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Tubi in acciaio inossidabile martensitico è apprezzato per la sua elevata robustezza e moderata resistenza alla corrosione che lo rendono cruciale in settori critici come la lavorazione chimica di petrolio e gas e la produzione di energia. Tuttavia, in condizioni di stress elevato e agenti aggressivi specifici, MSS è altamente suscettibile alla fessurazione indotta dall'ambiente, una modalità di guasto prevalente e grave.
1. Cracking da stress da solfuri (SSC)
L'SSC rappresenta il meccanismo di guasto più distruttivo per i tubi MSS in condizioni di "servizio acido" di petrolio e gas in cui è presente idrogeno solforato HS.
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Meccanismo: l'idrogeno solforato si decompone sulla superficie metallica producendo idrogeno atomico che permea nell'acciaio. Le aree ad alta resistenza e concentrazione di sollecitazioni localizzate dell'acciaio martensitico, come zone lavorate a freddo o saldature, sono siti privilegiati per l'accumulo di idrogeno. L'idrogeno intrappolato provoca una riduzione locale della plasticità e un infragilimento che porta a fratture improvvise sotto sollecitazioni di trazione molto al di sotto della resistenza allo snervamento del materiale.
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Zone ad alto rischio: saldare zone alterate dal calore (HAZ), aree ad alta concentrazione di sollecitazioni e tubi con livelli di durezza incontrollati (durezza eccessiva).
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Tendenze del settore: A causa dell’aumento delle pressioni parziali dell’HS negli ambienti dei pozzi profondi e ultraprofondi, l’industria si sta spostando verso acciai martensitici a bassissimo tenore di carbonio e modificati con nichel combinati con rigorosi processi di rinvenimento ad alta temperatura per ridurre al minimo la suscettibilità alla SSC.
2. Cracking da corrosione da stress da cloruro (CISCC)
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Meccanismo: Gli ioni cloruro danneggiano la pellicola passiva sulla superficie dell'acciaio inossidabile creando siti di concentrazione delle tensioni. Sotto stress di trazione prolungato le cricche iniziano e si propagano sia a livello transgranulare che intergranulare, portando infine al cedimento attraverso la parete.
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Applicazioni tipiche: generatori di vapore in centrali elettriche, sistemi di trattamento della salamoia ad alta concentrazione e alcune condutture chimiche ad alta pressione e alta temperatura.
CATEGORIA DUE CARICHI MECCANICI E DANNI DA FATICA
Poiché i tubi MSS vengono spesso utilizzati in componenti portanti e dinamici, il loro cedimento è spesso direttamente collegato a sollecitazioni cicliche o carichi meccanici estremi.
1. Rottura per fatica
La fatica è la modalità di guasto meccanico più comune per i materiali ad alta resistenza sottoposti a carichi ciclici come fluttuazioni della pressione del fluido o vibrazioni meccaniche.
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Meccanismo: le crepe tipicamente iniziano in corrispondenza di difetti superficiali, graffi delle pareti interne, cavità di corrosione o inclusioni microscopiche. Il ciclo periodico di sollecitazioni provoca danni accumulati nella zona plastica all'apice della fessura, portando a una lenta propagazione della fessura fino a quando la sezione trasversale rimanente non può più sopportare il carico istantaneo, con conseguente improvvisa frattura fragile.
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Zone ad alto rischio: pale di turbine di alberi di pompa in cui viene utilizzato acciaio martensitico per le sezioni di radice e sezioni ad alte vibrazioni nelle condotte di trasporto a lunga distanza.
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Sfida tecnica: la resistenza alla fatica è altamente sensibile all'integrità della superficie. La lucidatura fine della superficie e il controllo della profondità dello strato lavorato a freddo sono fondamentali per migliorare la durata a fatica degli MSS.
2. Infragilimento da idrogeno (HE)
Strettamente correlato all'SSC HE può essere indotto da processi di produzione come la galvanica o il decapaggio o da una protezione catodica inadeguata durante il servizio indipendentemente dalla presenza di solfuri.
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Meccanismo: l'acciaio assorbe l'idrogeno atomico portando ad una forte diminuzione della duttilità, tenacità e resistenza alla frattura. Anche senza agenti corrosivi esterni, se è presente stress da trazione, gli atomi di idrogeno promuoveranno la nucleazione e la crescita delle cricche.
CATEGORIA TRE STABILITÀ TERMICA E DEGRADAMENTO MICROSTRUTTURALE
Le prestazioni dell'acciaio inossidabile martensitico dipendono fortemente dalla sua microstruttura temprata stabile. Un'esposizione inappropriata alla temperatura può portare al degrado microstrutturale e ad un forte calo delle prestazioni.
1. Infragilimento del temperamento
Alcuni elementi di lega come fosforo, stagno e antimonio possono segregarsi lungo i bordi dei grani durante un raffreddamento lento o un'esposizione prolungata nell'intervallo da 350 °C a 550 °C. Ciò porta a una sostanziale perdita della resilienza dell'acciaio con conseguente infragilimento da rinvenimento.
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Conseguenza: anche se la durezza potrebbe non cambiare in modo significativo, la resistenza del materiale allo stress da impatto si deteriora rapidamente a basse temperature o ad alte velocità di deformazione, rendendolo altamente suscettibile alla frattura fragile.
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Misure preventive: impiego della tempra in acqua o del raffreddamento rapido attraverso l'intervallo di temperature critiche di infragilimento dopo il rinvenimento.
2. Infragilimento a 475 gradi C e precipitazione della fase Sigma
L'esposizione a lungo termine dell'acciaio inossidabile martensitico nell'intervallo da 400 gradi C a 500 gradi C può portare alla precipitazione di fasi ricche di cromo, in particolare intorno a 475 gradi C, causando il fenomeno noto come infragilimento a 475 gradi C. Inoltre l'esposizione prolungata a temperature più elevate come da 600 gradi C a 900 gradi C può causare la precipitazione della fase sigma dura e fragile.
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Impatto: entrambi i fenomeni riducono significativamente la plasticità e la tenacità del materiale, diminuendo contemporaneamente la resistenza alla corrosione.
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Approfondimento sull'applicazione: la temperatura operativa a lungo termine dei tubi MSS deve essere rigorosamente limitata nella progettazione per evitare questi intervalli di temperatura sensibili.
