Differenze tra gli acciai inossidabili della serie 300
Gli acciai inossidabili austenitici della serie 300 sono un insieme di leghe di cromo-nichel a base di ferro progettate per resistere alla corrosione. Ciò, in combinazione con l'eccellente formabilità, resistenza all'usura e resistenza alla temperatura, li rendono materiali comuni di costruzione all'interno dei sistemi di tubazioni.
Le differenze tra le leghe sono lievi ma intenzionali. Sebbene possano essere utilizzati in modo intercambiabile in molte applicazioni, a volte esiste una soluzione ideale. Le sostituzioni in tali situazioni potrebbero compromettere la durata utile.
Resistenza alla corrosione
Poiché la resistenza alla corrosione è uno dei motivi principali per cui gli utenti finali scelgono un tubo metallico, i mezzi di applicazione in genere guidano la scelta della lega. Il 304 viene spesso utilizzato poiché è l'opzione più economica, sebbene il 321, e in particolare il 316, offrano una migliore resistenza alla corrosione. Per questo motivo, la maggior parte dei tubi Penflex sono realizzati utilizzando 321 o 316L.
La treccia è solitamente di 304L in quanto non sarà in contatto con i mezzi di flusso, sebbene 316L sia un'opzione se l'applicazione è in un ambiente corrosivo, come all'interno, sopra o vicino all'oceano, o se l'esterno del tubo è soggetto a sostanze corrosive. fluidi attraverso gocciolamenti, spruzzi, ruscellamenti, ecc.
Per applicazioni particolarmente corrosive, è possibile riscontrare proprietà di resistenza alla corrosione superiori tra le leghe ad alto contenuto di nichel come Monel® 400 e Hastelloy® C276.
Acciai inossidabili serie 300: composizione chimica
La tabella seguente mostra la composizione chimica dei più comuni acciai inossidabili della serie 300 utilizzati nell'industria dei tubi metallici. Le singole cifre indicano la percentuale massima consentita secondo i requisiti ASTM 240.
| 304 | 304L | 316 | 316L | 321 | |
| Cromo | 18% – 20% | 18% – 20% | 16% – 18% | 16% – 18% | 17% – 19% |
| Nichel | 8% – 10.5% | 8% – 12% | 10% – 14% | 10% – 14% | 9% – 12% |
| Molibdeno | 2% – 3% | 2% – 3% | |||
| Carbonio | 0.08% | 0.03% | 0.08% | 0.03% | 0.08% |
| Manganese | 2% | 2% | 2% | 2% | 2% |
| Fosforo | 0.045% | 0.045% | 0.045% | 0.045% | 0.045% |
| Zolfo | 0.03% | 0.03% | 0.03% | 0.03% | 0.03% |
| Silicio | .75% | .75% | .75% | .75% | .75% |
| Titanio | 5 x (C + N) minimo – 0,70% | ||||
| Azoto | 0.1% | 0.1% | 0.1% | 0.1% | 0.1% |
| Ferro | Bilancia | Bilancia | Bilancia | Bilancia | Bilancia |
304 è considerato il riferimento in termini di resistenza alla corrosione. Vari componenti di lega sono stati aggiunti ai gradi 321 e 316 per aumentare la resistenza alla corrosione.
Nel caso di 304L e 316L il carbonio è stato eliminato. La "L" sta per "a basso contenuto di carbonio". Le leghe a basso contenuto di carbonio sono meno suscettibili alla precipitazione di carburo nella zona interessata dal calore (HAZ) rispetto alle loro controparti di tipo standard.
Il cromo e il carbonio possono mescolarsi sotto il calore della saldatura per creare carburi di cromo ai bordi dei grani. Questa reazione impoverisce lo strato di cromo che conferisce all’acciaio inossidabile le sue proprietà resistenti alla corrosione, rendendo la ZTA un bersaglio per attacchi chimici. Un modo per combattere la precipitazione del carburo è ridurre la quantità di carbonio nel materiale base.
Un altro modo più efficace è aggiungere titanio al metallo, come nel caso del 321. Con il Tipo 321, invece di essere attratto dal cromo, il carbonio è attratto dal titanio. Ciò aiuta a garantire che lo strato di cromo passivo rimanga intatto.
Sia con il 316L che con il 321, i processi di pulizia post-saldatura possono eliminare la corrosione dovuta alla precipitazione residua di carburo.
Resistenza alla corrosione per vaiolatura
Il molibdeno viene aggiunto ai gradi 316 per aumentare la resistenza alla corrosione per vaiolatura, soprattutto in presenza di cloruri. Per aiutare nella scelta della lega appropriata, è stata sviluppata un'equazione basata sulla composizione chimica. Il PREN, o numero equivalente di resistenza alla vaiolatura, è un modo teorico per confrontare la resistenza alla corrosione per vaiolatura tra varie leghe.
| Lega | PREN |
| 304, 304L, 309, 310, 321 | 18.0 – 20.0 |
| 316, 316L | 22.6 – 27.9 |
| 317, 317L | 27.9 – 33.2 |
| AL-6XN | 39.8 – 45.1 |
| Inconel® 625 | 46.4 – 56.0 |
| Hastelloy® C-276 | 64.0 – 73.8 |
Se la resistenza alla corrosione è una priorità, è importante adottare precauzioni per garantire che la ZTA assomigli maggiormente ai materiali di base in termini di resistenza alla corrosione e pianificare la corrosione per vaiolatura. Nelle applicazioni in cui la corrosione non è un problema, è probabile che una qualsiasi delle leghe della serie 300 fornisca risultati simili.
Tassi di corrosione tra gli acciai inossidabili della serie 300
Un altro modo per dimostrare i diversi livelli di resistenza alla corrosione tra queste leghe è considerare i tassi di corrosione previsti. I tassi variano da sostanza chimica a sostanza chimica e sono illustrati nella tabella di resistenza alla corrosione di Penflex. Pensando a quanto metallo verrà consumato ogni anno, la differenza tra le capacità di resistenza alla corrosione può essere vista più facilmente.
E quando si parla di resistenza alla corrosione non bisogna considerare solo la lega, ma anche lo spessore della parete della lega. Abbiamo messo insieme un altro bollettino per affrontare specificamente questo argomento.
Fattori di declassamento a temperature elevate
Nessun altro materiale può mantenere le proprie proprietà attraverso un differenziale di temperatura così ampio come il metallo. Qualunque cosa al di sotto di 0 grado F richiederà probabilmente metallo, quindi le applicazioni criogeniche sono un caso d'uso comune per i tubi metallici. Alcune delle proprietà meccaniche dell’acciaio inossidabile austenitico effettivamente aumentano alle basse temperature! Qualsiasi temperatura superiore a circa 400 gradi F richiederà anche metallo, quindi anche le applicazioni con vapore super saturo o quelle all'interno di acciaierie o fornaci sono probabili scenari per tubi metallici.
È importante ricordare che con l'aumento delle temperature si verifica una riduzione dei valori di pressione e ci sono alcune differenze in questi fattori tra i comuni acciai inossidabili della serie 300. I fattori di declassamento si basano sulla lega della treccia.
| Grado di temperatura F | 304/304L | 316/316L | 321 |
| 70 | 1 | 1 | 1 |
| 150 | 0.95 | 0.93 | 0.97 |
| 200 | 0.91 | 0.89 | 0.94 |
| 250 | 0.88 | 0.86 | 0.92 |
| 300 | 0.85 | 0.83 | 0.88 |
| 350 | 0.81 | 0.81 | 0.86 |
| 400 | 0.78 | 0.78 | 0.83 |
| 450 | 0.77 | 0.78 | 0.81 |
| 500 | 0.77 | 0.77 | 0.78 |
| 600 | 0.76 | 0.76 | 0.77 |
| 700 | 0.74 | 0.76 | 0.76 |
| 800 | 0.73 | 0.75 | 0.68 |
| 900 | 0.68 | 0.74 | 0.62 |
| 1000 | 0.6 | 0.73 | 0.6 |
| 1100 | 0.58 | 0.67 | 0.58 |
| 1200 | 0.53 | 0.61 | 0.53 |
| 1300 | 0.44 | 0.55 | 0.46 |
| 1400 | 0.35 | 0.48 | 0.42 |
| 1500 | 0.26 | 0.39 | 0.37 |
I fattori di riduzione della temperatura per 321 e 304 sono superiori a 316 fino a circa 700 gradi F e poi è vero il contrario con 316 che ha fattori di riduzione più elevati rispetto a 321 e 304. Maggiore è il fattore di declassamento, maggiore sarà la pressione nominale.
Ad esempio, per calcolare la pressione di esercizio massima per un tubo corrugato in acciaio inossidabile 321 serie P4 da ¾" con uno strato di treccia 304L che funzionerà a 800 gradi F, moltiplicare la pressione di esercizio (940 PSIG) per il fattore di declassamento appropriato (0,73) .
La pressione di esercizio per il tubo a 800 gradi F è 686 PSIG.
Penflex ha sviluppato i propri fattori di declassamento dopo aver raccolto dati grezzi sulla resistenza alla trazione a temperature elevate dai principali fornitori di materiali e prendendo i valori più bassi in ciascuna categoria per le varie leghe. Per questo motivo potrebbero essere più conservativi rispetto ai fattori di declassamento pubblicati da NAHAD o ISO 10380.
È importante ricordare la temperatura massima di esercizio dei raccordi terminali e anche il loro metodo di fissaggio deve essere considerato quando si lavora con temperature operative elevate.
Per temperature di applicazione superiori a 1000 gradi F, spesso suggeriamo Inconel® 625.
Considerando l'intera applicazione
Come accennato in precedenza, in molte applicazioni le sostituzioni nella lega dei tubi avranno un impatto minimo sulle prestazioni del tubo. Tuttavia, quando le temperature aumentano, la pressione aumenta o i tubi si avviano frequentemente, dobbiamo prestare maggiore attenzione.
Gli impatti di temperatura, pressione e movimento possono essere combinati portando alla corrosione prima del previsto se i mezzi di applicazione fossero stati l’unico fattore nei nostri calcoli sulla corrosione. Anche se le differenze tra gli acciai inossidabili della serie 300 possono sembrare piccole, possiamo iniziare a vedere quanto velocemente potrebbero amplificarsi.
