La costruzione di impianti parte innanzitutto da una buona progettazione degli stessi ma soprattutto dalla scelta dei componenti. Parliamo oggi dei raccordi in acciaio al carbonio che devono garantire alcuni obiettivi primari:
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La tenuta e la sicurezza
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Le prestazioni
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La qualità dei materiali
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La versatilità delle figure
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La certificazione
Per ottenere questo, il punto di partenza è una adeguata tecnica di costruzione dei raccordi da scegliere per avere la forma finale desiderata mantenendo le caratteristiche meccaniche necessarie. Questo garantisce le prestazioni necessarie, assieme naturalmente alla scelta del materiale più adatto alle condizioni di esercizio, in termini di pressione e temperatura.
La flessibilità dipende da una adeguata scelta di figure disponibili, tutte comunque normate e certificate secondo gli standard di riferimento.
La tecnica di costruzione dei raccordi in acciaio al carbonio
La base di partenza per la produzione di raccordi in acciaio al carbonio sono tubi in acciaio saldato o lamiere dello spessore desiderato che a seconda del particolare da realizzare vengono trattate in modo diverso.
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IDROFORMATURA un processo utilizzato in particolare nella realizzazione di tee normali o ridotti, ovvero la formatura del ramo laterale del tubo attraverso l’azione di un liquido in pressione, generalmente olio
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IMBUTITURA: un processo eseguito su lamiera attraverso l’azione di una pressa, solitamente realizzata a freddo, che serve per conferire ai raccordi una maggiore resistenza allo snervamento
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FORGIATURA: realizzata a caldo la forgiatura è moto simile all’imbutitura ma rende il prodotto finale più duttile rispetto ad un prodotto imbutito, solitamente queste due tecniche di lavorazione vengono utilizzate per prodotti aperti come i fondi bombati.
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DEFORMAZIONE A CALDO: dopo aver portato il tubo alla temperatura più adatta al processo, attraverso dei punzoni sagomati si procede alla deformazione del materiale per realizzare particolari quali le curve normali o ad ampia curvatura. Questo è uno dei processi più consolidati in assoluto. Infatti l’esperienza e il know how sviluppati negli anni hanno permesso di giungere alla realizzazione di componenti in cui la costanza dello spessore è un plus importante, ricordiamo che ad esempio nelle curve il taglio effettuato per realizzare angolature inferiori a 90° porta comunque ad avere una sezione di testa circolare di spessore costante.
Le norme di riferimento del settore
Se parliamo di raccordi in acciaio al carbonio per saldatura di testa due sono le norme di riferimento a livello mondiale, che vanno rispettate per poter affrontare sia il mercato che fa riferimento alle misure anglosassoni sia a quello che fa riferimento alle misure metriche.
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UNI EN 10253-2: 2008 Raccordi per tubazioni da saldare di testa - Parte 2: Acciai non legati e acciai ferritici legati con requisiti specifici di controllo, che è il recepimento da parte italiana della corrispondente norma europea che va a indicare le condizioni di forniture dei raccordi a saldare di testa utilizzati per il traporto di liquidi e gas sia a basse che ad alte temperature
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ASME B16.9 raccordi a saldare di testa in acciaio al carbonio, anche in questo caso va a definire le dimensioni e le tolleranze per la costruzione di raccordi, ma anche la loro marcatura e le condizioni di test. Possono essere usati acciai al carbonio legati sia per alta che per bassa temperatura
I materiali
Per gli acciai al carbonio per la costruzione di raccordi a saldare, la scelta è decisamente ampia a seconda dell’utilizzo a cui sono destinati. Principalmente le nuove normative ISO suddividono i materiali in due categorie, da una parte gli acciai designati in funzione delle loro
caratteristiche meccaniche e dall’altra quelli designati in base alla loro
composizione chimica.
Nella costruzione di raccordi, del primo gruppo di materiali si utilizzano quelli con il
suffisso P che sta ad indicare materiali adatti per un utilizzo in pressione, solitamente con carichi di snervamento che partono da 235 Mpa a temperatura ambiente.
Nel secondo gruppo invece troviamo gli acciai classificati attraverso la loro composizione chimica solitamente con un contenuto significativo di
Molibdeno che migliora la resistenza a caldo del materiale.
Per raccordi da usare a temperature estremamente basse trova impiego l’acciaio al carbonio non legato P235NL o P265NL; se le temperature sono oltre la temperatura ambiente fino a condizioni particolarmente elvate la scelta può essere tra acciai non legati come il P235GH oppure acciai legati con contenuto di molibdeno ed altri composti chimici come il 13CrMo4-5 oppure l’X10CrMoVNb9.
Per quanto riguarda la normativa anglosassone la classificazione è diversa ma concettualmente simile.
Le figure disponibili
La normativa di riferimento non lascia molto spazio alla creatività nella realizzazione dei raccordi, un punto di forza è la disponibilità in ponta consegna nei magazzini delle figure necessarie alla messa in opera degli impianti.
Le figure che possiamo trovare sono similari per le due principali norme di riferimento e sono:
- CURVE: il cui scopo è il cambio di direzione del fluido, esistono sia in versione normale che a raggio di curvatura più ampio, solitamente pari a 5 volte il diametro, in grado di ridurre le perdite di carico dove la compattezza dell’impianto non è un requisito imprescindibile.
- RIDUZIONI CONCENTRICHE ED ECCENTRICHE: necessarie per effettuare un cambio di diametro lungo l’impianto limitando anche in questo caso l’incidenza delle perdite di carico.
- TEE UGUALI E RIDOTTI: lo scopo di questo raccordo è la creazione di rami lateriali derivati dall’impianto principale. In particolari situazioni il ramo laterale del tee può essere prolungato mediante la saldatura di uno spezzone di tubo che facilita le operazioni successive di collegamento.
- FONDI BOMBATI: che possono essere utilizzati nella terminazione di rami di impianto, la particolare forma permette di ridurre gli sforzi di estremità distribuendoli in maniera ottimale sulla saldatura.
Perché scegliere l’acciaio al carbonio come materiale di costruzione?
L’acciaio al carbonio è una tipologia di acciaio che presenta percentuali contenute di elementi che non siano ferro o carbonio. In particolare, tutti gli elementi si trovano al di sotto del limite riportato all’interno della norma BS-EN 10020. Quindi, l’elemento fondamentale per garantire le proprietà è il carbonio stesso.
Questo materiale è molto utilizzato dal punto di vista costruttivo grazie alle sue proprietà soprattutto di lavorabilità che lo rendono idoneo in molte applicazioni. Inoltre, sulla base del contenuto di carbonio si divide in:
1. acciaio a basso contenuto di carbonio (<0,3%): caratterizzato da una buona saldabilità e da morbidezza;
2. acciaio a medio contenuto di carbonio (tra 0,3% e 0,6%): è solitamente trattato termicamente con un trattamento di tempra ed è più resistente rispetto all’acciaio a basso contenuto di carbonio. D’altro canto, però, risulta più difficile da lavorare, saldare e tagliare richiedendo processi appositi;
3. acciaio ad alto contenuto di carbonio (>0,6%): è un acciaio che dopo trattamento termico diventa estremamente duro e fragile, ma che risulta difficilissimo da tagliare, formare e saldare e per questo è utilizzato per la realizzazione di utensili.
La qualità, inoltre, è determinata dalla percentuale di zolfo e fosforo presenti all’interno della lega:
- acciaio di qualità alta: se il loro contenuto è <0,03%;
- acciaio di qualità superiore: se il loro contenuto è <0,07%;
- acciaio di qualità ordinaria: se il loro contenuto è <0,1%.
Le differenze tra l’acciaio al carbonio e l’acciaio inossidabile nel mondo dei raccordi
Gli acciai sono materiale alto-prestazionali che garantiscono durata e resistenza dei raccordi nel tempo, evitando sostituzioni frequenti che possono portare a disagi o a spese dal punto di vista economico.
Gli acciai al carbonio, come visto, presentano caratteristiche importanti per questa categoria applicativa ma non sono gli unici che si possono utilizzare. Infatti, una parte del mercato è occupata dai raccordi in acciaio inossidabile. Le differenze possono riassumersi in:
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Dal punto di vista chimico: la presenza di cromo e nichel è a livelli decisamente superiori per gli acciai inossidabili rispetto agli acciai al carbonio che sono composti, appunto, da carbonio e da elementi in lega in piccole percentuali;
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Dal punto di vista delle proprietà meccaniche: l’acciaio al carbonio è più duro e presenta un limite di resistenza superiore;
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Dal punto di vista della resistenza alla corrosione: l’acciaio al carbonio presenta una resistenza alla corrosione inferiore;
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Dal punto di vista economico: l’acciaio inossidabile è generalmente più costoso;
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Dal punto di vista estetico: sono preferiti gli acciai inossidabili riducendo la necessità di verniciature.
Entrambi gli acciai presentano, dunque, dei punti di forza e delle caratteristiche migliorabili ma emerge che è fondamentale studiare preventivamente gli impianti e capire quali siano le maggiori criticità che si andranno ad affrontare in esercizio.
Come verificare la saldabilità di un acciaio al carbonio?
Come già verificato nei paragrafi precedenti, gli acciai al carbonio per la realizzazione di raccordi possono presentare differenti composizioni chimiche che influenzano le proprietà meccaniche e tecnologiche dei componenti.
Per quanto concerne la saldabilità, esiste un parametro empirico notevolmente diffuso che assume il nome di “Equivalente in carbonio”. Esso può essere calcolato con la seguente formula dell’Istituto Internazionale di Saldatura.
CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
dove il simbolo di ogni elemento rappresenta il quantitativo in percentuale presente nella lega. Questa è una delle numerose formule di calcolo che possono essere reperite sui manuali.
Appare chiaro che non tutti gli elementi hanno lo stesso peso all’interno della formula ma vi sono elementi più importanti (tra tutti il carbonio ma anche il manganese), mentre altri elementi sono secondari (come il nichel e il rame). Inoltre, è importante notare che l’equivalente di carbonio non è il contenuto di carbonio, che invece rappresenta il contenuto in % di carbonio nella lega.
Quali valori sono da considerare buoni e quali deleteri?
- CE <= 0,35: la saldabilità è ottima e non vi sono problematiche;
- 0,35 <= CE <= 0,45: la saldabilità è molto buona e gli accorgimenti necessari sono pochi;
- 0,45 <= CE <= 0,50: la saldabilità è discreta e bisogna prestare attenzione nello svolgimento delle operazioni;
- CE >= 0,50: la saldabilità è pessima e di difficile realizzazione.
