | Norma | Applicazione |
|---|---|---|---|
| Acciaio al carbonio (A106 Gr.B, normalizzato) | fino a −29°C | ASME UCS-66 | Sistemi acqua refrigerata, tubazioni all'aperto |
| Acciaio bassa temperatura (A333 Gr.6) | fino a −46°C | ASME UCS-66 | Separatori gas naturale, trattamento LPG |
| Acciaio 2,5% Ni (A203 Gr.A/B) | fino a −60°C | ASME UCS-66 | Sistemi etilene liquido |
| Acciaio 3,5% Ni (A203 Gr.E/F) | fino a −101°C | ASME UCS-66 | Etilene, propilene liquido |
| Acciaio 9% Ni (A353/A553) | fino a −196°C | ASME ULT-23 | Serbatoi LNG (azoto liquido) |
| Acc. inossidabile austenitico (304L/316L) | Nessun limite pratico | ASME UHA-51 | Ossigeno, idrogeno, elio liquido |
Acciaio al 9% Ni
L'acciaio al 9% di nichel è il materiale standard per i serbatoi di stoccaggio LNG su terraferma, combinando eccellente tenacità a −196°C (energia CVN tipicamente >100 J) con resistenza meccanica sufficiente. La microstruttura — martensite rinvenuta finemente dispersa con isole di austenite metastabile — è ciò che genera questa combinazione insolita. La saldatura di acciai al 9% Ni richiede consumabili speciali ad alto tenore di nichel (es. AWS ER-NiCr-3) per mantenere le stesse proprietà criogeniche nella zona fusa.
Requisiti di Saldatura per Bassa Temperatura
- La qualifica WPS deve includere prove CVN a temperatura equivalente o inferiore alla MDMT di progetto, in zona fusa, ZTA (zona termicamente alterata) e linea di fusione
- Per acciaio al 9% Ni: il preriscaldo non è necessario, ma il controllo stretto della temperatura tra passate (≤ 150°C) è critico
- Per altri acciai bassa lega a bassa temperatura: limitare il calore apportato per controllare la microstruttura della ZTA
- Ispezione 100% volumetrica (RT o PAUT) di tutti i giunti saldati
Forgepoint progetta apparecchi in pressione per servizi a bassa temperatura, inclusi calcoli MDMT secondo ASME VIII, piani di collaudo e qualifiche di procedura di saldatura con prove CVN.
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