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Giuseppe Langella » 19.I materiali impiegati nei generatori di vapore


Caratteristiche meccaniche a caldo degli acciai

Nella progettazione dei GV è fondamentale conoscere il comportamento “a caldo” degli acciai. Tale comportamento si riferisce alle caratteristiche meccaniche di tubi e corpi cilindrici che dipendono, oltre che dalla pressione, anche dalla temperatura e dal tempo.

A seconda del componente specifico e quindi delle condizioni di temperatura, vengono scelti acciai diversi. Come accennato nella lezione sui termovalorizzatori, tale scelta è condizionata anche dalla resistenza agli attacchi corrosivi, che dipendono a loro volta non solo dalle sostanze presenti nei fumi, ma anche dai livelli termici.

I principali parametri che caratterizzano le proprietà meccaniche degli acciai e che dipendono dalla temperatura sono:

  • Il carico unitario di snervamento: ReH in N/mm²
  • Il modulo di elasticità: E in N/mm²
  • L’allungamento minimo (a rottura): A in %
  • La resistenza a trazione: Rm in N/mm²

Alcune definizioni

ReH è il carico unitario di snervamento minimo dell’acciaio.

Fintanto che le tensioni di servizio non superano questo valore, l’elemento sollecitato dall’azione ritorna allo stato iniziale al cessare dell’azione stessa. ReH è un dato fondamentale nei calcoli di resistenza dei materiali. Per alcuni acciai la soglia di limite elastico non è sempre marcata, si definiscono allora dei limiti convenzionali dove si valuta un allungamento permanente debole ma misurabile con precisione come il 0,2 % . Questo valore è indicato con Rp.0,2

Rm è la resistenza a trazione (rottura).

Questo dato non interviene direttamente nei calcoli di resistenza dei materiali da costruzione metallica. Questa caratteristica è presa in conto, in particolare, per determinare la resistenza a fatica degli elementi metallici sottoposti a carichi ciclici.

Alcune definizioni

ε % è l’allungamento a rottura dell’acciaio.

Questo dato caratterizza in parte la capacità di deformazione dell’acciaio. Nel caso di superamento accidentale del limite elastico l’allungamento puo’ apparire come una riserva di sicurezza che può evitare il crollo dell’opera. Mentre le norme impongono allungamenti minimi in funzione del tipo di acciaio dell’ordine del 20%, l’Eurocodice 3 e le normative italiane (NTC) ammettono un limite minimo del 15%.

“E” è il modulo di elasticità (o modulo di Young)

E’ il coefficiente di proporzionalità tra le tensioni e le deformazioni(o carico-allungamento) in campo elastico. E’ un dato costante per tutti gli acciai: E = 210 000 N/mm². Lo stesso valore può essere usato per la maggior parte degli acciai inossidabili. Ha una incidenza diretta sulla freccia degli elementi sollecitati a flessione.

Acciai al carbonio

Il carbonio ha un duplice effetto sugli acciai legati temprabili. Esso infatti controlla la massima durezza ottenibile e contribuisce sostanzialmente alla temprabilità. L’aggiunta di carbonio è il metodo meno costoso per ottimizzare la temprabilità. Ai normali acciai al carbonio non vengono aggiunti intenzionalmente altri elementi. Essi sono generalmente utilizzati per le applicazioni meno critiche in ambienti non corrosivi, e di solito non sono trattati termicamente.

Quando sono sottoposti a riscaldamento in atmosfera ossidante, come nel caso di tubi a contatto con gas di combustione contenenti ossigeno,subiscono un’ossidazione superficiale con formazione di una sottilissima pellicola di ossido che funge da strato protettivo per la successiva ossidazione. Se però la temperatura sale otre i 350°C la pellicola assume spessori via via più rilevanti fino a distaccarsi sotto forma di scaglia, lasciando che l’ossidazione passi allo strato più interno. Si parla in tal caso di temperatura di scagliamento. Per glia cciai al carbonio tale temperatura si aggira sui 500°C e aumenta all’aumentare della presenza di Cromo nella lega.

Tali acciai possono essere ben impiegati per la cosrtruzione dei corpi cilindrici. Essi infatti spesso sono esteri al giro dei fumi e difficilmente superano la temperatura di 360°C, essendo in essi contenuto vapore saturo. Stesso discorso, nei riguardi della temperatura, si può fare per i tubi evaporatori, nei quali il salto massimo di temperatura tra fluido evaporante e metallo non supera i 50°C.

Acciai debolmente legati

I tipici acciai debolmente legati impiegati per la fabbricazione di lamiere e tubi sono quelli al Mo e CrMo. Le temperature massime di impiego vanno dai 510 ai 590°C dell’acciaio 12 CrMo 910. La temperatura di scagliamento degli acciai al solo Mo è pari a circa 550°C mentre arriva a 600°C per quelli al CrMo.

Considerando che la differenza di temperatura tra vapore surriscaldato e metallo risulta al massimo di una quarantina di gradi, ne scaturisce che tali materiali sono applicabili in tutta la gamma di temperature del surriscaldato tipiche degli impianti a vapore.

Tali acciai si prestano bene anche alla costruzione di corpi cilindrici di media pressione. Per quelli di alta pressione tali acciai richiederebbero spessori troppo elevati e  con essi elevati costi e difficoltà di lavorazione. In tali casi si prediligono acciai sempre debolmente legati, ma con presenza di ulteriori elementi quali niche e rame che conferiscono la capacità di mantenere elevate tensioni di snervamento anche a temperature elevate.

Acciai austenitici

Gli acciai austenitici al NiCr non sono molto usati nella costruzione dei generatori. Il loro elevato costo ne sconsiglia infatti l’uso quando non sia indispensabile. E’ il caso dei surriscaldatori nei quali la temperatura del vapore superi i 550°C , come nel caso di alcuni GV ipercritici, o di alcuni surriscaldatori a irraggiamento, per i quali la temperatura della superficie irraggiata può superare i 600°C.

La presenza di Nichel  e Cromo può innalzare la temperatura di scagliamento fino a circa 900°C, a seconda del tenore di tali elementi. Essi risultano pertanto idonei anche ad essere utilizzati per componenti non raffreddati, quali distanziatori, o cerniere per il sostegno dei banchi tubieri.

Tuttavia al di sopra dei 700°C la presenza di nichel può costituire un problema per l’attacco corrosivo dello zolfo presente nei fumi, che tende a formare solfuri di nichel che a loro volta attaccano la pellicola protettiva di ossidi e aprono la via alla penetrazione di altri elementi corrosivi, quali carbonio e azoto.

Per limitare gli effetti di fragilizzazione connessi alle elevate temperature, tali acciai vengono stabilizzati mediante aggiunta di Ni, Ti, Ta, V, che evitano la formazione di carburi di cromo, combinandosi col carbonio più rapidamente dello stesso cromo.

Acciai refrattari

Con questo nome si identificano gli acciai speciali che presentano una elevata temperatura di scagliamento. Sono acciai contenenti Cr, Mn, Si, Al e inqualche caso piccole percentuali di nichel. Fra essi i più usati sono glia acciai al Cr a al CrAl, che contengono però in piccole quantità anche Si e Mn.

Una peculiarità di tali acciaia è quella di avere modeste caratteristiche meccaniche a caldo, nettamente inferiori degli acciai austenitici con lo stesso contenuto di Cr. Tuttavia va detto che essi vengono prevalentemente utilizzati per la costruzione di diaframmi, distanziatori, cerniere, e altri elementi che comunque non sono sollecitati se non per il peso proprio.

Nel dimensionamento conviene quindi utilizzare coefficienti di sicurezza abbastanza elevati. E’ bene impiegarli al di sopra dei 500°C, in quanto tra 450 e 500°C hanno tendenza a fragilizzarsi, particolarmente se il contenuto di Cr è elevato (>18%). Rispetto agli austenitici, tali acciai sono più difficilmente lavorabili a meno che non vengano preriscaldati  a 300°C .

In presenza di zolfo nel combustibile, gli acciai contenenti alluminio sono preferibili a quelli che ne sono privi in quanto resistono meglio alla corrosione.

Ghise normali e speciali

Le ghise vengono impegnate per la costruzione degli economizzatori, delle valvole, delle griglie e di altri pezzi speciali. Le ghise comuni, G20 e G25 possono venire impiegate solo fino a 350-400°C in quanto a temperatura superiore i carburi di ferro si trasformano in ferrite e grafite con aumento di volume e conseguente rottura del pezzo. Tali ghise hanno una discreta resistena all’ossidazione, inferiroe a quella delle ghise contenenti Cr, Ni, Al o Si, ma comunque superiore a quella degli acciai al carbonio.

Le ghise sono senz’altro idonee per gli economizzatori, installati in coda al generatore di vapore, che non superano le temperature indicate. Per temperature superiori e fino a 550°C si può utilizzare ghisa stabilizzata con Cr al 2%. Per temperature superiori (fino a 650°C) si può incrementare il contenuto di Cr fino a 2,5%, ma con lagiunta anche di Ni (1-1,5%) altrimenti il materiale si fragilizza troppo.

La percentuale di cromo nelle ghise può arrivare fino al 30% con capacità di resistenza alla corrosione anche a temperature di 1100°C.

Data la limitata resistenza meccanica, le normative impongono limiti di pressione e temperatura del vapore per l’utilizzo delle ghise: 12 bar e 230°C  per la ghisa a grafite lamellare e 69 bar e 340°C per la ghisa sferoidale.

Materiali refrattari

I materiali refrattari vengono usati allo scopo di isolare termicamente il generatore di vapore e si resentano sia sotto forma di mattoni che in gettata. In entrambi i casi sono composti nella maggioranza da silice (SiO2) e allumina (Al2O3).

In base al contenuto dei componenti caratteristici in refrattari si classificano in acidi basici e neutri. I refrattari acidi sono quelli a base di silice. Quelli basici sono i magnesiaci, fosteritici, cromo-magnesiaci e dolomitici. I neutri sono qualli cromotici, di carbone e grafitici.

Le principali caratteristiche di un materiale refrattario sono la struttura, la densità, il coefficiente di dilatazione termica, le proprietà meccaniche, le proprietà refrattarie, il cambiamento di volume dopo una lunga permanenza al fuoco, la conduttanza e il calore specifico. In particolarità la densità si distingue tra reale ed apparente (pori inclusi). La dilatazione volumetrica corrispondente ad un riscaldamento da 0°C a 1000°C varia in genere tra lo 0,4 e l’1,4 % a seconda del tipo di refrattario. Quelli che si dilatano di meno sono gli alluminosi e i silico alluminosi e conseguentemente si frantumeno di meno per effetto delle variazioni termiche.

Le conduttanze termiche dei materiali refrattari sono in genere dell’ordine di pochi W/mK (1 o al massimo 2), Fanno eccezione quelli magnesiaci e quelli al carburo di silicio che possono arrivare anche a 10 W/mK.

Materiali isolanti

I materiali isolanti vengono impiegati sotto forma di mattoni, tavelle, gettate, lastre, materassini e coppelle. Non si discostano molto dai refrattari in termini di composizione, ma sono in genere molto più porosi. Tale caratteristica conferisce loro una minore densità apparente e una conducibilità termica di un ordine di grandezza inferiore (0,1 W/mK).

Tra i metariali isolanti più utilizzati ricordiamo la vermiculite, la lana di roccia, la fibra ceramica. La vermiculite è un materiale micaceo che, riscaldato per pochi secondi fino a 1000 °C, subisce un aumento di volume fino a 15 volte il suo volume originario. La lana di roccia fornisce un’efficace protezione al fuoco con punto di fusione superiore ai 1000°C e presenta una conducibilità dell’ordine di 0,03 W/mK.

Le fibre ceramiche sono prodotte a partire da fibre organiche, precursori che vengono degradati termicamente. I precursori sono preparati con le stesse tecnologie impiegate per preparare le fibre organiche convenzionali. Le fibre ceramiche sono impiegate soprattutto come fibre refrattarie per impieghi che superano i 1000 °C e  sono caratterizzate da una struttura policristallina piuttosto che amorfa.
Le fibre ceramiche refrattarie sono utilizzate soprattutto per l’isolamento termico ad alte temperature e per
 la realizzazione di compositi speciali. Si trovano sotto forma di filamenti o fibre molto sottili (whiskers); i monofilamenti più grandi o multifialmenti  si possono utilizzare per trasformazioni tessili (filati, corde, prepreg per i compositi). Le caratteristiche sono legate alla struttura fine del materiale, legata allo specifico tipo di fibre

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