In che modo il metodo di produzione dei tubi in acciaio inossidabile 316 (trafilati senza giunture rispetto a quelli saldati e ricotti) influisce sulla selezione sicura dello spessore delle pareti per le guaine dei riscaldatori elettrici?

La differenza tra tubi trafilati senza saldatura e tubi saldati e ricotti viene comunemente ignorata dagli ingegneri addetti agli acquisti e dai produttori di elementi riscaldanti che richiedono tubi guaina in acciaio inossidabile 316. Entrambi i prodotti sono realizzati secondo lo stesso standard ASTM A269 o A213 per le qualità chimiche e meccaniche. Entrambi hanno gli stessi spessori nominali delle pareti e diametri esterni. Ma i due processi di produzione danno tubi con microstrutture, stati di stress residuo e popolazioni di guasti fondamentalmente diversi. Queste variazioni influiscono direttamente sullo spessore minimo della parete sicuro per una particolare applicazione, in particolare quando la guaina è esposta a flessione, deformazioni, vibrazioni o cicli termici. L'articolo fornisce una quantificazione delle differenze tecniche tra i tubi 316 senza saldatura e quelli saldati per le guaine dei riscaldatori. Fornisce fattori di declassamento dello spessore delle pareti per ciascun tipo di fabbricazione e stabilisce i criteri di selezione in base alla gravità della formatura e alle condizioni di servizio.

Differenze nella microstruttura e difetti dei tubi 316 saldati e senza saldatura
Il tubo 316 senza saldatura viene realizzato perforando una billetta solida e quindi trascinando il guscio cavo formato su un mandrino attraverso una successione di matrici di riduzione. La microstruttura dell'ultimo tubo è omogenea e lavorata con linee di flusso del grano parallele alla circonferenza del tubo. I bordi dei grani sono uniformi e orientati in modo casuale. Non c'è un cordone di saldatura longitudinale quindi non c'è possibilità di difetti di saldatura come penetrazione parziale, inclusioni di ossido o sensibilizzazione delle zone alterate dal calore. I tubi senza saldatura, tuttavia, presentano due restrizioni per le applicazioni con guaina del riscaldatore. Innanzitutto, il disegno può introdurre graffi superficiali e difetti di sovrapposizione interna che non vengono facilmente rilevati dai test non-distruttivi. In secondo luogo, i tubi senza saldatura-a pareti sottili (spessore < 1,0 mm) stanno diventando sempre più costosi e difficili da produrre senza fluttuazioni dello spessore delle pareti superiori al ±10%. Il tubo saldato 316 è costituito da una striscia piatta sagomata a rullo in un cilindro. La cucitura longitudinale è saldata per fusione, comunemente utilizzando la saldatura a gas inerte di tungsteno senza metallo d'apporto. Il tubo viene poi trafilato a freddo e ricotto per migliorare la microstruttura della zona di saldatura e ripristinare la resistenza alla corrosione. Nei tubi saldati e ricotti di buona fattura, la zona di saldatura è stata ricristallizzata in una struttura granulare quasi indistinguibile dal metallo di base. Ma la linea di saldatura è ancora una potenziale fonte di debolezza. Anche dopo la ricottura la zona di saldatura può presentare ancora un orientamento dei grani leggermente alterato, tensioni residue e nel caso di tubo mal lavorato la precipitazione di carburi di cromo che diminuiscono la resistenza alla corrosione localizzata. Queste variazioni diventano praticamente importanti per le guaine dei riscaldatori che verranno piegate, deformate o vibrate.

Effetto del metodo di fabbricazione sullo spessore minimo sicuro della parete per la flessione
Le guaine dei riscaldatori elettrici sono spesso modellate a forma di U-, a L-o con geometrie uniche per l'inserimento negli ugelli del recipiente o per ottenere modelli di riscaldamento uniformi. Nel processo di piegatura il raggio esterno è sottoposto a sollecitazioni di trazione e il raggio interno è sottoposto a forze di compressione. Per un dato raggio di curvatura, le pareti più sottili sono più soggette a deformazioni sul lato di compressione e ad assottigliamento sul lato di tensione. Il parametro importante è il rapporto di curvatura - raggio della linea centrale di curvatura/diametro esterno del tubo. Con i tubi 316 senza saldatura, gli spessori delle pareti fino a 1,0 mm possono essere piegati con un rapporto 3:1 senza attrezzature specifiche o mandrini interni. Per un rapporto di curvatura di 2:1 è necessario uno spessore minimo della parete di 1,2 mm per una costruzione liscia. Per i tubi saldati e ricotti è necessario prestare particolare attenzione all'orientamento del cordone di saldatura rispetto al piano di piegatura. Il rischio di fessurazione della zona di saldatura è ridotto al minimo se il cordone di saldatura si trova sull'asse neutro della curvatura - la linea di sollecitazione zero. Lo spessore minimo della parete sicura aumenta di circa il 25% quando il cordone di saldatura si trova nel raggio di tensione esterno o nel raggio di compressione interno. Per un tubo saldato con un rapporto di curvatura di 3:1, lo spessore minimo della parete è 1,2 mm, con il cordone di saldatura orientato correttamente. Per un rapporto di curvatura 2:1, un tubo saldato deve avere uno spessore minimo di 1,5 mm per qualsiasi orientamento della giuntura. Questi suggerimenti si basano sul presupposto che dopo la saldatura verrà eseguita la ricottura appropriata. I tubi saldati non ricotti, utilizzati raramente nei riscaldatori ma presenti in articoli a basso-costo, non dovrebbero mai essere piegati, poiché la zona di saldatura non è duttile e si frantuma con sollecitazioni modeste.

Limiti sulla pressatura e sulla riduzione del diametro delle guaine 316 senza saldatura e saldate
Il diametro esterno della guaina che racchiude l'isolamento compattato di ossido di magnesio e il filo di resistenza viene ridotto dall'operazione di pressatura. I rapporti di pressatura-rapporto tra diametro esterno originale del tubo e diametro finale-sono spesso compresi tra 1,1:1 e 1,4:1 per la normale produzione di riscaldatori. L'aumento del rapporto di pressatura aumenta la densità dell'impaccamento di MgO e migliora il trasferimento di calore, ma aumenta anche la deformazione circonferenziale nel materiale della guaina. I tubi in 316 senza saldatura possono essere pressati fino a un rapporto di 1,5:1 e possiedono comunque uno spessore di parete di soli 0,8 mm prima che si verifichino microfessurazioni o-incrudimento eccessivo. La microstruttura omogenea determina una distribuzione uniforme della deformazione nella direzione circonferenziale. La pressatura ha un limite pratico inferiore per i tubi 316 saldati e ricotti. La zona di saldatura, anche dopo la ricottura, presenta una struttura del grano leggermente distinta che si indurisce a una velocità diversa rispetto al metallo sottostante. Con rapporti di rastrematura superiori a 1,3:1, potrebbe verificarsi un assottigliamento localizzato sulla linea di saldatura a causa di sollecitazioni differenziali o, in situazioni estreme, di fessurazioni longitudinali. Per tubi saldati con spessore di parete inferiore a 1,2 mm, il rapporto di pressatura massimo suggerito è 1,25:1. Per spessori di parete superiori a 1,5 mm è consentito un rapporto 1,35:1. Queste limitazioni derivano dall'orientamento del cordone di saldatura in modo da evitare il contatto concentrato dell'utensile durante la pressatura. Se il cordone di saldatura si trova sulla linea di giunzione dell'utensile è necessario un ulteriore margine di sicurezza.

Confronto della durata a fatica delle vibrazioni e del ciclismo termico
For heater sheaths subjected to vibration or thermal cycling, the fatigue performance of seamless tubing is always better than that of welded and annealed tubing for the same wall thickness. Seamless tubing has a continuous grain structure and does not have favoured crack initiation sites. Cracks have to start at surface faults or inclusions, which is very unusual in good quality seamless material. The weld zone in welded tubing remains more heavily populated with non-metallic inclusions, microvoids and grain boundary abnormalities, which serve as sites for the start of fatigue cracks, even after annealing. Rotating beam fatigue experiments on 316 tubing with 1.5 mm wall thickness indicate an endurance limit for seamless specimens of approximately 220 MPa at 10 million cycles. Welded and annealed specimens with the weld seam in the direction of highest stress achieve only 160 MPa for the same number of cycles, a reduction of 27%. Further improvement of the endurance limit to around 190 MPa, still 14% lower than seamless performance, is achieved when the weld seam is orientated in the neutral axis. In heater systems subject to vibration levels >2 g, o cicli termici giornalieri da temperatura ambiente a 150 gradi, i tubi senza saldatura offrono un vantaggio misurabile in termini di affidabilità. Per le applicazioni statiche con pochi cicli, la differenza è minima.

Matrice di selezione dello spessore della parete in base al processo di produzione e al livello di formatura
La tabella seguente mostra gli spessori minimi consigliati delle pareti per le guaine dei riscaldatori in acciaio inossidabile 316 in base al metodo di produzione, alle procedure di formatura richieste e alle condizioni di servizio previste. Valori basati su tubi conformi a ASTM-provenienti da fonti attendibili.

Metodo di produzione Operazioni richieste per la forma Condizioni di servizio Spessore minimo consigliato della parete Rapporto massimo di pressatura Rapporto massimo di piegatura (linea centrale/OD)
Nessuna flessione Nessuna piegatura (solo guaine diritte) Trafilata senza giunture Statico, poche vibrazioni 0,8 mm Non applicabile Non applicabile
Trafilato senza giunzioni Solo pressatura, nessuna flessione Statico o vibrazioni ridotte 0,9 mm 1,5:1 Non applicabile
Trafilato senza giunzioni Nessuna piegatura o piegatura Vibrazioni da basse a moderate 1,0 mm Non applicabile 3:1
Trafilato senza giunture Piegatura e forgiatura Vibrazioni moderate, cicli termici 1,2 mm 1,4:1 3:1 Trafilato senza giunture Piegatura e forgiatura Vibrazioni elevate, cicli termici severi 1,5 mm 1,3:1 4:1 Saldato e ricotto Nessuna piegatura, nessuna forgiatura (solo guaine diritte) Statico, ambiente pulito 1,0 mm Non rilevanteN/D
Saldato e ricotto Solo pressatura, nessuna flessione Statico o vibrazioni ridotte 1,2 mm 1,25:1 Non applicabile
Saldatura, ricottura Solo piegatura, nessuna ricalcatura Vibrazioni basse, cordone di saldatura su asse neutro 1,2 mm Non applicabile 3:1 con cordone neutro
Saldato e ricotto Piegatura e ricalcatura Vibrazioni moderate, cicli termici 1,6 mm 1,2:1 4:1 con cucitura neutra
Saldato e ricotto Piegatura e ricalcatura Vibrazioni elevate, qualsiasi ciclo termico 2,0 mm 1,2:1 5:1 con giuntura neutra Costo e disponibilità Compromessi- tra tubi senza saldatura e tubi saldati
È necessario tenere conto delle differenze tecniche tra i tubi 316 senza saldatura e quelli saldati, insieme ai costi e alla disponibilità. Per spessori di parete superiori a 1,5 mm, il tubo senza saldatura costa circa il 15-25% in più rispetto al tubo saldato e ricotto alle stesse dimensioni. Il premio per i tubi senza saldatura scende al 10–15% per spessori di parete compresi tra 1,0 mm e 1,5 mm. Per spessori di parete inferiori a 1,0 mm, i tubi saldati diventano difficili da realizzare in modo coerente e i tubi senza saldatura sono generalmente l'unica scelta accessibile o richiedono solo un modesto premio. Anche i tempi di consegna variano. I tubi saldati sono realizzati in lunghezze continue maggiori e sono più comunemente ottenibili a magazzino in dimensioni standard. La produzione in fabbrica di tubi senza saldatura, in particolare con diametri non standard e spessori di parete sottili, richiede spesso tempi di consegna compresi tra 8 e 12 settimane. I tubi saldati offrono un vantaggio in termini di costi rispetto al taglio e alla saldatura per grandi cicli di produzione di modelli di riscaldatori semplici con affidabilità accettabile se vengono specificati l'orientamento e la ricottura adeguati del cordone di saldatura. I tubi senza saldatura riducono il rischio a un livello misurabile tale da giustificare la spesa aggiuntiva per applicazioni importanti con formatura estrema, vibrazioni elevate o conseguenze di sicurezza in caso di guasto.

Conclusione: adattare il metodo di produzione alle esigenze dell'applicazione
Quando l'ingegnere specifica le guaine in acciaio inossidabile 316 per i riscaldatori elettrici a immersione, il modo in cui è realizzato il tubo non è un dettaglio minore ma un parametro di progettazione che ha conseguenze dirette sullo spessore minimo delle pareti sicure. Il tubo trafilato senza saldatura presenta una maggiore duttilità alla flessione, rapporti di pressatura consentiti più elevati e una migliore durata alla fatica, consentendo l'utilizzo di pareti più sottili in applicazioni impegnative. Il tubo saldato e ricotto, se lavorato correttamente con il controllo dell'orientamento del cordone di saldatura, è accettabile per applicazioni statiche o a basso-stress a costi inferiori. Il grande errore è pensare che i due elementi siano intercambiabili. La sostituzione di un riscaldatore con tubi senza saldatura con spessore di parete di 1,0 mm con tubi saldati non è semplice in quanto è necessaria una riqualificazione. La variante saldata avrà margini di sicurezza ridotti per flessione e ricalcatura e una durata a fatica ridotta in presenza di vibrazioni. Nel definire le specifiche del riscaldatore per i fornitori, gli ingegneri dovrebbero definire il processo di produzione desiderato del riscaldatore, ovvero senza saldature o saldato, anziché limitarsi a specificare la qualità del materiale e le dimensioni. Per le applicazioni in cui lo spessore minimo della parete si avvicina ai limiti indicati nella matrice sopra, si consiglia di richiedere rapporti di prova sui materiali che includano dati sulla dimensione dei grani e sulla durezza della zona di saldatura per un'ulteriore garanzia di qualità. La spesa aggiuntiva per la specifica di tubi senza saldatura per applicazioni essenziali è trascurabile rispetto al costo dei guasti sul campo dovuti a cordoni di saldatura fratturati o fratture per fatica.