D
IPARTIMENTO DI
I
NGEGNERIA
C
IVILE E
I
NDUSTRIALE
Tesi di Laurea Magistrale in:
I
NGEGNERIA
M
ECCANICA
Analisi e previsione dei ritiri di saldatura per componenti di
un Subsea Christmas Tree
CANDIDATO
:
RELATORI:
Jacopo Lapasin Zorzit
Prof. Ing. Leonardo Bertini
Prof. Ing. Marco Santochi
Dott. Ing. Lorenzo Pierucci
A te, che sei la fonte della mia determinazione: Leonardo.
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Indice
1. Introduzione ... 1
2. Impianti petroliferi Off-shore ... 3
2.1 Pozzo petrolifero Off-shore ... 3
2.1.1 Impianti di perforazione offshore ... 4
2.1.2 Impianti di produzione offshore ... 6
2.2 Subsea technology ... 9
2.3 Christmas tree ... 11
2.3.1 Descrizione del dispositivo ... 11
2.3.2 Schema a blocchi di un Subsea Tree ... 14
2.3.3 Spools ... 15
3. Tecnologie di saldatura applicate ... 20
3.1 Saldatura SMAW ... 20
3.1.1 Generalità ... 20
3.1.2 Lunghezza dell’arco ... 21
3.1.3 Trasferimento del metallo d’apporto ... 22
3.1.4 Soffio magnetico ... 22
3.1.5 Corrente continua e corrente alternata ... 22
3.1.7 Caratteristiche di impiego ... 24
3.2 Saldatura GTAW ... 25
3.2.1 Generalità ... 25
3.2.2 Alimentazione Elettrica ... 27
3.2.3 Prestazioni e campi di applicazione ... 28
3.2.4 Applicazioni Specifiche: Cladding ... 28
4. Materiali Impiegati ... 30
________________________________________________________________________________ ii 4.1.1 Austenitici ... 31 4.1.2 Duplex ... 33 4.2 Inconel ... 35 4.2.1 Generalità ... 35 4.2.2 Proprietà ... 35 4.2.3 Utilizzo ... 36 5. Ritiri di saldatura ... 37
5.1 Il problema del Fit-up ... 37
5.1.1 Le tolleranze geometriche ... 38
5.1.2 Luce e ritiro ... 39
5.2 Fenomeni Termici In Saldatura ... 40
5.2.1 Termofisica dei metalli ... 40
5.2.2. Analisi termica dei procedimenti di saldatura ... 44
5.2.3 Caratteristiche metallurgiche del giunto saldato ... 53
5.3 Genesi dei Ritiri di Saldatura ... 55
5.3.1 Riscaldamento uniforme vincolato ... 55
5.3.2 Riscaldamento disuniforme ... 58
5.3.2. Ritiro trasversale ... 60
5.3.3 Ritiro longitudinale ... 70
5.4 Origine delle tensioni residue di saldatura ... 72
5.4.1 Tensioni trasversali e longitudinali nei giunti testa a testa ... 74
5.4.2 Casi tipici di distribuzione delle tensioni... 81
5.5 Dati sperimentali ... 85
5.5.1 Talloni e apparecchiature utilizzate ... 85
5.5.2 Descrizione dell’esperienza ... 86
5.5.3 Elaborazione dati ... 89
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6. Modello termico ... 93
6.1 Descrizione del modello ... 93
6.1.1 Condizioni imposte ... 94
6.1.2 Simulazione del processo ... 101
6.2 Validazione del modello ... 110
6.2.3 Discussione del risultato ottenuto ... 112
7. Conclusioni ... 113
8. Appendici ... 115
A: Tipi di elettrodi saldatura SMAW ... 115
B: Scheda tecnica W 25 9 4 NL ... 117
C: Foglio di calcolo ritiri Superduplex ... 118
9. Indice delle figure ... 120
10. Bibliografia ... 123
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1. Introduzione
In questa tesi si analizza il fenomeno del ritiro di saldatura o shrinkage e si tenta, attraverso un modello termico semplificato, di prevedere il fenomeno. L’elaborato è stato scritto durante un tirocinio nel reparto produzione dell’azienda Nuovo Pignone GE Oil & Gas (Massa), in cui si svolgono diverse attività sui componenti1 di un dispositivo montato sulle teste dei pozzi sottomarini, chiamato in gergo tecnico Subsea Christmas Tree.
Il lavoro è nato dall’esigenza di migliorare l’operazione di assiematura dei componenti, che si realizza tramite saldature fra giunti circonferenziali testa-testa. Questa operazione è fortemente influenzata dal fenomeno del ritiro di saldatura, poiché le dimensioni dei componenti sono relativamente grandi per le tolleranze richieste da disegno.
Lo scopo della tesi è quindi la previsione del ritiro trasversale di saldatura per determinati giunti fra i componenti del Subsea Christmas Tree, in modo da ottenere gli assieme in campo di tolleranza e velocizzare anche le operazioni di assiematura.
La tesi si articola in quattro sezioni:
1. Descrizione ambito dell’applicazione
Questa parte è pensata per permettere al lettore di avere un quadro generale del settore industriale a cui appartengono i componenti su cui analizzare i ritiri, le tecnologie utilizzate e i materiali impiegati per la loro costruzione.
2. Analisi del fenomeno
In questa sezione si analizza il fenomeno del ritiro di saldatura. In un primo momento si descrive la teoria che sta a monte del processo, i tentativi passati di monitoraggio e l’andamento delle tensioni che nascono contemporaneamente in prossimità del giunto. In un secondo momento si riportano i dati sperimentali ricavati in stabilimento sui giunti degli spools, attraverso una procedura creata di proposito per la situazione.
1 Per la comprensione, si anticipa che questi componenti vengono chiamati spool e sono sostanzialmente delle
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3. Previsione
Il cardine di questa sezione è un modello termico, che simula l’andamento del ritiro trasversale. Dopo aver descritto il modello, si procede con la simulazione di un giunto, confrontando i valori sperimentali con quelli ottenuti dal modello. Infine, si cerca di validarlo, prevedendo l’andamento di un giunto di cui non sono noti i ritiri di saldatura.
4. Conclusioni
In questo capitolo si riportano i risultati e i commenti dell’esperienza.
Alla fine dell’elaborato sono presenti le appendici, l’indice delle figure, la bibliografia e la sitografia.
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2. Impianti petroliferi Off-shore
In questo capitolo si definisce il contesto del problema trattato, partendo dal generale e finendo col particolare. Dopo una breve panoramica degli impianti petroliferi offshore, si descriverà nel dettaglio il dispositivo Christmas Tree, le cui parti saranno analizzate attentamente dal punto di vista degli effetti dovuti alla saldatura.
2.1 Pozzo petrolifero Off-shore
Il termine pozzo petrolifero off-shore indica una perforazione del fondale marino, con la funzione di mettere in comunicazione gli strati in cui sono accumulati gli idrocarburi e derivati con la superficie.
Circa un quinto della produzione mondiale del petrolio proviene dal mare, e questa quota è destinata ad aumentare nei prossimi anni: la riduzione della disponibilità, l’aumento del costo degli idrocarburi e lo sviluppo di nuove tecnologie hanno portato le aziende ad investire sempre più in questo settore.
In sintesi, i passaggi principali da seguire per l’estrazione del petrolio da un pozzo off-shore sono: 1. Esplorazione;
2. Perforazione;
3. Messa in opera del pozzo; 4. Estrazione propriamente detta.
Rispetto a un impianto on-shore, i passaggi sono i medesimi, ma cambiano le modalità di esecuzione e le tecnologie utilizzate. Gli impianti petroliferi off-shore, adoperati per effettuare l’estrazione si differenziano in:
Impianti di perforazione;
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2.1.1 Impianti di perforazione offshore
Gli impianti di perforazioni sono concepiti per i primi due passaggi principali dell’estrazione del petrolio. In generale, nonostante la loro grandezza, hanno dimensioni inferiori agli impianti di produzione e, soprattutto, alcuni di essi sono in grado di muoversi in modo autonomo2 Esistono diverse tipologie di impianti di perforazione offshore che si distinguono principalmente per la profondità di utilizzo e il metodo di ancoraggio (se è presente) col fondale, in gergo tecnico questi impianti di perforazione vengono chiamati MODUs3.
2.1.1.1 Jack up
Un jack-up è un impianto di perforazione mobile, dotato di una torre di perforazione su uno scafo auto-sollevante grazie a delle apposite gambe a traliccio, fissate sul fondale. Può operare fino a profondità di 100 metri circa. Non essendo dotato di eliche o motori, deve essere trainato da rimorchiatori o trasportato su chiatte per poter essere posizionato sulla postazione di perforazione. Raggiunta la postazione, le gambe del jack-up si appoggiano e affondano sul fondale marino, mentre lo scafo resta sollevato fino a un livello superiore alla massima altezza prevista per le maree e per le onde marine nell’area. Nella figura seguente si riporta la foto di un Jack up installato.
Figura 1: Jack up Rig.
2.1.1.2 Semisubmersible drilling platform
Gli impianti semisommergibili sono utilizzati in acqua profonde oltre i 150 metri. Un impianto semisommergibile, visibile in Figura 2, galleggia tramite uno scafo costituito da zavorrati e pontoni stagni sotto la superficie dell’oceano. Il ponte operativo può essere situato sopra il livello del mare così da stare lontano dalle onde, delle colonne strutturali collegano gli zavorrati con il ponte. Il
2 Proprio per questo motivo sono considerati dei natanti. 3 Acronimo di Mobile offshore drilling units.
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livello d’immersione dell’impianto è controllato da un sofisticato sistema computerizzato di zavorramento che permette di trasferire automaticamente la zavorra da un cassone all’altro, mantenendo così la piattaforma livellata e stabile.
Figura 2: Semisubmersible rig platform.
Al centro della piattaforma è presente una apertura, in gergo moon pool, che consente il collegamento, tramite il tubo conduttore marino o riser, tra la piattaforma e il pozzo sottomarino. Questi impianti possono anche essere usati come impianti di produzione.
2.1.1.3 Drilling ships
Le navi di perforazione o drilling ships vengono utilizzate per la perforazione di pozzi in acque profonde e molto profonde (dai 500 fino ai 3000 metri). Sulla nave sono montate una o due torri di perforazione, nella figura successiva si riporta una drillingship con una torre.
Figura 3: Drillingship con una torre di perforazione.
Al centro della nave si ha, come le piattaforme semisommergibili, il moon pool. Le navi di perforazione raggiungono delle dimensioni notevoli, dovendo garantire all’equipaggio presente (marittimo e tecnico per la perforazione) un soggiorno sicuro e confortevole per lunghi periodi di
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tempo, anche quando le condizioni climatiche non consentono il trasporto di materiali, viveri e personale via mare o aerea. In Figura 4 si riportano i tre tipi di perforazione offshore.
Figura 4: Confronto tra i tre sistemi di perforazione offshore.
2.1.2 Impianti di produzione offshore
Gli impianti di produzione sono installazioni decisamente imponenti. Essi sono ancorati al fondale marino con sistemi di notevoli dimensioni, permettendo di estrarre gli idrocarburi praticamente in ogni condizione climatica. Diversamente dagli impianti di perforazione quindi non possono essere spostati agevolmente.
Gli impianti di produzione offshore si possono suddividere in:
Sistemi di produzione a struttura fissa;
Sistemi di produzione a struttura galleggiante.
Alcuni di questi impianti sono polivalenti e possono compiere anche le operazioni di perforazione del pozzo. Nelle prossime sezioni si elencano i sistemi di produzione, con profondità crescente di utilizzo.
2.1.2.1 Sistemi di produzione a struttura fissa
Fixed Platform
Le piattaforme fisse si utilizzano fino a una profondità di 400 metri circa. Questa tipologia di piattaforma è molto stabile ed è in grado di resistere alle peggiori condizioni del mare. Generalmente sono costituite da una struttura metallica fissata con pali d’acciaio sul fondale e
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sormontata dal ponte sul quale sono installati l’impianto di perforazione e il necessario per la fase di produzione. Questi impianti sono ideali per lo sviluppo sia di campi di piccole dimensioni sia di giacimenti più grandi: da un’unica piattaforma è, infatti, possibile perforare decine di pozzi posti verticalmente e direzionati (più o meno angolati rispetto alla verticale) a distanza e direzioni diverse l’uno dall’altro. Le piattaforme fisse non sono dotate di un’area per lo stoccaggio degli idrocarburi prodotti, che devono dunque essere trasportati a terra tramite condotte sottomarine.
Gravity Based Structure (GBS)
In acque con una profondità compresa tra i 300-350 metri si utilizzano le piattaforme a gravità o GBS. Queste grandi piattaforme, realizzate in cemento armato o acciaio, utilizzano la forza di gravità per mantenersi stabili senza che sia necessaria una palificazione nel fondale marino. Alcune di queste strutture, oltre alle operazioni di perforazione e produzione, sono in grado di seguire direttamente la fase di stoccaggio in attesa del trasporto degli idrocarburi con navi petroliere. Le piattaforme a gravità sono indicate per lo sviluppo di giacimenti di notevole capacità produttiva. Compliant Tower
La Compliant Tower è una piattaforma adottata per profondità comprese tra i 300 e 900 metri, agganciata sul fondale con una struttura tubolare in acciaio. Questa piattaforma, dotata di una struttura molto articolata e complessi sistemi di stabilizzazione, è in grado di resistere alle forti sollecitazioni dovute al moto ondoso e alle correnti marine.
Tension Leg Platform (TLP)
Le Tension Leg Platforms sono sistemi utilizzabili fino a profondità di 1500 m, sono costituite da una struttura galleggiante simile alle piattaforme semisommergibili, ma mantenute in posizione da un sistema di cavi in tensione collegati col fondale.
2.1.2.2 Sistemi di produzione a struttura galleggiante
In acque molto profonde, tra i 1.500–3.000 metri, si utilizzano piattaforme galleggianti a causa dell’impossibilità di fissare le piattaforme al fondale marino.
Spar
Le piattaforme Spar sono tra le più grandi attualmente in uso. Sono costituite da una struttura a cilindro galleggiante e semisommersa, al cui interno è collocato lo stoccaggio degli idrocarburi. Su questa struttura galleggiante viene posizionata una piattaforma tradizionale con tutte le attrezzature per la perforazione e la produzione.
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Floating Production System (FPS)
I sistemi FPS consistono in un impianto semisommergibile o in una nave semisommergibile mantenuti in posizione tramite cavi o catene, ancorate al fondale marino e collegati ai pozzi sottomarini. Ci sono diversi tipi di questi impianti a seconda delle loro funzioni.
Gli impianti Floating Production Storage and Offload System (FPSO) sono progettati per riceve gli idrocarburi da piattaforme vicine o sistemi subsea, processarli e stoccarli fino allo scarico in una petroliera o, meno frequentemente, trasportati attraverso oleodotti. Gli impianti Floating Storage and Offload System (FSO) sono navi utilizzate solamente per stoccare il petrolio (senza processarlo). In generale questa categoria di impianti viene utilizzata per elevate profondità.
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2.2 Subsea technology
Nell’industria Oil & Gas il termine Subsea si riferisce ai sistemi per l’esplorazione, messa in opera ed estrazione di petrolio e gas sui fondali marini. Si tratta di dispositivi che si trovano al di sopra e in prossimità dei pozzi offshore (Figura 6).
Figura 6: Sistema subsea con i suoi elementi principali. Come si nota dalla Figura 6, gli elementi principali di un sistema subsea sono:
1. Wellheads o Teste del pozzo; 2. Trees o Alberi;
3. Manifold o Collettore principale; 4. Pipeline o oleodotto;
5. Controls Flying Leads, fili di connessione; 6. Well flowline Jumpers o tubazioni del pozzo.
La tecnologia subsea può essere utilizzata sia per basse che per elevate profondità, ma risulta tipica per fondali elevati. Infatti le condizioni di acque profonde, o anche ultra profonde, possono dettare di per sé lo sfruttamento di un giacimento attraverso mezzi subsea, visto che l’utilizzo di impianti di superficie tradizionali (come una piattaforma) potrebbe risultare sia tecnicamente che economicamente impossibile.
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I sistemi subsea non hanno dispositivi di perforazione: la loro funzione è di estrarre e trasportare il petrolio. Essi possono essere collegati a:
Una piattaforma di produzione on-shore;
Una piattaforma di produzione offshore fissa o mobile;
Una nave di stoccaggio o chiatta del tipo FPS o varianti.
Gli impianti in questione possono essere usati per sfruttare riserve (o parti di riserve) che richiedono la perforazioni di pozzi da più di una posizione.
La tecnologia subsea nell’industria Oil & Gas è un campo di applicazione altamente specializzato, con particolari richieste di progettazione, simulazione ed equipaggiamenti. Si pensi che la maggior parte dei nuovi giacimenti di petrolio è localizzata negli abissi oceanici e questo ambiente pone severi requisiti per la verifica dei componenti. Come equipaggiamenti, si richiedono navi specializzate e costose, munite di attrezzatura subacquea robotizzata per raggiungere i fondali. Segue che i sistemi subsea sono impianti che necessitano investimenti dispendiosi in termini di costo e di tempo. Il costo della progettazione è dovuto anche al fatto che sono sistemi pensati per funzionare molto anni con quasi, se non la totale, assenza di manutenzione. Ciò nonostante, qualsiasi esigenza di riparazione o intervento non previsto con attrezzatura subsea porta a lievitare fortemente l’onere economico.
Aspetto non meno importante è che i sistemi devono essere abbastanza affidabili da salvaguardare l’ambiente, in quanto un piccolo difetto di produzione o altro porterebbe a un vero e proprio disastro dell’ecosistema. Si rammenta lo sversamento della piattaforma Deepwater Horizon avvenuto nell’anno 2010, in cui uno sversamento a 1500 metri di profondità ha generato un danno che risulta impossibile calcolare.
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2.3 Christmas tree
Nel campo dell’estrazione del petrolio e del gas naturale, un Albero di natale o Albero (in gergo christmas tree) è un insieme di valvole, tubazioni e accessori utilizzati per un pozzo petrolifero o di gas, pozzi a iniezione e altri tipi. È stato nominato in questo modo a causa della sua esplicita somiglianza al famoso albero celebrativo.
2.3.1 Descrizione del dispositivo
I christmas tree sono usati sia su terraferma che per pozzi subsea, rispettivamente vengono chiamati subsea tree e surface tree. In questa trattazione si pone attenzione sui subsea tree.
La più profonda installazione di un christmas tree subsea attuale è nel golfo del Messico approssimativamente a 2700 metri. I limiti tecnici attuali si aggirano sui 3000 metri e a temperature di lavoro da -45 a 180 gradi e una pressione di 100 MPa.
La funzione primaria di un albero è il controllo del flusso, in genere di petrolio o gas, all’uscita dal pozzo, ma potrebbe anche essere usato per controllare l’iniezione di gas o di acqua dentro un pozzo non di produzione per aumentare rateo di produzione di petrolio da altri pozzi. Quando il pozzo e gli impianti sono pronti per produrre e ricevere il petrolio, si aprono delle valvole del dispositivo e ai fluidi formati gli è permesso di passare attraverso una condotta. Questa porta a un impianto di processo, di stoccaggio e/o altre condotte che eventualmente portano a una raffineria o un centro di distribuzione (per gas). Precisamente, le condotte possono portare il fluido estratto dai pozzi sottomarini a:
Una piattaforma di produzione on-shore, oppure offshore sia fissa che mobile;
Un sistema Floating Production FPS.
Un albero spesso fornisce numerose funzioni addizionali, incluso i punti di iniezione chimica, mezzi di intervento per il pozzo, sistemi di limitazione di pressione e punti di monitoraggio. Sui pozzi di produzione, sostanze chimiche, alcol o distillati di petrolio possono essere iniettati per evitare i problemi di produzione.
La complessità dell’albero è aumentata negli ultimi decenni. Essi vengono per la maggior parte prodotti da blocchi di acciaio saldati, piuttosto che essere assemblati da componenti flangiati. Questo è particolarmente vero nelle applicazioni subsea, dove le somiglianze con l’albero di natale non esistono più; in Figura 7 si riporta un Subsea Christmas Tree.
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Figura 7: Esempio di un Subsea Tree.
Si noti che un albero e la testa di un pozzo sono dispositivi differenti e non devono essere confusi come lo stesso pezzo. La testa di un pozzo è un componente posto sulla sommità di un pozzo, fornisce l’interfaccia strutturale e permette il contenimento della pressione. L’albero di natale è installato sulla parte superiore della testa del pozzo e può essere montato una volta completate le operazioni di perforazione.
I subsea tree, rispetto ai surface tree, sono disponibili in molte più configurazioni e contengono molte più valvole e accessori. Gli alberi subsea possono variare in dimensione e peso da poche tonnellate ad approssimativamente 70 tonnellate per applicazioni deepwater di alta pressione. Nella figura seguente è rappresentato un altro Christmas tree.
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2.3.2 Schema a blocchi di un Subsea Tree
Lo schema a blocchi di un Subsea Tree è raffigurato in Figura 9, si nota nella parte inferiore anche il collegamento con la testa del pozzo.
Figura 9: Schema a blocchi di un Subsea Tree sulla testa del pozzo Gli organi principali dell’assieme in esame possono essere suddivisi in:
1. Carpenteria metallica, telaio della struttura; 2. Organi attivi;
3. Spools;
4. Attrezzature ausiliarie.
Gli organi attivi a sua volta si possono scindere in:
Choke valve, valvola per il controllo e regolazione del flusso;
Shut valve, valvola di apertura o chiusura del flusso;
Reinjection point, punto di iniezione o reignezione di sostanze chimiche;
Clamp, morsa di attacco;
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Le attrezzature ausiliarie sono normalmente:
Sistema di protezione galvanica;
Cablaggi, collegamenti con l’ambiente esterno;
Attuazione idraulica;
Sistema di bilanciamento spinta di Archimede (Floating);
Coibentazione;
Sensori per la raccolta dati quali pressione, flusso, temperatura. Gli Spools sono suddivisi in:
Flanges; Hubs; Straight pipes; Bend pipes; Blocks. 2.3.3 Spools
Come già anticipato nella Introduzione, gli spools sono gli elementi che verranno studiati attentamente in questo elaborato. Nei prossimi punti si analizzano questi elementi presi singolarmente, per una maggiore comprensione dei tipi di materiali utilizzati e il processo di claddatura si rimanda rispettivamente al capitolo 4 e al paragrafo 3.2.4.
2.3.3.1 Straight & Bend Pipe
Gli straights e i Bends sono tratti di tubazione rispettivamente dritti e curvi, sono i componenti più semplici dal punto di vista geometrico. La Figura 10 mostra una curva a 45° di un tubo di diametro 240 mm, spessore 33 mm e materiale acciaio al carbonio con claddatura di Inconel.
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Figura 10: Bend Pipe per un Christmas Subsea.
Il ciclo di produzione è identico per entrambi gli items: essi partono da un tubo dritto di lunghezza 4000 mm e, dopo la claddatura, i bends subiscono la corretta curvatura tramite forgiatura a caldo. Si riportano i passi seguiti dal ciclo di produzione delle curve:
1. Taglio a misura; 2. Claddatura;
3. Controllo dimensionale e ultrasuoni nell’interfaccia fra Inconel e materiale di base; 4. Curvatura tramite forgiatura a caldo;
5. Controlli NDT: liquidi penetranti e ultrasuoni nell’interfaccia; 6. Trattamenti termici: tempra e rinvenimento;
7. Controllo dimensionale, compreso lo spessore;
8. Controlli NDT e NDE: liquidi penetranti, ultrasuoni, esaminazione di particelle magnetiche e durezza superficiale;
9. Smussatura delle estremità; 10. Marcatura low stress;
11. Saldatura di testa con altri componenti.
A questo punto, è possibile procedere con la saldatura del pezzo con gli altri componenti del Christmas Tree.
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2.3.3.2 Flange & Hubs
Le flange e gli hubs sono componenti simili tra di loro con la differenza sostanziale del sistema di tenuta con gli altri componenti. Le flange hanno fori per il collegamento bullonato e la sede del ring joint, come si vede dalla Figura 11.
Figura 11: Esempio di flangia per un subsea tree.
Gli hubs possono essere con o senza il ring joint, ma il sistema di tenuta si ha tramite il Grayloc (vedasi Figura 12). Esso è costituito da un anello metallico interposto tra gli hubs e una morsa, che può essere comandata in remoto, di conseguenza gli hubs possono essere aperti o chiusi anche dopo la messa in opera.
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Inoltre, sempre a causa del sistema di collegamento differente, cambiano anche i materiali rispetto alle flange. Entrambi i componenti vengono lavorati da un blocco grezzo con macchine a controllo numerico. In Figura 13 si riporta un esempio di hub per un subsea tree.
Figura 13: Esempio di hub per un subsea tree.
A seconda del materiale, sia le flange che gli hubs presentano claddatura interna, sulla cava del ring joint e sulle superfici di accoppiamento.
2.3.3.3 Blocks
I blocchi sono dei sistemi di collegamento per tubazioni perpendicolari tra loro e saldate su di essi, possono essere a due o a tre vie, nella figura seguente si riporta un blocco a due vie senza claddatura.
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Figura 14: Esempio di blocco per un subsea tree.
Per questi componenti, oltre all’elevato numero di ore di lavorazione, si aggiunge il problema della completa claddatura interna: è sempre necessario procedere manualmente con il riporto del
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3. Tecnologie di saldatura applicate
Tenuto conto dell’argomento principale di questo elaborato, di seguito si analizzano le tecnologie di saldatura utilizzate per l’unione dei giunti e la claddatura degli spools.
Vi sono due principali tecnologie di saldatura che vengono impiegate per unire i giunti dei sottocomponenti del Subsea Tree:
Saldatura SMAW
Saldatura GTAW
La saldatura GTAW viene anche utilizzata per il Cladding degli spools (vedasi 3.2.4).
3.1 Saldatura SMAW 3.1.1 Generalità
La saldatura SMAW4, detta anche saldatura ad arco elettrico con elettrodo rivestito, è il procedimento di saldatura manuale più diffuso. Il calore necessario alla fusione del materiale base è ricavato da un arco elettrico che scocca tra un elettrodo fusibile metallico, coperto da un opportuno rivestimento, e il metallo base. L’operatore impugna una pinza porta elettrodo, con la quale dirige e guida l’arco, collegata a uno dei due poli di una macchina elettrica; un morsetto di massa collegato all’altro polo della stessa macchina chiude il circuito elettrico. L’arco si innesca toccando il metallo base con la punta dell’elettrodo e subito ritirandolo a una distanza di qualche millimetro. Al momento del contatto scorre nel circuito una corrente di intensità elevata detta di corto circuito che surriscalda sia l’elettrodo sia il metallo base, provocando anche una forte ionizzazione dell’aria circostante e innescando l’arco elettrico.
L’arco elettrico è generato dal passaggio di elettroni dal polo negativo al quello positivo e l’energia ad esso associata si trasforma in calore e in onde elettromagnetiche di varia frequenza. Il normale bilancio termico dell’arco prevede che circa i 2/3 del calore sviluppato si localizzino al polo positivo per effetto del bombardamento elettronico, con temperature massime dell’ordine di 6000-7000 °C. Elettrodi di maggior diametro richiedono maggiori quantità di calore per fondere e quindi correnti più elevate (dell’ordine di centinaia di Ampere). Gli elettrodi impiegati in questo procedimento di saldatura hanno un anima metallica di materiale chimicamente e
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metallurgicamente simile a quello base e un rivestimento che sviluppa gas, tra cui idrogeno e anidride carbonica, che proteggono l’arco e il cratere di fusione sul metallo base dal contatto con l’atmosfera, ed entro certi limiti dall’ossidazione. Inoltre i composti chimici presenti nel rivestimento reagiscono con eventuali impurezze presenti nel metallo base, trasformandole in scoria fluida che solidificando ricopre il giunto di saldatura appena solidificato proteggendolo, entro certi limiti, dall’ossidazione e da un troppo rapido raffreddamento. Il rivestimento può anche avere altre funzioni:
Sviluppo di gas ionizzanti che stabilizzano l’arco nel caso si usi la corrente alternata;
Immissione, nel bagno di fusione del cratere, di elementi con funzione desolforante, defosforante o comunque migliorativa delle caratteristiche metallurgiche del giunto;
Influenza sulle proprietà fisiche della scoria, quindi sulle caratteristiche di impiego (posizione della saldatura) e sulla forma finale del giunto.
Il rivestimento fonde a una temperatura maggiore dell’anima metallica, cosicché esso si estende leggermente oltre l’anima, concentrando e dirigendo l’arco nella zona interessata. I principali tipi di rivestimento dell’elettrodo sono riportati in appendice A.
Per assicurare una buona penetrazione della saldatura, è necessario preparare i due pezzi di metallo base da saldare. Ci sono diversi tipi di preparazione dei giunti e questo dipende da:
Posizione di saldatura
Spessore delle lamiere e tipo di giunto
Tipo di metallo base
Penetrazione richiesta della saldatura
3.1.2 Lunghezza dell’arco
Un arco lungo comporta un aumento di tensione ai suoi capi, un aumento di resistenza elettrica e diminuzione della corrente; se la lunghezza supera i 7-8 mm, l’arco è difficile da controllare, la dispersione di calore è notevole e la penetrazione della saldatura scarsa; inoltre, vista la minor azione protettiva dei gas, è più probabile l’assorbimento di ossigeno e azoto da parte del metallo base.
Al diminuire della lunghezza dell’arco diminuisce la tensione ai suoi capi, diminuisce la resistenza elettrica e aumenta la corrente; se la lunghezza è inferiore a 3 mm, si ha un surriscaldamento
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eccessivo del pezzo con possibile incollamento dell’elettrodo e spegnimento dell’arco stesso. Si intuisce come il processo sia altamente influenzato dalla mano dell’operatore.
3.1.3 Trasferimento del metallo d’apporto
Il calore generato dall’arco provoca la fusione sia del metallo base sia del metallo d’apporto (anima dell’elettrodo), il quale viene trasferito sul metallo base passando attraverso l’arco sia in corrente continua che alternata e indipendentemente dalla posizione di saldatura. Le forze che provocano questo passaggio sono:
1. Peso proprio
2. Forze elettromagnetiche
3. Azione dei gas che si sviluppano dal rivestimento 4. Forze magnetodinamiche.
Il trasferimento di metallo avviene sotto forma di gocce le cui dimensioni variano in funzione della corrente di saldatura e del tipo di rivestimento. Questo tipo di trasferimento, detto drop transfer, avviene a una frequenza di circa 10-40 gocce al secondo, provocando notevoli perturbazioni al regime elettrico dell’arco che tende a divenire instabile. Di conseguenza le caratteristiche dinamiche delle macchine elettriche devono essere ottime, ovvero bassa inerzia elettromagnetica.
3.1.4 Soffio magnetico
La corrente di saldatura genera un campo magnetico in cui si trova immerso l’arco elettrico che, come tutti i conduttori, è soggetto a forze elettromagnetiche che tendono a deviarlo dalla posizione originaria. Questo effetto, detto soffio magnetico, si manifesta soprattutto nel caso di corrente continua e comporta serpeggiamenti dell’arco. Inoltre, il giunto può divenire irregolare anche a causa di frequenti spruzzi di metallo. Il soffio magnetico può essere limitato mantenendo l’arco il più corto possibile, variando la posizione del morsetto di massa o l’inclinazione dell’elettrodo.
3.1.5 Corrente continua e corrente alternata
La saldatura in esame può essere effettuata sia in corrente continua che in corrente alternata.
Corrente continua. La corrente continua permette una deposizione più dolce del metallo d’apporto e un arco più stabile, buona azione bagnante del metallo fuso e quindi un giunto uniforme anche con basse correnti. Per questo motivo è adatta per spessori sottili e preferibile per saldature in posizione verticale e sopra-testa. La polarità diretta (elettrodo
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negativo) produce una maggiore penetrazione, quella inversa presenta una maggior deposizione oraria. Il soffio magnetico è maggiore in CC.
Corrente alternata. Vi sono due vantaggi utilizzando la corrente alternata: minor costo delle macchine e minore effetto del soffio magnetico sull’arco. Grazie a quest’ultimo si possono usare correnti maggiori e diametri di elettrodo maggiori, così da avere una elevata deposizione oraria.
Le macchine usate per saldare in corrente alternata sono sostanzialmente dei trasformatori. Le macchine per la saldatura in CC possono essere di tipo statico e di tipo rotante: le prime sono costituite da trasformatori e da raddrizzatori utilizzanti diodi al silicio, quelle di tipo rotante presentano speciali dinamo trascinate in rotazione da motori asincroni trifase o endotermici.
La Figura 15 riporta l’andamento della caratteristica esterna di una macchina saldatrice. La tensione a vuoto deve essere sufficiente per far scoccare l’arco ma non troppo alta per la sicurezza dell’operatore; la corrente di corto circuito deve avere un compromesso tra necessità di accensione dell’arco e danneggiamento degli impianti elettrici.
La famiglia di curve nella Figura 15 corrisponde a varie regolazioni della macchina e rappresenta la possibilità di variare i parametri di saldatura.
Figura 15: Andamento qualitativo della caratteristica esterna di una macchina saldatrice.
La notevole pendenza della curva di queste macchine limita le indesiderate variazioni di corrente causate dalle variazioni di lunghezza dell’arco, legate ai movimenti della mano dell’operatore. L’arco elettrico non segue la legge di Ohm, ma presenta una prima parte discendente poi seguita da un tratto crescente, in Figura 16 è riportato solo il tratto crescente. La caratteristica elettrica dell’arco dipende dalla sua lunghezza, come evidenziato nella Figura 16.
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Figura 16: Caratteristiche elettriche dell'arco, L0>L1.
3.1.7 Caratteristiche di impiego
La saldatura ad arco con elettrodo rivestito è un processo molto diffuso, particolarmente per realizzare giunti di limitate dimensioni, nelle operazioni di manutenzione e riparazione, per costruzioni sul campo e di pochi prototipi. L’attrezzatura è relativamente semplice, economica e portatile. La posizione di saldatura non è limitata dal processo, ma dal tipo di elettrodo usato ed è possibile saldare anche in punti difficilmente accessibili. Rispetto alla saldatura con cannello ossiacetilenico ha una velocità maggiore e un costo minore; inoltre è possibile saldare tra loro parti con spessore diverso, grazie alla notevole concentrazione di calore prodotta dall’arco, quindi con minori pericoli di deformazione dei pezzi durante la fase di ritiro. Il metodo di saldatura è utilizzato principalmente per acciai al carbonio basso legati e inossidabili. Non viene normalmente usato nel caso di leghe a basso punto di fusione (a base di stagno, piombo e zinco) dato l’intenso calore generato dall’arco e nel caso di leghe reattive come quelle di alluminio, titanio e zirconio, in quanto troppo sensibili alla contaminazione da parte dell’ossigeno, verso la quale il rivestimento dell’elettrodo non ha caratteristiche di protezione adeguate. Questo metodo di saldatura non è adatto per spessori troppo sottili (minori di circa 2-3 mm) in quanto la corrente di saldatura non può essere abbassata oltre il limite di stabilità dell’arco e quindi è difficile saldare senza provocare fori nello spessore. Inoltre occorre ricordare che i valori di deposizione oraria e di penetrazione ottenibili non rendono questo metodo economicamente competitivo con altri processi all’arco nel caso di grossi spessori e/o di notevoli lunghezze di giunto. L’elettrodo ha una lunghezza limitata, il che provoca un’interruzione del processo quando deve essere sostituito. Un altro fatto che limita la produttività del processo è la necessità di togliere la scoria tra una passata e un’altra.
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3.2 Saldatura GTAW 3.2.1 Generalità
Il processo di saldatura GTAW5 fa parte dei metodi di saldatura ad arco elettrico in atmosfera inerte,
esso viene anche chiamato TIG (Tungsten Inert Gas). L’arco elettrico scocca fra il metallo base e un elettrodo di tungsteno o una sua lega, il quale non prende parte al processo di fusione a causa della sua elevata temperatura di fusione. Il metallo d’apporto, presente se lo spessore delle parti da saldare è superiore a 1 mm, viene immesso nella zona dell’arco elettrico sotto forma di bacchette se si opera manualmente, sotto forma di filo se si opera con sistema automatico. Tutta la zona di saldatura comprendente l’arco, l’elettrodo, il metallo base fuso e il metallo d’apporto si trova immersa in un ambiente inerte, costituito da gas argon, o elio o miscugli dei due: questo fatto impedisce l’ossidazione del giunto saldato da parte dell’atmosfera e permette così la saldatura anche di materiali molto reattivi. La Figura 17 mostra l’attrezzatura necessaria per questo procedimento. L’elettrodo di tungsteno è contenuto dentro una pistola portaelettrodo e sporge nella parte centrale di un ugello dal quale fuoriesce il gas protettivo.
Figura 17: Attrezzatura per saldatura TIG
La pistola è collegata alla macchina elettrica (che può essere continua o alternata) con una guaina contenente il cavo elettrico di collegamento dell’elettrodo, il tubo di adduzione del gas protettivo proveniente da una bombola e anche i tubi per la circolazione del liquido di raffreddamento.
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L’arco elettrico è prodotto dal passaggio di corrente elettrica attraverso il gas ionizzato: ne risulta che l’arco è attraversato da ioni positivi che si muovono verso il polo negativo e da elettroni che si muovono in senso opposto. Se l’elettrodo corrisponde al polo negativo (polarità diretta), il bombardamento ionico dell’elettrodo ne aumenta la temperatura e contribuisce all’emissione di elettrodi con tensioni e correnti d’arco particolarmente basse, vantaggio nella saldatura di spessori sottili. Il modo migliore per accendere l’arco è quello che prevede l’impiego di una scintilla pilota, provocata da una elevata tensione e frequenza, che scocca tra elettrodo e pezzo quando essi si trovano a distanza ravvicinata. La scintilla provoca la ionizzazione del gas protettivo e l’accensione dell’arco. Tale alta tensione viene eliminata automaticamente alcuni secondi dopo l’accensione dell’arco, se si salda in corrente continua, mentre viene mantenuta sovrapposta alla corrente di saldatura nel caso di corrente alternata, in modo da stabilizzare l’arco, vedasi paragrafo 3.2.2. Durante lo spegnimento la corrente di saldatura diminuisce gradualmente fino al collasso dell’arco, mentre il gas inerte continua a fuoriuscire anche per qualche secondo dopo fino alla completa solidificazione del giunto. Il materiale dell’elettrodo come anticipato può essere tungsteno o sua lega, in particolare: tungsteno puro, tungsteno con zirconio o tungsteno con torio.
Tungsteno puro al 99,5%, il più economico. Utilizzato per saldature non critiche, a causa della bassa densità di corrente sopportabile e della sensibilità alla contaminazione da parte degli spruzzi di metallo fuso.
Tungsteno con torio al 1-2%. Presenta una maggiore emissività a parità di temperatura, quindi può saldare con correnti più basse, maggiore durata e resistenza alla contaminazione, l’arco è stabile e facilmente innescabile.
Tungsteno con zirconio 0,15-0,4%. Caratteristiche intermedie fra i due, preferibili in corrente alternata.
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3.2.2 Alimentazione Elettrica
La scelta fra corrente continua e alternata dipende dal tipo di materiale da saldare, la Tabella 1 fornisce alcune indicazioni su questo argomento.
Materiale Corrente Polarità
Acciai dolci CC Diretta
Acciai inox CC o CA Diretta
Leghe di alluminio CA
Leghe di magnesio CA
Leghe di nickel CC Diretta
Ottone CA
Rame CC Diretta
Tabella 1: Corrente per materiale da saldare
3.2.2.1 Corrente continua in polarità diretta
Il flusso di elettroni è diretto verso il metallo base, il bilancio termico dell’arco comporta circa il 70% del calore sviluppato sul metallo base. L’arco è ben concentrato e la penetrazione raggiunge il massimo valore. Dato che l’elettrodo non è sottoposto a elevati aumenti di temperatura, si possono avere valori di densità di corrente sopportabili pari a circa 60 A/mm2.
3.2.2.2 Corrente continua in polarità inversa
In questo caso il flusso di elettroni è verso l’elettrodo il quale raccoglie circa il 70% del calore emesso: segue un suo elevato riscaldamento che costringe a usare elettrodi di grosso diametro per dissipare meglio il calore e pone limitazioni alla massima densità di corrente ottenibile (5 A/mm2) e alla penetrazione. In aggiunta l’emissione di elettroni da parte del metallo base crea un arco poco concentrato. L’unico vantaggio di questo tipo di alimentazione è la distribuzione dello strato di ossidi che si formano per saldature di leghe di magnesio e alluminio grazie al bombardamento degli ioni positivi. Comunque questo tipo di alimentazione viene usata raramente.
3.2.2.3 Corrente alternata
Situazione intermedia tra le due precedenti. Il bilancio termico dell’arco comporta il 50% di calore sull’elettrodo e il 50% circa sul metallo base. La penetrazione e la concentrazione dell'arco, così come la massima densità di corrente sopportabile dall’elettrodo (circa 30 A/mm2), sono intermedie.
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La distribuzione dello strato di ossido si ha nel semiciclo in cui l’elettrodo è positivo. La corrente alternata presenta dei problemi di instabilità dell’arco, poiché il tungsteno e il metallo base hanno potere emissivo diverso e ciò comporta una corrente alternata sbilanciata tra un semiciclo e l’altro, con gravi conseguenze sulla stabilità dell’arco. Le condizioni migliorano se si sovrappone alla corrente di saldatura una corrente con bassa intensità ma con elevate tensione e frequenza, ovvero quella utilizzata per generare la scintilla pilota per l’accensione dell’arco.
3.2.3 Prestazioni e campi di applicazione
La saldatura TIG è un metodo molto efficacie che permette di ottenere saldature di elevata qualità su quasi tutti i materiali metallici, fatta eccezione quelli con bassa temperatura di fusione. Precisamente è molto adatta per leghe di alluminio, magnesio e materiali attivi quali titanio e zirconio. Particolarmente adatta per spessori sottili, visto che la forte emissività dell’elettrodo di tungsteno permette di mantenere archi stabili con correnti basse. Non è un sistema economicamente conveniente per spessori medi e grossi, infatti il processo TIG è una saldatura costosa, sia per il costo di macchine e attrezzature, sia per quello dell’elettrodo di tungsteno e, soprattutto, per quello dei gas utilizzati (argon o elio). Per questo motivo il metodo TIG viene generalmente riservato a materiali più pregiati e/o agli spessori più sottili. Inoltre, è possibile che il tungsteno dell’elettrodo contamini il metallo base, formando delle inclusioni dure e fragili.
3.2.4 Applicazioni Specifiche: Cladding
Il Cladding (o Placcatura) è un’operazione che consiste nel riportare del materiale sulla superficie di un componente attraverso un processo di saldatura. Riferendosi agli Spools, questo metodo viene attuato con delle saldatrici TIG automatiche, il cui materiale d’apporto corrisponde all’ overlay material. È un processo altamente automatizzato e monitorato con software.
In generale, le proprietà meccaniche e metallurgiche dei pezzi placcati sono determinate essenzialmente da tre fattori:
1. Diluizione;
2. Natura del metallo d’apporto; 3. Qualità del deposito.
Il compito del software è di rispettare i parametri di saldatura specificati durante l’operazione di placcatura, ad esempio i movimenti di torcia e pezzo, l’intensità di corrente di saldatura e la velocità di avanzamento del filo, solo per citarne alcuni.
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Le macchine saldatrici per i pipes sono dei torni orizzontali: un autocentrante trasmette il moto di rotazione del tubo, all’interno del quale trasla una torcia TIG; in Figura 18 si riporta una foto di una macchina orizzontale per la placcatura di tubi.
Figura 18: Tornio orizzontale per claddatura spools.
Anche la claddatura interna delle flange e degli hubs viene attuata con i torni orizzontali, mentre per quanto riguarda la cava del ring joint e le superfici di accoppiamento si utilizza un tornio verticale. In quest’ultima macchina il pezzo resta fermo e la torcia compie un moto elicoidale.
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4. Materiali Impiegati
I tipi di materiali impiegati per la costruzione degli Spools del Christmas Tree, devono essere in grado di resistere a pressioni elevate, corrosione e usura abrasiva per molto tempo. Si pensi che questi componenti:
Operano a una profondità di circa 2000 metri al di sotto del livello del mare;
Al loro interno passa acqua marina, sabbia, roccia, ghiaia e petrolio ad alta pressione e temperatura (≈150° C);
Al loro esterno è presente acqua marina in pressione e a una temperatura vicina agli zero gradi centigradi.
In aggiunta, questi componenti, una volta montati sui fondali oceanici, sono garantiti operativi per periodi che possono andare da 20 a 40 anni. Da queste informazioni si deduce che un materiale è adatto per la costruzione delle tubazioni in esame se presenta ottima resistenza alla corrosione ed erosione, e buona resistenza meccanica. La parte interna dello spool deve necessariamente essere resistente alla corrosione e all’erosione, quella esterna invece deve garantire la resistenza meccanica.
Vi sono diversi materiali che corrispondono a queste caratteristiche:
Acciai Inox
Inconel
Nei prossimi paragrafi verranno entrambi in modo approfondito. Nel caso in cui lo spessore del tubo sia elevato, nello specifico se lo spessore supera i 15 mm, non è conveniente costruire tutto lo spool con uno dei materiali precedentemente elencati a causa del loro elevato costo, ma si preferisce utilizzare acciaio al carbonio con claddatura interna di un materiale anticorrosivo.
4.1 Acciai Inox
Gli acciai inossidabili o inox sono stati inventati nei primi anni del 1900 presso le acciaierie Sheffield in Inghilterra. Si trattano di acciai ad alto tenore di cromo (superiore a un minimo del 12%) e contenenti altri importanti elementi di lega a seconda del tipo di acciaio.
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Il Cr conferisce a questi materiali una buona passibilità6.Tali acciai, infatti, contrariamente a quanto
farebbe pensare il loro nome, si ossidano facilmente a contatto con l’atmosfera, ma lo strato di ossido di Cr che li ricopre protegge il metallo sottostante dalla corrosione. Gli acciai inossidabili si dividono in vari gruppi e quelli utilizzati per la costruzione degli spools sono le sottocategorie:
Inox austenitici
Duplex
4.1.1 Austenitici
Gli austenitici rappresentano la principale sottocategoria, che ricopre circa il 70% del volume totale di acciai inox. In generale gli acciai austenitici hanno un tenore di carbonio inferiore allo 0,1%; ma esistono anche acciai inox austenitici dolci con percentuale di carbonio inferiore allo 0,03%. Il cromo può variare da un 18% a un massimo di 25%: superata questa percentuale, si può incorrere nella fase σ, fragile e poco resistente alla corrosione, vedasi Figura 19.
Figura 19: Diagramma Ferro-Cromo.
Per questa categoria di inox aumenta notevolmente il tenore di nichel, che può variare dall’ 8% al 20%. Esso viene aggiunto perché estende il campo austenitico del diagramma Fe-Cr fino alle zone capaci di garantire l’inossidabilità, vedasi Figura 20.
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Figura 20: Effetto dell'aggiunta del Nichel sul diagramma Ferro-Cromo.
Un’altra caratteristica che li contraddistingue è che sono costituiti da austenite metastabile, questo può esser spiegato osservando le curve CCT di un inox austenitico.
Si nota come la trasformazione perlitica non avvenga se non per velocità di raffreddamento molto basse, tecnologicamente irrealizzabili, mentre la grande quantità di elementi di lega sposta le temperature di inizio e fine trasformazione martensitica molto al di sotto della temperatura ambiente. La struttura non potrà che essere austenitica: non si tratta di austenite stabile, bensì metastabile, nel senso che, nonostante non sia stabile a temperatura ambiente, non riesce comunque a trasformarsi in nessun altra struttura.
4.1.1.1 Proprietà Inox austenitici
Un tipico acciaio inox austenitico utilizzato nell’industria subsea è l’AISI 316 L, avente le percentuali qui di seguito.
COMPOSIZIONE CHIMICA % INDICATIVA
C S P Si Mn Cr Ni Mo Cu
0,02 0,025 0,03 0,5 1,8 16,7 10,00 2,00 0,04
Tabella 2: Composizione chimica inox austenitico AISI 316 L.
Tutti gli accia austenitici hanno un’ottima resistenza a corrosione generalizzata, ma possono essere soggetti a corrosione localizzata. Un altro pregio di questi materiali è che non presentano la temperatura di transizione duttile fragile, tenendo una certa duttilità fino a temperature prossime
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allo zero assoluto. Il carico di rottura è piuttosto basso, dell’ordine dei 500 MPa, quello di snervamento si aggira intorno ai 300 MPa.
4.1.2 Duplex
Gli acciai austeno-ferritici, detti anche duplex, presentano una struttura mista di austenite e di ferrite. Si tratta di un acciaio al cromo ibrido: il tenore di cromo va dal 18 al 26% e quello di nichel dal 4,5 al 6,5%, quantità insufficienti per determinare una struttura microcristallina totalmente austenitica e quindi rimane in parte ferritica. Quasi tutte le sue varianti contengono fra il 2,5 e il 3% di molibdeno. È possibile suddividere i duplex in 5 gruppi:
Lean duplex, varietà che non presenta molibdeno;
Duplex standard, categoria che copre più dell’80% dell’uso degli acciai duplex;
Duplex al 25% Cr, PREN7 inferiore al 40;
Superduplex, con 25-26 % di Cr e maggiori tenori di Mo e N a confronto dei 25% Cr (PREN da 40 a 45);
Hyper duplex, acciai duplex altolegati con PREN maggiore di 45.
4.1.2.1 Proprietà Duplex
È opinione diffusa che per gli acciai inox duplex si raggiungano proprietà ottimali quando il bilanciamento delle fasi tra ferrite e austenite è compreso tra il 30% e il 70%. Tuttavia si ritiene comunemente che gli acciai inossidabili duplex abbiano indicativamente le stesse quantità di ferrite ed austenite, con una leggera prevalenza di quest’ultima per favorire la tenacità e la lavorabilità Gli acciai inossidabili duplex vantano un’elevata resistenza alla corrosione nella maggior parte di condizioni in cui sono utilizzati i gradi austenitici. Tuttavia, vi sono alcune significative eccezioni, in cui essi risultano nettamente superiori. Ciò è dovuto al loro elevato tenore di cromo, che produce effetti positivi in presenza di acidi ossidanti, così come adeguati tenori di molibdeno e di nichel garantiscono resistenza in ambienti acidi riducenti. I tenori di cromo, molibdeno e azoto relativamente alti conferiscono loro anche resistenza nei confronti della vaiolatura da cloruri e della corrosione interstiziale. La loro struttura bifasica è un vantaggio in ambienti in grado di promuovere
7 Acronimo di Pitting Resistance Equivalent Number, è l’indice di resistenza alla corrosione per gli
acciai inox che contengono il nichel, in formule:
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criccabilità da tensocorrosione. Se la microstruttura contiene almeno il 25% di ferrite, gli acciai duplex sono molto più resistenti alla criccabilità da tensocorrosione da cloruri rispetto agli austenitici quali AISI 304 o AISI 316. La ferrite, tuttavia, è sensibile all’infragilimento da idrogeno. Ne deriva che gli acciai inossidabili duplex non hanno una particolare resistenza in ambienti o applicazioni in cui l’idrogeno può diffondere nella matrice, causando l’infragilimento.
Gli acciai duplex hanno eccezionali proprietà meccaniche. Il loro carico di snervamento, a temperatura ambiente, è più che doppio rispetto a un acciaio inossidabile austenitico non legato con azoto. Ciò può consentire al progettista di ridurre gli spessori di parete in alcune applicazioni. Si veda la figura seguente per il confronto del carico di snervamento tra duplex e l’inox austenitico in funzione della temperatura.
Figura 21: Confronto carico di snervamento tra acciai duplex e inox austenitici (AISI 316 l).
Nonostante l’elevata resistenza, gli acciai duplex presentano buona duttilità e tenacità. Confrontati con gli acciai al carbonio o con gli inox ferritici, presentano una transizione duttile-fragile più graduale. Gli acciai duplex conservano una buona tenacità anche a temperature inferiori a quelle ambiente, tuttavia rispetto agli inox austenitici sono meno duttili e tenaci.
4.1.2.2 Criteri di saldatura per il duplex
Come criterio generale, il preriscaldo non è raccomandato, perché può essere dannoso e non dovrebbe essere previsto dalle procedure a meno di casi particolari. Esso può essere benefico per eliminare l’umidità dall’acciaio, in questo caso si scalda a circa 100° C.
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Gli acciai duplex sono in grado di sopportare heat input8 limitati. La solidificazione della zona fusa
di tipo bifasico è resistente alla criccabilità a caldo, molto più degli acciai inossidabili austenitici. I duplex, con maggior conduttività termica e minore coefficiente di dilatazione termica, non presentano le stesse concentrazioni di tensione locali degli inossidabili austenitici. Per questi tipi di acciai, la criccabilità a caldo non è un problema comune.
4.2 Inconel
L’Inconel appartiene alla famiglia delle superleghe a struttura austenitica a base di nichel-cromo. Il nome è un marchio registrato della Special Metals Corporation.
4.2.1 Generalità
Le leghe di Inconel sono materiali resistenti alla corrosione e all’ossidazione, progettato per ambienti estremi soggetti a pressione e calore. Una volta riscaldato, l’Inconel forma uno strato spesso di ossido, proteggendo la superficie da ulteriori attacchi. L’Inconel mantiene la resistenza in un ampio intervallo di temperatura, per questo motivo esso è adatto per applicazioni ad alta temperatura dove l’alluminio e l’acciaio sarebbero soggetti a creep. L’alta resistenza alle elevate temperature è dovuta da rafforzamento per soluzione solida o per precipitazione a seconda della lega. In indurimento per invecchiamento o precipitazione, piccole quantità di niobio si combinano con il nichel per formare composti intermetallici Ni3Nb o gamma primo 𝛾′. Gamma primo forma
piccoli cristalli cubici che inibisce gli scorrimenti e il creep in modo efficacie a elevate temperature.
4.2.2 Proprietà
Le leghe di Inconel presentano composizioni estremamente variabili, ma tutte hanno come elemento predominante il nichel, seguito dal cromo, di seguito si riportano le percentuali per i tipi di Inconel più comuni.
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Inconel Elemento (% in massa)
Ni Cr Fe Mo Nb Co Mn Cu Al Ti Si C S P B 600 72 14,0-17,0 6,0-10,0 1 0,5 0,5 0,15 0,015 617 44,2-56,0 20,0-24,0 3 8,0-10,0 10,0-15,0 0,5 0,5 0,8-1,5 0,6 0,5 0,15 0,015 0,015 0,006 625 58 20,0-23,0 5 8,0-10,0 3,15-4,15 1 0,5 0,4 0,4 0,5 0,1 0,015 0,015 690 59,5 30 9,2 0,35 0,01 0,02 0,35 0,019 0,003 718 50,0-55,0 17,0-21,0 balance 2,8-3,3 4,75-5,5 1 0,35 0,2-0,8 0,65-1,15 0,3 0,35 0,08 0,015 0,015 0,006 X-750 70 14,0-17,0 5,0-9,0 0,7-1,2 1 1 0,5 0,4-1,0 2,25-2,75 0,5 0,08 0,01
Tabella 3: Percentuali elementi di lega nell'Inconel.
Come anticipato nella prefazione, questa lega è ottima per ambienti soggetti a elevata pressione ed energia cinetica. In aggiunta a quanto scritto prima si riporta che la formazione dei gamma primo aumenta nel tempo, soprattutto dopo le tre ore di esposizione ad una sorgente di calore a 850° C, e continua a crescere dopo le 72 ore di esposizione.
La saldatura di questo materiale è difficile a causa delle cricche e la segregazione di elementi di lega nella zona termicamente alterata. Comunque, i metodi di saldatura più comuni sono la saldatura GTAW e l’electron beam welding.
4.2.3 Utilizzo
L’Inconel, oltre che nella tecnologia subsea, è un comune materiale per i componenti delle turbomacchine e in generale gli scambiatori di calore: pale, guarnizioni, alberi e recipienti solo per citarne alcuni. L’Inconel viene utilizzato anche per le parti di motori endotermici; inoltre, è presente nell’industria aerospaziale per molte applicazioni.
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5. Ritiri di saldatura
In questo capitolo si descrive inizialmente il motivo principale che ha portato ad affrontare il problema del ritiro: il fit-up. Successivamente si procede con una indagine approfondita del fenomeno del ritiro, iniziando dagli effetti termici che nascono durante la saldatura, poi dal principio fisico, le prove di previsione e la valutazione delle tensioni che si generano. Infine si espongono i dati acquisiti durante gli esperimenti realizzati.
5.1 Il problema del Fit-up
La saldatura di un giunto tra gli spools può essere suddivisa nelle seguenti operazioni: 1. Cianfrinatura delle due superfici di accoppiamento;
2. Fit-up; 3. Puntatura;
4. Preriscaldo, se previsto dalla specifica; 5. Accensione torcia e saldatura.
Il fit-up è un’operazione propedeutica alla saldatura. Essa consiste nel posizionare correttamente i due lembi che costituiscono il giunto, l’operazione viene supportata attraverso strumenti di misurazione, i quali possono essere sia quelli tradizionali (metro e filo a piombo), che livelle centesimali e puntatori laser.
Il tubo nello spazio viene vincolato con delle attrezzature specifiche: squadre, piastre di bloccaggio flange, morse e cavalletti, solo per citarne alcune. Una volta ottenute le quote desiderate, si procede con la puntatura, ovvero si saldano, tra i due lembi, dei tasselli, così da bloccare lo spostamento relativo. Nel caso in esame per un giunto testa-testa tra tubi, si puntano dei tasselli del medesimo materiale base a sezione trapezoidale (vedasi Figura 22) lungo la circonferenza identificata dal percorso del cordone di saldatura.
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Figura 22: Tassello per un giunto testa-testa.
5.1.1 Le tolleranze geometriche
Come si deduce, il posizionamento corretto dei pezzi da saldare è una operazione di per sé complicata e durevole. Inoltre, gli spools in esame hanno tolleranze sia dimensionali che geometriche molto ristrette, considerando le loro dimensioni. Si veda come esempio l’assieme rappresentato in Figura 23.
Figura 23: Assieme in esame con le tolleranze geometriche (dimensioni in pollici). I componenti dell’assieme sono:
Due flange, poste alle estremità dello spool;
Tre tratti dritti;
Due curve a 90°;
Un blocco.
La flangia in basso presenta una tolleranza di localizzazione sul suo asse: questo deve stare all’interno di un cilindro avente diametro di 1,52 mm nella posizione teorica esatta. Inoltre, la
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superficie della flangia 2 deve essere compresa tra due piani paralleli all’asse B e distanti 0,762 mm fra di loro.
Queste tolleranze sono richieste in uno spool avente distanza minima tra i punti estremi sull’asse delle due flange (punti 1 e 2) pari a 3206,4 mm.
5.1.2 Luce e ritiro
I giunti da saldare sono in totale 7, dalla specifica è possibile sapere la luce9 da lasciare per ognuno di questi. Tuttavia tale luce non tiene conto di un fenomeno assai importante che avviene inevitabilmente durante il processo di saldatura: il ritiro.
Di conseguenza l’operatore, per posizionare correttamente i due lembi del giunto da saldare e quindi per rispettare le tolleranze richieste da disegno a fine saldatura, deve considerare una luce diversa da quella di disegno e pari a:
𝐿𝑢𝑐𝑒 = 𝐿𝑢𝑐𝑒𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎+ 𝑅𝑖𝑡𝑖𝑟𝑜
Il ritiro, come si vedrà attentamente nei paragrafi successivi, è assai difficile (se non quasi impossibile) da prevedere e oggigiorno il metodo utilizzato consiste nell’effettuare una prova preliminare e successivamente sfruttare il dato ottenuto dalla prova. Questa prova, come si può immaginare, comporta delle perdite sia nei tempi, che nei costi della produzione degli spools e a volte non può essere eseguita.
Un altro metodo usato per avere più margine nel rispettare le tolleranze richieste, consiste nel lasciare del sovrametallo in eccesso sulla superficie esterna delle flange, o comunque dei componenti con restrizioni sulle quote. In questo modo se, dopo il completamento delle saldature, si rileva una discrepanza con il disegno che esce dal campo di tolleranza, si procede con l’asportazione del sovrametallo, per rispettare le quote.
Se però le misure non rientrano in campo di tolleranza anche dopo l’asportazione del sovrametallo, è obbligatorio tagliare i giunti e ripartire con la saldatura. Come si deduce, questo genere di operazione è poco desiderabile.
È logico che, una valutazione a priori del ritiro per i giunti in questione, porterebbe un grande vantaggio sia in termini di costi che di tempi, riducendo la probabilità di effettuare una nuova lavorazione dell’assieme a fine saldatura.
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5.2 Fenomeni Termici In Saldatura 5.2.1 Termofisica dei metalli
Allo scopo di poter studiare rapidamente i fenomeni termici in saldatura, si ritiene opportuno premettere alcun brevi richiami di termologia e termofisica dei metalli.
5.2.1.1 Trasmissione del calore
E' ben noto che il calore può trasmettersi da una zona ad un'altra di uno stesso corpo, o da un corpo all'altro, attraverso tre modalità:
1. Conduzione 2. Convezione 3. Irraggiamento
La conduzione può essere pensata come trasferimento di energia a livello microscopico per interazione tra le particelle più energetiche (dotate di energia vibrazionale) a quelle meno energetiche. In regime monodimensionale, in cui la temperatura T è funzione della sola coordinata x, il flusso termico10 che attraversa una qualunque superficie perpendicolare all’asse x è dato dal postulato di Fourier, che per una lastra piana è esprimibile come:
𝑞𝑥" = −𝑘𝑑𝑇 𝑑𝑥
Si noti il segno meno, in accordo con il secondo principio della termodinamica (il calore fluisce verso le zone più fredde). Nel caso di andamento tridimensionale di temperatura il flusso termico è un vettore (caratterizzato quindi da direzione e verso oltre che dal modulo) esprimibile come:
𝑞"̅ = −𝑘 𝑔𝑟𝑎𝑑(𝑇)
Il fattore di proporzionalità k [W/m K] è detto conducibilità termica ed è una proprietà fisica della sostanza. Nella Tabella 4 sono riportati i valori della conduttività termica media dei principali metalli.
10 Calore trasmesso per unità di tempo e superficie, indicato con 𝑞 𝑥".
