L'azoto liquido è a -196℃, e anche l'ossigeno liquido e l'argon liquido si collocano a questo livello. L'acciaio al carbonio a questa temperatura si rompe fragile come il vetro, mentre l'acciaio inossidabile austenitico (serie 300) non presenta una marcata transizione duttile-fragile — è questa la ragione per cui è diventato il materiale principale per le apparecchiature criogeniche.
Giudizio in una frase
A -196℃ si usano 304L o 316L (gradi a basso carbonio), non il 304/316 normale. Con fluidi corrosivi (ad esempio contenenti cloro o zolfo) si usa 316L; per il puro stoccaggio e trasporto criogenico (azoto liquido, ossigeno liquido, argon liquido) basta il 304L. Il contenuto di ferrite nella saldatura deve essere controllato ed è obbligatorio verificarlo con prove di resilienza a bassa temperatura.
Perché il basso carbonio è fondamentale
L'austenite ha una struttura cubica a facce centrate, con molti sistemi di scorrimento, e a bassa temperatura non si rompe facilmente in modo fragile. Ma questo vantaggio ha due nemici:
- Il carbonio: un tenore elevato di carbonio forma carburi ai bordi dei grani, riducendo tenacità e resistenza alla corrosione, e durante la saldatura provoca anche sensibilizzazione; per questo le apparecchiature criogeniche usano 304L / 316L (C ≤ 0.03%);
- La ferrite: se nell'acciaio inossidabile austenitico rimane ferrite δ in quantità elevata (comune nelle saldature), la fase ferritica a bassa temperatura diventa fragile e diventa un punto di innesco delle cricche. Perciò il contenuto di ferrite nella saldatura deve essere controllato (di solito si desidera che sia basso; il limite specifico dipende dalle specifiche tecniche del progetto).
Cosa guardare nel collaudo
- Prova di resilienza a bassa temperatura: provetta Charpy con intaglio a V, misura dell'energia di impatto alla temperatura di esercizio (ad esempio -196℃). È la voce di collaudo più importante per le apparecchiature criogeniche; non ci si può basare solo sulle proprietà meccaniche a temperatura ambiente;
- Composizione chimica: confermare che sia di grado L (C ≤ 0.03%);
- Ferrite nella saldatura: misurata con ferritometro o per via metallografica, per verificare che rientri nei limiti consentiti dalle specifiche tecniche;
- Controlli non distruttivi: le apparecchiature criogeniche richiedono di norma RT/UT; i difetti tipo cricca a bassa temperatura si propagano rapidamente.
Punti chiave della saldatura
Nelle apparecchiature criogeniche le saldature sono spesso il punto più debole:
- Usare materiali d'apporto a basso carbonio abbinati (ER308L / ER316L);
- Controllare l'apporto termico e la temperatura tra i passaggi, evitando l'ingrossamento dei grani;
- Pulire accuratamente dopo la saldatura ed eseguire decapaggio e passivazione (la scaglia di ossido è il punto di partenza della corrosione);
- Se necessario, eseguire solubilizzazione dopo la saldatura (nei casi più esigenti), facendo attenzione al controllo delle deformazioni.
Confronto con altri materiali criogenici
- Acciaio al 9% di nichel: dedicato all'LNG (-162℃), con costi e requisiti di processo elevati, usato soprattutto per grandi serbatoi;
- Leghe di alluminio: buona tenacità a bassa temperatura e leggerezza, ma bassa resistenza e prestazioni dei giunti saldati che calano sensibilmente;
- Acciaio inossidabile austenitico: utilizzabile a -196℃ e anche a temperature inferiori, resistente alla corrosione, facile da lavorare e saldabile; è la scelta comune per apparecchiature criogeniche di piccola e media dimensione e per le tubazioni.
Errori comuni
- Sostituire il 304L con il 304 normale: carbonio elevato, tenacità della saldatura e della zona termicamente alterata non conformi;
- Eseguire solo trazione a temperatura ambiente e non la resilienza a bassa temperatura — il cuore del collaudo delle apparecchiature criogeniche è proprio l'impatto;
- Ferrite nella saldatura troppo elevata (materiale d'apporto errato o protezione insufficiente), che a bassa temperatura diventa punto di innesco delle cricche;
- Trascurare la corrosività del fluido: i sistemi a ossigeno liquido sono estremamente sensibili alle tracce di olio (rischio per la sicurezza); il 316L è più affidabile;
- Materiali delle strutture di supporto e delle tubazioni non abbinati, con sollecitazioni aggiuntive dovute alle differenze di dilatazione termica.
Indicateci fluido, temperatura minima, volume e norma di riferimento: vi forniremo suggerimenti su grado e materiale d'apporto in base alle condizioni criogeniche, e possiamo fornire i dati delle prove di impatto alle temperature corrispondenti — il costo delle apparecchiature criogeniche sta quasi tutto nella "verifica", non nel materiale in sé.
