Campagna sperimentale: caratterizzazione degli acciai

Come detto, l’ ENEAsta valutando la possibilità di utilizzare, nei pannelli solari ad alta concentrazione, un fluido vettore composto da miscele di Sali fusi di sodio e potassio. L’utilizzo dei Sali è vantaggioso per le caratteristiche fisico-chimiche che possiedono; hanno basso punto di fusione (238°C), alta capacità e conduttività termica, buona stabilità ad alte temperature e bassi costi commerciali. Inoltre possono operare, senza perdere le caratteristiche termiche, alle temperature di 500-600°C. Tuttavia, poiché questi nitrati ad alte temperature sono piuttosto corrosivi, è stata condotta una campagna sperimentale per analizzare la corrosione e selezionare il materiale strutturale più appropriato. Lo studio ha riguardato l’interazione statica tra i nitrati fusi e i vari acciai. Le proprietà corrosive dei Sali fusi sono state studiate in passato nell’istituto Sandia da due ricercatori, S.H. Goods e R.W. Bradshaw, per determinare il materiale strutturale più adeguato da utilizzare in un impianto dimostrativo californiano, il Solar Two. I loro studi rimasero incompleti e sono stati ripresi per essere approfonditi dall’ENEA.

5.7.1. Apparato sperimentale

Il test di corrosione è stato eseguito in un apparato opportunamente progettato, collocato nel Laboratorio Sali Fusi del Centro di ricerca ENEA-Brasimone. Una vista dell’impianto è riportata in Figura 5-5.

L’impianto è composto da 10 contenitori termici, ciascuno in grado di ospitare al suo interno 30 kg di miscela di nitrati di sodio e potassio, un sistema che permette l’inserimento e l’estrazione dei provini ed infine un apparato di controllo della temperatura e della pressione. Ogni contenitore è dotato di sistema di iniezione del cover gas, indispensabile per portare il fluido alla pressione di 100 mbar (valore di sovrapressione in cui sono stati condotti i test). Nella Figura 5-6(A) e nella Figura 5-6(B) sono ripostati acuni particolari del sistema di prova.

Figura 5-5 – Laboratorio Sali, sistema di controllo e acquisizione dati

Figura 5-6 – Visuale interna del contenitore(B); Visuale esterna (C)

I contenitori interamente sono costituiti da acciaio inossidabile austenitico, hanno un’altezza di 40 cm e un diametro interno di 20 cm. L’acciao è stato ricoperto con uno strato esterno di titanio dello spessore di 0.8 mm, per evitare la corrosione dell’acciaio ad alte temperature. Ogni

ovviamente inoltre isolati termicamente (è evidente la presenza del coibente in figura) e non sono in contatto con l’ambiente esterno. Per consentire il mantenimento ed il controllo dellla temperatura ogni contenitore è dotato di termocoppie che segnalano all’unità centrale l’andamento della temperatura in ogni istante.

5.7.2. Composizione della miscela di Sali fusi.

La miscela usata nel test ha la composizione nominale del 60% di NaNO3 e del 40% di KNO3.

Sono comunque presenti all’interno, piccole percentuali di altri elementi fra cui NaCl, KClO4,

Na2SO4. Un’attenzione particolare è stata rivolta ai cloruri in quanto in alcuni impianti esistenti

situati vicino al mare si è notato un aumento della concentrazione di cloruri nella miscela dei Sali. Test condotti e riportati in letteratura hanno rilevato che l’aumento di concentrazione di queste sostanze aumenta le proprietà corrosive dei sali. Si è perciò deciso di condurre alcuni degli esperimenti con l’aggiunta dell’1.3% di NaCl nella miscela, anche tenendo conto del fatto che è verosimile pensare che gli impianti di questo tipo possano essere situati in prossimità del mare.

5.7.3. Materiali analizzati

I materiali analizzati nei test sono tre tipi di acciai inossidabili austenitici, AISI 316L, AISI 321, AISI 347, e l’acciaio al carbonio ASTM 106B. Per ogni acciaio sono stati analizzati due tipi di provini, saldati e non saldati, per esaminare la reazione delle saldature sottoposte ad alte temperature. In una fase successiva sono stati condotti test su Acciaio AISI 321H, immersi in una miscela di Sali, cui non è stata aggiunta la percentuale di NaCl.

Questi materiali sono stati selezionati per le loro proprietà, derivanti dagli elementi di lega (Cromo, Nichel, Molibdeno, Titanio e Niobio) che li costituiscono. Il cromo è, infatti, una sostanza che, legandosi con l’ossigeno, ha la prerogativa di formare una pattina protettiva sulla superficie del metallo ritardando il fenomeno corrosivo; il nichel rende più facile la lavorazione del materiale, il molibdeno aumenta la resistenza a corrosione ad alte temperature ed il titanio e il niobio allungano i tempi di precipitazione dei carburi di cromo rallentando sempre la corrosione.

La composizione dei materiali, rilevata sperimentalmente per confronto con la composizione nominale riportata dai costruttori, è riportata in Appendice D.

5.7.4. Descrizione dell’esperimento

I provini di acciaio sono stati immersi nei congegni contenenti i Sali fusi e lì tenuti per un determinato numero di ore a temperatura prestabilita, dopodichè sono stati estratti e analizzati.

I provini di acciaio inossidabile austenitico (AISI 316L, 321 e 347 e 321H) sono stati analizzati dopo aver trascorso a seconda dei casi nel fluido di prova 1000, 2000, 3000, 6000, 7000 e 8000 ore alle temperature di 290°C, 550°C e 590°C, mentre l’acciaio al carbonio ASTM 106B dopo gli stessi intervalli di tempo alla sola temperatura di 290°C. Ciascun provino è stato attentamente controllato e misurato prima del test: sono state ispezionate le saldature e calcolati i pesi e le superfici. Dopo la prova, sono state fatte due analisi: il decapaggio e l’esame metallografico, condotto al microscopio ottico (OM), al microscopio elettronico (SEM) e mediante spettrografia a raggi X (EDXS);

La misura dei pesi è servita per calcolare la perdita di metallo, le analisi metallografiche invece hanno consentito analizzare la struttura post-prova dei campioni e la morfologia di corrosione.

In Appendice D sono riportate le varie Test matrix delle campagne di prova condotte

5.7.5. Il decappaggio

Il decapaggio è stato fatto sugli acciai inossidabili per eliminare lo strato di ossido dalla superficie del materiale; consiste nell’immersione dei provini in due soluzioni chimiche differenti, una basica e l’altra acida. Si utilizzato la normativa americana NACE.

La soluzione basica è formata per 11% da NaOH (idrossido di sodio), per 5% da KMnO4

(permanganato di potassio) e per il restante 84% da H2O, mentre quella acida per il 20% da HNO3

(acido nitrico), per il 5% da HF (acido fluoridrico) e per il restante 75% da acqua.

I provini vengono lasciati 1h nella soluzione basica alla temperatura di 100°C e dopo un breve lavaggio in acqua distillata, messi all’interno della soluzione acida alla temperatura di 54°C, finche lo strato di ossido non si elimina (5- 10 minuti a seconda dello spessore dello strato).

5.7.6. Calcolo della perdita di metallo e dello spessore dello strato di ossido

I provini sono stati pesati prima del test, dopo l’estrazione dal fluido e dopo il processo di decapaggio.

Posto: W0: il peso del provino prima del test; W1: il peso del provino dopo il test; W2: il peso del provino dopo decapaggio; S: la superficie del provino;

la perdita di metallo (∆wmetallo) espressa in mg/cm2 è:

S

W

W

w

∆

₌

−









cm

mg

mentre lo spessore di acciaio perso (tacciaio), espresso in µm, nota la densità del metallo (ρmetallo = 7.93 g/cm3_{), è:} acciaio acciaio acciaio

ρ

w

∆

t

=

[ ]µm

Nello stesso modo si calcola il peso dell’ossido formatosi sul metallo ed eliminato dopo il decapaggio (∆wossido espresso in mg/cm2):

S

W

W

w

∆

=

−









cm

mg

E lo strato di ossido (tossido) formatosi sulla superficie, nota la densità (ρossido= 5.2 g/cm3):

ossido ossido ossido

ρ

w

∆

t

=

[ ]µm

5.7.7. Analisi morfologiche (SEM ed EPMA)

L’analisi al microscopio elettronico si è resa necessaria per analizzare la morfologia di corrosione e la struttura dello strato di ossido. Le analisi spettroscopiche, EPMA (Electron Probe Microscope Analysis) ed in particolare la spettrografia a raggi X (EDXS), hanno permesso inoltre di identificare gli elementi che compongono lo strato di ossido.

I provini, prima dell’analisi, sono stati sottoposti all’adeguata procedura di preparazione.

Sono stati infatti puliti con acqua distillata bollente, sezionati trasversalmente, inglobati in grafite conduttiva. L’inglobamento è stato fatto mediante l’apposita pressa idraulica che ha avvolto i provini con la speciale resina di grafite. A questo punto, dopo essere stati spianati mediante carte abrasive, sono stati lucidati per mezzo di appositi panni imbevuti di soluzioni diamantate. Le soluzioni in questione sono costituite da diamante industriale policristallino, disperso in soluzioni acquose o oleose e vengono utilizzate proprio per portare a specchio le superfici dei campioni evitando così i difetti superficiali.

I campioni sono stati infine attaccati chimicamente, per evidenziare la struttura metallografica. I risultati delle analisi ed alcune immagini tratte dalla analisi morfologiche sono riportate in Appendice D