ANALISI DELLA COMPATIBILITÀ DEL PIOMBO CON L’ALLUMINIO DELLE

Altro fattore importante da tenere in considerazione per valutare la tenuta delle guarnizioni in piombo è la compatibilità del piombo con il materiale delle flange, in questo caso alluminio.

2.5.1 Compatibilità chimica

Innanzi tutto osservando il diagramma di fase Pb-Al si può notare come non siano presenti eventuali composti intermetallici che possono creare problemi di rigatura della flangia durante il distacco della guarnizione.

Fig. 2.16: Diagramma di fase Pb-Al

2.5.2 Compatibilità elettrochimica

È molto importante considerare anche la corrosione in umido del piombo associato alle flange in alluminio perché molte volte nella pratica tecnica si registrano perdite per effetto della corrosione in umido delle flange e guarnizioni se poste in ambienti umidi e corrosivi. Nel caso in analisi la tenuta avviene in aria atmosferica e in ambiente protetto per cui questi rischi sono molti limitati se non del tutto assenti. Per completezza però si vuole integrare lo studio della compatibilità elettrochimica tra piombo e alluminio per capire se esiste un rischio effettivo di corrosione se il sistema è posto in ambiente umido.

Quando un corpo metallico, come il piombo, è immerso in una soluzione elettrolitica gli ioni positivi del metallo, detto in questo caso anodo, passano nella soluzione secondo la reazione:

41 Tra gli ioni positivi disciolti nella soluzione e gli elettroni dell’anodo si instaura un equilibrio elettrico definito dal potenziale di equilibrio del metallo Pb sulla soluzione acquosa quindi di fatto si è creato un condensatore. All’aggiunta di un catodo collegato elettricamente all’anodo si crea una corrente che richiama elettroni dall’anodo producendo così una corrosione continua.

Fig. 2.17: Rappresentazione classica del funzionamento della pila elettrochimica

Questo è il classico principio della pila elettrolitica.

Condizione necessaria ma non sufficiente affinché un processo termodinamico come quello corrosivo possa avvenire spontaneamente è che la reazione globale risultante dal processo anodico di dissoluzione del metallo e da quello catodico complementare abbia l’energia libera di Gibbs negativa cioè:

∆𝐺 = −𝑛 ∗ 𝐹(𝐸_𝑐𝑎𝑡− 𝐸_𝑎𝑛) < 0 (2.3)

Ed essendo n e F sempre negativi essa si traduce come

𝐸_𝑐𝑎𝑡> 𝐸_𝑎𝑛 (2.4)

Dove 𝐸_𝑐𝑎𝑡 𝑒 𝐸_𝑎𝑛 rappresentano il potenziale di equilibrio. In prima approssimazione si può sostituire ai potenziali elettrolitici i potenziali elettrolitici standard cioè definiti come il potenziale di una semipila formata dal metallo immerso in una soluzione di un suo sale con attività cationica unitaria a T=25°C, mentre l’altra semipila è costituita dall’elettrodo campione a idrogeno con potenziale di riferimento di 0 V.

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Tab. 2.9: Nella tabella sono indicati i valori dei potenziali di elettrodo normale standard definito come il potenziale di una semipila formata dal metallo immerso in una soluzione di un suo sale con attività cationica unitaria a T=25°C , mentre l’altra semipila è costituita dall’elettrodo campione a idrogeno con

potenziale di riferimento di 0V (da N.D. Tomashov).

Dal manuale “engineering properties and applications of lead alloys” (11) si legge che il piombo si comporta da catodo rispetto all’alluminio quindi guardando la tabella 2.9 si nota che

𝐸_𝑐𝑎𝑡> 𝐸_𝑎𝑛

−0,126 > −1,66 (2.4)

Quindi le flange di alluminio essendo l’anodo possono essere soggette a corrosione.

Naturalmente tutto ciò vale in presenza di una soluzione elettrolitica che potrebbe essere l’aria umida cosa non contemplata nelle condizioni ambientali citate nel paragrafo 2.1. In ogni caso la corrosione può non avvenire anche perché il piombo, come l’alluminio, è soggetto a passivazione e questo ostacola il processo di corrosione in umido.

2.5.3 Compatibilità termica

Altra proprietà fisica da tenere in considerazione è la dilatazione termica differenziale tra piombo e alluminio che può creare problemi nel caso di cicli di riscaldamento e raffreddamento. Il rischio è che se fosse il coefficiente di dilatazione termica della guarnizione minore di quello della flangia, durante il riscaldamento potrebbe avvenire un distacco della giunzione nei lembi di chiusura.

43 Materiale ^{Coefficiente dilatazione}

lineare λ [1/°C]

Deformazione della guarnizione in piombo per salto termico di riscaldamento di 175 °C

Piombo 2,9E-5 Acciaio inox austenitico ^{1,7E-5 -0,210%} Alluminio (leghe) ^{2,3E-5 -0,105%} Titanio 8,6E-6 -0,357%

Tab. 2.10: Nella tabella sono indicati i valori dei coefficienti di dilatazione termico lineare dei materiali sotto esame e a sinistra invece la deformazione della guarnizione rispetto alla flangia per un salto termico di

riscaldamento di 175°C.

Analizzando il coefficiente di dilatazione termico lineare si scopre che in realtà il piombo ha un coefficiente maggiore dell’alluminio e molto maggiore dell’acciaio quindi per ogni ciclo termico di riscaldamento la guarnizione sarà sempre compressa all’interno della propria cava con deformazione 0,105% per flange in alluminio, 0,21% per flange di acciaio e 0,357% per flange di titanio (meno comuni rispetto agli altri materiali) con una differenza termica di riscaldamento di 175°C.

È ovvio che l’influenza della dilatazione termica differenziale dipende anche dal tipo di flangia e dal sistema di chiusura. Per esempio una flangia CF standard in titanio serrata da bulloni in acciaio inossidabile darà inevitabili problemi di tenuta nel ciclaggio termico di riscaldamento soprattutto se lo spring back della guarnizione è molto piccolo e non compensa l’allontanamento delle flange. Altro problema può avvenire se si chiudono tra loro due flange di materiale differente con coefficienti di dilatazione molto diversi, infatti in questo caso avvengono degli scorrimenti radiali che possono distaccare la guarnizione.

Nel caso sotto esame sono presenti due flange di alluminio chiuse da una cravatta (si veda capitolo 3) in acciaio inossidabile. Applicando cicli termici di riscaldamento, le due flange dilateranno di più della cravatta e questo comporterà un incremento della pressione di serraggio che quindi non comporta danni al sistema. Mentre come sopra accennato, essendo la guarnizione in piombo su cave di allumino, durante il riscaldamento si ha una compressione della guarnizione nella direzione circonferenziale della cava. Quindi anche questo non comporta danneggiamento della guarnizione.