Cause e rimedi per i guasti dei componenti duttili della bobina

Quando un'azienda chimica o una raffineria di petrolio affronta il lungo e arduo processo di definizione e supervisione della costruzione di un impianto di lavorazione o di una raffineria, il processo è un po' come mettere insieme un puzzle da un milione di pezzi. Ogni tratto di tubo, ogni valvola, ogni flangia e ogni bobina ha un lavoro specifico da svolgere, spesso a temperature e pressioni difficili, in modo che ogni altra parte possa svolgere il proprio lavoro e l'impianto possa funzionare come previsto.

A volte le cose vanno storte. Se un guasto è minore, grave o catastrofico, segue un'indagine per determinarne la causa. È stato installato l'elemento corretto? È stato installato correttamente? Se è così, il prossimo ordine del giorno è valutare l'articolo. Perché ha fallito?

Non è solo questione di sostituire una parte. Un guasto catastrofico può provocare lesioni o addirittura la perdita della vita. Anche nel caso in cui non si sia verificato alcun infortunio, la considerazione successiva riguarda i tempi di inattività. Indipendentemente dalle dimensioni o dalla capacità produttiva dell'impianto, un sistema che viene spento per far fronte a un guasto non produce un centesimo finché non viene riattivato.

Alcuni utilizzatori di acciai al carbonio nell’industria nordamericana del petrolio e del gas hanno dovuto affrontare tali fallimenti. Alcuni componenti della bobina approvati per l'uso a temperature fino a -20 gradi F (-29 gradi C) si sono guastati a causa della rottura fragile. Spesso i guasti si sono verificati durante test idrostatici, avviamenti a freddo e talvolta durante condizioni operative alterate. Indipendentemente da quando, la domanda successiva è sempre la stessa: perché?

La questione è duttilità contro fragilità. Situata lungo un unico continuum, la duttilità si riferisce alla capacità di un materiale di deformarsi sotto sforzo di trazione (la sua capacità di allungarsi senza rompersi), mentre la fragilità è la sua incapacità di farlo. All'aumentare della duttilità di un materiale, diminuisce la sua probabilità di resistere alla frattura fragile.

I componenti realizzati in acciaio al carbonio (qualsiasi materiale ferroso contenente dallo 0,29 allo 0,54% di carbonio e dallo 0,60 all'1,65% di manganese) sono considerati dall'ASME VIII Div. I e i codici ASME B31.3 come intrinsecamente duttili e quindi resistenti alla frattura fragile. Questi includono flange A105N; Raccordi senza saldatura WPA, WPB e WPC di qualità A234; Tubo A106N (tutti i gradi); e tubo senza saldatura A53. Tuttavia, alcuni componenti progettati per funzionare fino a -20 gradi F (-29 gradi C) sono stati ritenuti inadatti per tali applicazioni. Alcune flange realizzate in acciaio al carbonio A105, funzionanti a meno di 300 libbre per pollice quadrato (PSI), e alcuni tubi realizzati in A106 grado B, di spessore inferiore a ½ pollice, sono stati valutati con un test di resilienza Charpy con intaglio a V e ritenuto non idoneo al servizio a qualsiasi temperatura minima del metallo di progettazione inferiore a 68 gradi F.

Le indagini sui guasti condotte dal Belgian Welding Institute hanno indicato che alcune flange presentavano granulometrie di grandi dimensioni. Ulteriori indagini hanno rilevato una variazione microstrutturale significativa all'interno di una flangia specifica, indicando non solo una mancanza di coerenza di produzione ma anche un trattamento termico carente. Inoltre, un'analisi dei guasti condotta su una flangia weld neck A350LF2 ha rivelato che la scarsa pratica di normalizzazione è stata una delle principali cause del guasto. Peggio ancora, i dati del rapporto di prova elencati nel certificato allegato, EN 10204: 3.1.B, non corrispondevano alle caratteristiche testate della flangia.

In effetti, sebbene questi componenti rientrassero nell'intervallo specificato per composizione chimica e proprietà meccaniche e quindi considerati duttili, erano suscettibili a frattura fragile. Noto per provocare guasti improvvisi e catastrofici, la frattura fragile dei componenti delle bobine di tubi appena acquistati rappresenta un potenziale pericolo per l'integrità, l'affidabilità e la sicurezza del processo delle apparecchiature.

L'Alberta Safety Authority, l'agenzia che sovrintende alla sicurezza delle attrezzature a pressione in Alberta, Canada, ha emesso un avviso nel suo bollettino informativo IB16-018: "Questo potrebbe essere un problema poiché le flange realizzate in materiale SA-105 sono comunemente esentate dai test di impatto secondo ASME Sezione VIII, Divisione 1 paragrafi UG-20(f), UCS-66 o ASME B31.3 paragrafo 323 per temperature pari a -29°C (-20°F) e superiori."