Come fa un metallo a mantenere la sua forza e a resistere alla corrosione alle alte temperature? L'acciaio al cromo-molibdeno, ampiamente utilizzato nella raffinazione del petrolio e nell'industria chimica, ottiene questo risultato grazie alla sua particolare composizione di lega. Questo blog post esplora le proprietà, la resistenza al calore e alla corrosione dell'acciaio al cromo-molibdeno. Scoprite la progettazione, le considerazioni sulla produzione e perché questo materiale è fondamentale per le applicazioni ad alta temperatura e ad alta pressione. Scoprite come l'acciaio al cromo-molibdeno può migliorare il vostro prossimo progetto di ingegneria.
L'acciaio al cromo-molibdeno, noto anche come acciaio resistente all'idrogeno a media temperatura, è una lega ad alte prestazioni caratterizzata da una maggiore resistenza alle alte temperature e al creep. Questo miglioramento si ottiene grazie all'aggiunta strategica di elementi di lega, principalmente cromo (Cr ≤10%) e molibdeno (Mo).
L'effetto sinergico di questi elementi di lega non solo migliora le proprietà meccaniche dell'acciaio, ma conferisce anche un'eccellente resistenza all'infragilimento da idrogeno e prestazioni superiori alle alte temperature. Queste caratteristiche rendono l'acciaio al cromo-molibdeno un materiale indispensabile in diverse applicazioni industriali esigenti, tra cui la raffinazione del petrolio, le apparecchiature per il trattamento dell'idrogeno chimico e le apparecchiature ad alta temperatura.
Nel settore della produzione di recipienti a pressione, l'acciaio al cromo-molibdeno si è affermato come materiale preferito grazie alla sua combinazione unica di proprietà. La sua capacità di mantenere l'integrità strutturale a temperature e pressioni elevate, unita alla resistenza alla degradazione indotta dall'idrogeno, lo rende particolarmente adatto agli ambienti difficili che si incontrano nelle industrie di processo.
Questo articolo approfondisce i molteplici aspetti dell'acciaio al cromo-molibdeno nel contesto del progetto di sintesi del metanolo di Jiutai. Esploreremo le caratteristiche distintive del materiale ed esamineremo le considerazioni critiche nelle varie fasi di implementazione del progetto, tra cui l'ottimizzazione della progettazione, i processi di produzione, i protocolli per i test non distruttivi, i regimi di trattamento termico e le procedure operative durante l'avvio e la chiusura dell'impianto. Affrontando in modo esaustivo questi fattori, ci proponiamo di fornire spunti di riflessione che possano contribuire a un funzionamento sicuro, efficiente e affidabile delle apparecchiature in acciaio al cromo-molibdeno nella sintesi del metanolo e in processi industriali simili ad alto rischio.
L'aggiunta di elementi come cromo, molibdeno e allume migliora la resistenza dell'acciaio all'ossidazione ad alta temperatura e la resistenza alle alte temperature.
Il meccanismo d'azione è il seguente: Il cromo esiste principalmente nella cementite (Fe3C) e il cromo disciolto nella cementite aumenta la temperatura di decomposizione dei carburi, prevenendo la grafitizzazione e migliorando così la resistenza al calore dell'acciaio.
Il molibdeno ha un effetto di rafforzamento della ferrite in soluzione solida e può anche aumentare la stabilità dei carburi, a vantaggio della resistenza ad alta temperatura dell'acciaio.
L'inclusione di una quantità adeguata di vanadio consente all'acciaio di mantenere una struttura a grana fine a temperature più elevate, migliorando la stabilità termica e la resistenza dell'acciaio.
Elementi come il cromo e il molibdeno aumentano la stabilità dei carburi, impedendone la decomposizione e riducendo così la possibilità di formazione di metano dovuta alla reazione dei carburi e del carbonio precipitato con l'idrogeno.
L'aggiunta di vanadio consente all'acciaio di mantenere una struttura a grana fine a temperature più elevate, aumentando significativamente la stabilità dell'acciaio in condizioni di alta temperatura e pressione.
L'infragilimento da tempra degli acciai al cromo-molibdeno si riferisce al fenomeno per cui la tenacità all'urto dell'acciaio diminuisce quando si opera per un lungo periodo nell'intervallo di temperatura compreso tra 370°C e 595°C.
Questo è l'esatto intervallo di temperatura entro il quale operano i nostri impianti a idrogeno comunemente utilizzati. Studi sperimentali hanno dimostrato che negli acciai al cromo-molibdeno per recipienti a pressione l'infragilimento da tempra è più grave quando il contenuto di cromo è compreso tra 2% e 3%.
Elementi come fosforo, antimonio, stagno, arsenico, silicio e manganese hanno un impatto significativo sull'infragilimento da tempra. L'infragilimento è reversibile; i materiali che hanno subito un grave infragilimento possono essere de-embricati attraverso un trattamento termico appropriato.
Grazie all'aggiunta di elementi in lega come cromo, molibdeno e vanadio, la velocità critica di raffreddamento dell'acciaio si riduce, migliorando la stabilità dell'austenite superraffreddata.
Se la velocità di raffreddamento della saldatura è elevata, la trasformazione da austenite alla perlite nella zona surriscaldata della zona interessata dal calore è improbabile che si verifichi.
Si trasforma invece in martensite a temperature più basse, formando una struttura spenta.
Sotto l'azione combinata di tensioni residue complesse in corrispondenza del giunto saldato e idrogeno diffuso, la struttura temprata nell'area di saldatura e nella zona interessata dal calore è altamente suscettibile alla cricca ritardata indotta dall'idrogeno.
In condizioni operative specifiche, i materiali selezionati non solo devono avere una resistenza superiore alla corrosione da idrogeno, ma anche controllare efficacemente la tendenza alla fragilità da tempra.
Devono inoltre possedere una buona saldabilità. La composizione chimica determina la struttura, la struttura determina le prestazioni e le prestazioni determinano l'uso. In definitiva, la chiave sta nel controllo della composizione chimica.
3.1.1 Misure contro la corrosione da idrogeno
L'acciaio al cromo-molibdeno non subisce la corrosione da idrogeno anche in condizioni di alta pressione e a temperature inferiori (~200°C). Tuttavia, può subire la corrosione da idrogeno quando opera in ambienti con idrogeno ad alta temperatura e ad alta pressione.
In genere, selezioniamo i materiali in acciaio al cromo-molibdeno per condizioni operative specifiche in base alla curva di Nelson, che corrisponde alla temperatura di esercizio e alla pressione parziale dell'idrogeno.
Come si evince dalla curva di Nelson, maggiore è il contenuto di cromo e molibdeno, maggiore è la resistenza alla corrosione da idrogeno.
Nella curva, se le condizioni operative del serbatoio sono al di sopra della linea continua, indica il verificarsi della corrosione da idrogeno. Se sono al di sotto della linea continua, indica che la corrosione da idrogeno non si verificherà.
3.1.2 Misure per il controllo della tendenza alla fragilità
Regolando il contenuto di elementi come P, Sb, Sn, As, Si, Mn nel materiale, è possibile controllare la tendenza alla fragilità della tempra.
A questo scopo si utilizzano solitamente il coefficiente di sensibilità all'infragilimento da tempra J dell'acciaio comune e il coefficiente di sensibilità all'infragilimento da tempra x del metallo saldato. Per l'acciaio comune 2,25Cr-1Mo, si utilizzano i seguenti indici di controllo:
Nelle applicazioni pratiche di ingegneria, è necessario controllare anche il contenuto di elementi residui Cu e Ni. Il contenuto di Cu non deve superare 0,20% e quello di Ni non deve superare 0,30%.
3.1.3 Determinazione della sensibilità alle fessure
La sensibilità alla fessurazione è legata all'equivalente di carbonio, il cui valore deve essere determinato dal produttore in base alla processo di saldatura valutazione.
Il metodo di calcolo è: Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15.
All'aumentare del valore del carbonio equivalente, la saldabilità dell'acciaio si deteriora. Quando il valore Ceq è superiore a 0,5%, la sensibilità alle cricche da freddo aumenta e la saldatura e la processi di trattamento termico diventerà più severo.
Per i materiali in acciaio Cr-Mo comunemente utilizzati con UTS 485Mpa ≤ 550Mpa, il Ceq è solitamente limitato a circa 0,48%.
Quando la saldatura simulata e trattamento termico post-saldatura sulle piastre di prova della saldatura del prodotto, il carbonio equivalente massimo può essere aumentato a 0,5%.
A causa dell'elevata tendenza all'indurimento dell'acciaio al Cr-Mo, è soggetto a cricche ritardate e a cricche in corrispondenza delle saldature d'angolo.
Pertanto, il progettazione strutturale dovrebbero prestare attenzione ai seguenti punti:
3.2.1 Ridurre il grado di vincolo e progettare in modo ragionevole la struttura del giunto.
3.2.2 La superficie di saldatura non deve presentare sottosquadri.
3.2.3 Il rinforzo dei fori deve essere realizzato nel suo complesso e non devono essere utilizzate strutture di rinforzo ad anello.
3.2.4 Non utilizzare ugelli a estensione interna.
3.2.5 Il collegamento con gli accessori deve essere realizzato su due lati. penetrazione completa e le saldature d'angolo non devono essere utilizzate.
3.2.6 La giunzione di testa del cilindro deve essere preferibilmente a forma di "U". scanalatura.
L'acciaio al Cr-Mo ha un valore di carbonio equivalente maggiore e generalmente tende a cedere a freddo in misura variabile. Questo fenomeno può essere prevenuto con le seguenti misure:
3.3.1 Controllare rigorosamente il contenuto di idrogeno nella bacchetta per saldatura e utilizzare un elettrodo basico a basso contenuto di idrogeno.
3.3.2 Il preriscaldamento deve essere effettuato prima di saldare il gruppo dell'apparecchiatura. Attraverso il preriscaldamento, la velocità di raffreddamento della materiale di saldatura può essere ridotto per evitare la formazione di strutture dure e fragili.
La temperatura di preriscaldamento è determinata dalla valutazione del processo di saldatura. Prima della valutazione del processo di saldatura, un test delle crepe per determinare la temperatura di preriscaldamento, che non deve essere inferiore alla temperatura di preriscaldamento durante l'intero processo di saldatura.
Allo stesso tempo, la temperatura dell'intercalare deve essere controllata in modo da non essere inferiore a quella del temperatura di preriscaldamento. Le misure di post-riscaldamento devono essere adottate immediatamente dopo la saldatura.
Ogni lamiera di acciaio Cr-Mo utilizzata per l'involucro deve essere sottoposta a test a ultrasuoni.
Per i recipienti di reazione a parete spessa ad alta temperatura e alta pressione, dopo l'ispezione radiografica 100% delle giunzioni di testa, devono essere eseguite prove a ultrasuoni e prove aggiuntive con particelle magnetiche su giunti di saldatura ammissibili per le prove a ultrasuoni dopo il trattamento termico e le prove idrostatiche.
Il controllo a ultrasuoni è più sensibile alle cricche e ai difetti rispetto al controllo radiografico, quindi deve essere eseguito con attenzione, considerando i tempi dei controlli non distruttivi.
Durante il processo di fabbricazione del recipiente, l'idrogeno gassoso può infiltrarsi nel metallo, causando piccole cricche nell'acciaio, un fenomeno noto come infragilimento da idrogeno.
Per prevenire l'infragilimento da idrogeno, il trattamento di deidrogenazione post-saldatura deve essere eseguito tempestivamente.
Il trattamento di deidrogenazione prevede il riscaldamento ad alta temperatura della saldatura e del materiale madre adiacente subito dopo la saldatura, aumentando così il coefficiente di diffusione dell'idrogeno nell'acciaio.
Questo favorisce la fuoriuscita degli atomi di idrogeno sovrasaturi nel metallo saldato, inibendo così la comparsa di crepe fredde. Il trattamento di deidrogenazione può essere considerato superfluo se il trattamento termico post-saldatura (PWHT) viene effettuato subito dopo la saldatura.
I recipienti di qualsiasi spessore realizzati in Cr-Mo devono essere sottoposti a un trattamento termico globale post-saldatura. Il trattamento termico post-saldatura dell'acciaio al Cr-Mo non solo elimina sollecitazione residua ma migliora anche le proprietà meccaniche dell'acciaio, a tutto vantaggio della resistenza alla corrosione da idrogeno.
L'acciaio al Cr-Mo può subire una rottura fragile quando la sua temperatura di esercizio è bassa o vicina alla temperatura di transizione da duttile a fragile e la sollecitazione raggiunge un certo livello.
Tuttavia, tale cedimento è quasi evitabile quando la sollecitazione effettiva nel recipiente è inferiore a un quinto della sollecitazione effettiva. resistenza allo snervamento di acciaio Cr-Mo.
Pertanto, per i recipienti a pressione realizzati in acciaio al Cr-Mo, si dovrebbe adottare una procedura che prevede l'aumento della temperatura prima della pressione durante l'avvio e la riduzione della pressione prima della temperatura durante l'arresto, per evitare cedimenti fragili.
Nell'implementazione dello standard internazionale dei materiali in acciaio Cr-Mo
A causa delle discrepanze nella determinazione del fattore di sicurezza e nei metodi di calcolo tra gli standard nazionali e internazionali per le sollecitazioni ammissibili del materiale, quando si utilizzano materiali in acciaio al Cr-Mo secondo gli standard internazionali, si devono applicare le norme nazionali per il calcolo delle sollecitazioni ammissibili.
Prendendo come esempio la SA387Cr.11G1.2, il calcolo della sua sollecitazione ammissibile è il seguente:
In primo luogo, ottenere la resistenza alla trazione e resistenza allo snervamento a varie temperature per il materiale da ASME.
La sollecitazione ammissibile a temperatura ambiente è il valore minore tra la resistenza alla trazione a temperatura ambiente divisa per 3,0 e la resistenza allo snervamento divisa per 1,5.
Poiché non esistono dati sulla resistenza alla trazione ad alte temperature a livello nazionale, la sollecitazione ammissibile ad alte temperature si ottiene dividendo la resistenza allo snervamento ad alte temperature per 1,6.
Se il valore calcolato è maggiore della sollecitazione ammissibile a temperatura ambiente, adottare il valore a temperatura ambiente. Altrimenti, utilizzare il valore calcolato.
La sollecitazione ammissibile di questo materiale in ASME rivela che quando la temperatura supera i 450℃, la sollecitazione ammissibile diminuisce rapidamente, a quel punto il limite di scorrimento governa la sollecitazione ammissibile.
Poiché l'ASME non fornisce dati sul limite di creep al di sopra dei 450℃ e i fattori di sicurezza per il limite di creep sia negli standard nazionali che nell'ASME sono coerenti, adottiamo direttamente la sollecitazione ammissibile dall'ASME. La sollecitazione specifica ammissibile alla temperatura di progetto può essere ottenuta per interpolazione.
Questo articolo illustra alcuni requisiti specifici per i materiali in acciaio Cr-Mo. Nel lavoro di progettazione dettagliata, è necessario considerare tutti gli aspetti secondo le specifiche standard, condurre un'analisi completa, in modo da ottenere una progettazione sicura, economica e razionale.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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