Come identificare l'infragilimento della fase Sigma nei componenti invecchiati dello scambiatore di calore in acciaio inossidabile duplex?

Anche se una piastra tubiera in acciaio inox duplex esposta per lungo tempo ad alte temperature può apparire intatta, un semplice colpo con un martello potrebbe mandarla in frantumi. Si tratta del terrificante fenomeno noto come infragilimento in fase sigma, una trasformazione metallurgica che, senza alterarne l'aspetto, trasforma una lega forte e duttile in una ceramica fragile. Il rilevamento tempestivo dell'infragilimento della fase sigma dei componenti dello scambiatore in acciaio inossidabile duplex è essenziale poiché la riparazione in-situ non è fattibile una volta che si verifica la fase sigma. È necessario riparare il componente danneggiato.

Infragilimento della fase Sigma: che cos'è?
Austenite e ferrite costituiscono percentuali quasi uguali della microstruttura bilanciata presente negli acciai inossidabili duplex (come 2205 e 2507). Elevata resistenza, duttilità superiore ed eccezionale resistenza alla corrosione sono tutte fornite da questa struttura a doppia fase. Tuttavia, una transizione avviene quando l'acciaio duplex viene esposto a temperature comprese tra 600 e 900 gradi per periodi di tempo prolungati. Una nuova fase intermetallica nota come sigma (σ) viene creata quando la fase ferritica inizia a rompersi. Sigma ha una struttura cristallina tetragonale ed è un composto di ferro, cromo e molibdeno. È ricco di molibdeno e cromo, estremamente fragile e incredibilmente duro.

Sia la temperatura che il tempo influenzano il modo in cui si forma il sigma. La transizione avviene più rapidamente a 750–850 gradi; un sostanziale infragilimento può verificarsi nel giro di poche ore. Ci vogliono centinaia o migliaia di ore a temperature più basse (600–700 gradi). Non esiste un trattamento termico in-situ praticabile che possa invertire il sigma una volta precipitato, solitamente sotto forma di minuscole piastre sottili ai bordi dei grani e all'interno dei grani di ferrite. Il materiale perde quasi completamente la sua resistenza all'urto e diventa fragile.

Motivi comuni per le parti dello scambiatore di calore
Le seguenti circostanze sono le più comuni in cui si verifica l'infragilimento della fase sigma:

Saldature senza solubilizzazione post-saldatura: se il raffreddamento è lento, la zona termicamente-influenzata (ZTA) accanto a una saldatura potrebbe rimanere nell'intervallo di temperatura critica per un lungo periodo di tempo. Particolarmente a rischio sono i pezzi grandi e spessi. Sigma rimane nella HAZ se il componente non viene successivamente ricotto in soluzione (riscaldato a 1040-1100 gradi e rapidamente spento).

Funzionamento prolungato ad alte temperature: anche inavvertitamente, gli scambiatori di calore che funzionano continuamente a temperature del metallo comprese tra 600 e 900 gradi possono gradualmente indebolirsi. Ciò potrebbe verificarsi in uno scambiatore non adeguatamente raffreddato o in un'unità di recupero del calore di scarto.

Esposizione al fuoco: anche per un breve periodo di tempo, un incendio in un impianto che riscalda una porzione di uno scambiatore duplex nell'intervallo di formazione sigma può provocare l'infragilimento dell'area interessata.

Errori di fabbricazione: il Sigma può essere favorito da un trattamento termico improprio durante la produzione, come un raffreddamento lento dovuto alla temperatura di ricottura.

Le zone-influenzate dal calore delle saldature, delle flange più spesse e delle piastre tubiere sono le aree più sensibili. Sebbene i tubi sottili si raffreddino più rapidamente e abbiano meno probabilità di produrre sigma, sono comunque sensibili se la temperatura di servizio è molto elevata.

Indicatori meccanici e visivi
L'aspetto superficiale del metallo non è influenzato dall'infragilimento della fase sigma. Un componente può apparire del tutto normale, senza evidenti crepe o scolorimenti, ma può essere estremamente fragile. Tuttavia, la sua esistenza può essere scoperta con esami e test approfonditi.

Aspetto della superficie della frattura
La superficie di frattura di un acciaio duplex infragilito sigma- sembrerà brillante, granulare e cristallina senza lacerazioni duttili o labbri di taglio se un componente si rompe o viene rotto intenzionalmente. L'aspetto grigio e fibroso di una tipica frattura duttile è in netto contrasto con questo. Sigma conferisce al metallo la durabilità di una barretta di cioccolato; un piccolo colpo lo rompe invece di deformarlo.

Test di resistenza all'impatto
Il test di impatto Charpy V-notch (CVN) è lo standard di riferimento per quantificare l'infragilimento sigma. Se correttamente solubilizzato-, il Duplex 2205 ha solitamente una resistenza all'urto di 100–200 J a temperatura ambiente. La tenacità può diminuire a meno di 20 J e spesso a cifre singole quando è presente sigma. Questo test offre una prova inequivocabile per piccole parti o campioni di prova tagliati da un foglio tubiero.

Analisi metallografiche: le macchie scure dell'incisione
Dopo l'attacco, la caratteristica dell'infragilimento in fase sigma è visibile al microscopio. Per incidere un campione lucidato viene utilizzato un reagente appropriato, come l'attacco elettrolitico in acido ossalico al 10% o una combinazione di HCl e HNO₃ (Aqua Regia) o KOH (per duplex). Austenite e ferrite si presentano come due fasi separate in una tipica microstruttura duplex; l'austenite è solitamente chiara o debolmente incisa, mentre la ferrite è più scura. All'interno dei grani di ferrite e lungo i bordi dei grani, la fase sigma si manifesta come una rete scura, spesso a blocchi o simile a piastre-. Le stesse particelle sigma appaiono come una fase distinta, estremamente scura a ingrandimenti maggiori. L'identificazione positiva è fornita dai caratteristici "punti scuri di incisione" o dalle reti scure continue.

È possibile realizzare una replica della superficie incisa sul-sito utilizzando la replica metallografica sul campo (come discusso negli articoli precedenti), che viene poi ispezionata al microscopio portatile. Sigma può essere trovato utilizzando questo metodo non-distruttivo (o leggermente distruttivo) senza rimuovere un campione da un grande scambiatore.

Il metodo di rilevamento standard, ASTM A923
Tre tecniche riconosciute sono fornite da ASTM A923, "Metodi di prova standard per la rilevazione di fasi intermetalliche dannose negli acciai inossidabili austenitici/ferritici duplex", per identificare sigma e altre fasi intermetalliche (come chi):

Metodo A (test di attacco con idrossido di sodio): una soluzione riscaldata di NaOH al 40% viene utilizzata per attaccare un campione lucidato. Una reazione di incisione scura indica l'esistenza della fase sigma o chi. Questo esame di screening ha un esito positivo/fallito.

La resistenza all'urto viene valutata utilizzando il Metodo B (prova d'urto Charpy). L'accettazione richiede un'energia assorbita media minima, come 54 J per il 2205.

Metodo C (misurazione del contenuto di ferrite): la percentuale di ferrite viene determinata utilizzando un ferritescopio. Il contenuto di ferrite diminuisce notevolmente con la formazione di sigma. Questo approccio, tuttavia, è meno semplice e soggetto a influenze esterne.

Il metodo più fattibile per la manutenzione sul campo è il Metodo A (test di incisione) su una piccola area lucidata o su una replica.

Irreversibilità: nessuna riparazione in-situ
La conclusione cruciale per gli ingegneri impiantisti è che la fase sigma non può essere eliminata da uno scambiatore di calore di grandi dimensioni mediante trattamento termico. L'intero componente deve essere riscaldato a 1040-1100 gradi e raffreddato rapidamente (utilizzando acqua o gas pressurizzato) per ri-dissolvere sigma. Uno scambiatore in-servizio con tubi, guarnizioni e tubazioni collegate non può raggiungere questo obiettivo. I fasci tubieri interni si espanderebbero e si distorcerebbero anche se il guscio potesse essere riscaldato, e il rapido raffreddamento provocherebbe uno shock termico. Di conseguenza, un componente cruciale (come una piastra tubiera o una flangia spessa) deve essere sostituito non appena si verifica l'infragilimento sigma. Le uniche opzioni per i fasci tubieri sono la rimozione e la sostituzione.

Pertanto, la chiave per evitare guasti catastrofici è il rilevamento. Una frattura rapida potrebbe derivare da uno shock termico o meccanico (come un aumento di pressione, un colpo di martello o anche una vibrazione regolare) se uno scambiatore di calore problematico viene utilizzato con parti fragili.

Passaggi per l'identificazione pratica del campo
Se si sospetta un infragilimento della fase sigma, è necessario eseguire le seguenti azioni in un vecchio scambiatore di calore in acciaio inossidabile duplex:

Esaminare la cronologia degli interventi per vedere se lo scambiatore è mai stato sottoposto a temperature superiori a 600 gradi. Esaminare le segnalazioni di incidenti di incendio, registri operativi o interruzioni insolite dei processi. Registrazioni di saldatura: le porzioni spesse sono state sottoposte a ricotture in soluzione post-saldatura?

Conduci una misurazione non-distruttiva della ferrite. Su una superficie pulita e rettificata, la lettura del ferritescopio può indicare un contenuto di ferrite inferiore (il valore normale è compreso tra il 40 e il 60%; il sigma può ridurlo al 30%). Ma questo non è definitivo di per sé.

Consideriamo una riproduzione metallografica. La soluzione ASTM A923 Metodo A viene utilizzata per levigare, lucidare e incidere una regione limitata (come la faccia di una piastra tubiera o una flangia spessa). Per ispezionare una riproduzione in acetato viene utilizzato un ingrandimento 200–500×. L'infragilimento è confermato dall'esistenza di reti di fase sigma nere e a blocchi.

Ottieni un piccolo coupon se puoi. Per le prove di impatto Charpy di laboratorio, è possibile prelevare un corto spezzone di tubo o un pezzo di scarto da un luogo non-critico. Un grave infragilimento è indicato da una misurazione dell'energia di impatto inferiore a 20 J per il 2205 (o inferiore alle specifiche).

Determinare l'urgenza: se viene rilevato sigma, è necessario programmare la sostituzione del componente interessato. Nel frattempo, tutte le fonti di vibrazione dovrebbero essere disattivate e lo scambiatore dovrebbe funzionare con carichi meccanici e termici inferiori.

Le misure preventive comprendono un trattamento termico adeguato e limitazioni del servizio.
Prevenire l’infragilimento sigma è la migliore strategia per affrontarlo:

Ricottura sempre della solubilizzazione delle saldature duplex: la ricottura della solubilizzazione post-saldatura e la tempra rapida sono necessarie per le sezioni spesse (più di 6 mm). Sebbene la ricottura sia più sicura, una qualificazione efficace del metodo di saldatura (basso apporto di calore, controllo della temperatura di interpass) può spesso prevenire il sigma per le sezioni sottili.

A alternative alloy, such as a nickel-based superalloy, should be taken into consideration if a duplex exchanger is required for a high-temperature application (such as >500 gradi) per periodi di tempo più lunghi. Evitare un servizio prolungato sopra i 600 gradi.

Controllare il raffreddamento in seguito a qualsiasi esposizione al calore: per ridurre il tempo trascorso nell'intervallo tra 600 e 900 gradi, lo scambiatore deve essere raffreddato il più rapidamente possibile (ad esempio, allagandolo con acqua) in caso di incendio o sbalzo termico.

Insomma
Solo un adeguato trattamento termico iniziale ed evitare un'esposizione prolungata all'intervallo di temperature di formazione può prevenire l'infragilimento della fase sigma, una degradazione irreversibile e catastrofica. Un forte calo della resistenza all'urto, una frattura granulare brillante e la comparsa di punti o reti di incisione scuri in un'analisi metallografica sono indicatori di infragilimento in fase sigma dei componenti dello scambiatore in acciaio inossidabile duplex. Le procedure di test standard per il rilevamento sono fornite da ASTM A923. Una volta verificato, la parte danneggiata deve essere sostituita perché non può essere riparata. Il calore ha il potere di cancellare l'esistenza di un metallo; nel caso dell'acciaio inossidabile duplex, questa storia non scritta è l'infragilimento sigma. Le uniche difese contro questo nemico furtivo-che produce frantumazioni sono l'ispezione di routine, la conoscenza della cronologia delle temperature di servizio e la selezione adeguata dei materiali.