La temperatura e la pressione di esercizio determinano direttamente lo spessore della parete, il peso e il costo dei materiali di un recipiente a pressione. Una pressione interna più elevata aumenta lo spessore richiesto della parete, mentre una temperatura di progetto più alta generalmente riduce la tensione ammissibile del materiale e richiede quindi uno spessore aggiuntivo. L’acciaio al carbonio offre generalmente il costo dei materiali più basso per servizi non corrosivi, mentre l’acciaio inossidabile offre spesso una migliore resistenza alla corrosione, ma costa sostanzialmente di più al chilogrammo; la sua maggiore tensione ammissibile non elimina automaticamente la differenza di costo.
La relazione fondamentale è semplice: lo spessore richiesto aumenta con la pressione e diminuisce con la tensione ammissibile del materiale. Poiché la tensione ammissibile diminuisce all’aumentare della temperatura, il servizio ad alta temperatura può rendere i recipienti sia in acciaio al carbonio sia in acciaio inossidabile più pesanti e costosi; la scelta finale dipende dai requisiti di resistenza, corrosione, fabbricazione e ciclo di vita.
Come la pressione determina lo spessore della parete
La pressione genera la resistenza di contenimento richiesta
Per un recipiente cilindrico sottoposto a pressione interna, una relazione semplificata per pareti sottili è:
[ t \propto \frac{P D}{S E} ]
dove t è lo spessore della parete, P è la pressione di progetto, D è il diametro del recipiente, S è la tensione ammissibile ed E rappresenta l’efficienza della saldatura o la qualità del giunto.
Ciò significa che, a parità di tutte le altre condizioni, l’aumento della pressione aumenta lo spessore richiesto della parete in modo approssimativamente proporzionale.
Anche il diametro influisce sul risultato
Un recipiente di diametro maggiore è soggetto a una tensione circonferenziale più elevata alla stessa pressione. Di conseguenza, un recipiente di grandi dimensioni e bassa pressione può richiedere uno spessore considerevole anche quando la pressione è moderata.
Pressione, diametro, geometria dei fondi, efficienza della saldatura e requisiti normativi devono quindi essere valutati insieme, anziché essere trattati come fattori indipendenti nella selezione del materiale.
L’aumento della pressione incrementa il peso e il consumo di materiale
Un mantello più spesso richiede una maggiore quantità di acciaio, aumentando il peso a vuoto del recipiente. L’aumento di peso influisce inoltre su supporti, apparecchiature di sollevamento, fondazioni, trasporto e installazione.
L’incremento determinato dalla pressione si applica sia all’acciaio al carbonio sia all’acciaio inossidabile. Il materiale con la tensione ammissibile più elevata alla temperatura di progetto può richiedere uno spessore inferiore, ma ciò non lo rende necessariamente meno costoso.
Come la temperatura modifica il progetto
Una temperatura più elevata riduce la tensione ammissibile
Le norme sui recipienti a pressione utilizzano una tensione ammissibile dipendente dalla temperatura, anziché la resistenza del materiale a temperatura ambiente. All’aumentare della temperatura, il materiale generalmente perde resistenza, quindi la tensione ammissibile S diminuisce.
Il risultato è un effetto diretto sulla progettazione: a parità di pressione e diametro, una tensione ammissibile inferiore richiede una parete più spessa.
La temperatura di progetto è più importante di quella normale di esercizio
Gli ingegneri utilizzano normalmente la temperatura di progetto del recipiente, che tiene conto della massima temperatura credibile del metallo, non soltanto della temperatura media di esercizio. Avviamento, arresto, condizioni anomale, guasti dei sistemi di riscaldamento e reazioni esotermiche possono determinare questo valore.
Utilizzare soltanto la temperatura normale di esercizio può portare a un progetto inadeguato se il recipiente può raggiungere condizioni più calde.
Acciaio al carbonio a temperature moderate
L’acciaio al carbonio, come l’ASME SA515 Grado 55, può mantenere una tensione ammissibile relativamente elevata a temperature moderate. Per servizi non corrosivi entro il suo intervallo di temperatura qualificato, rimane comunemente la scelta più economica.
Con l’aumento della temperatura verso la parte superiore di tale intervallo, la tensione ammissibile diminuisce e la parete richiesta diventa più spessa. Il materiale può rimanere economicamente preferibile, ma il vantaggio si riduce se temperatura, sovraspessore per corrosione o requisiti di fabbricazione diventano impegnativi.
Acciaio inossidabile a temperature elevate
Gli acciai inossidabili austenitici come 304 e 316 offrono una forte resistenza alla corrosione e possono rimanere adatti al servizio ad alta temperatura. Tuttavia, anche la loro tensione ammissibile diminuisce sostanzialmente con la temperatura.
Ad esempio, il riferimento supplementare indica tensioni ammissibili di circa 20 ksi a 100°F, che a 900°F scendono a circa 10,8 ksi per il 304 e 11,5 ksi per il 316 secondo la base normativa indicata. A tali temperature, un recipiente progettato in acciaio inossidabile può richiedere uno spessore notevolmente maggiore di quanto suggerirebbe la sua resistenza a temperatura ambiente.
Confronto tra acciaio al carbonio e acciaio inossidabile
Lo spessore dipende dalla tensione ammissibile alla temperatura di progetto
Il confronto pertinente non riguarda la resistenza nominale a trazione del materiale né il carico di snervamento a temperatura ambiente. Riguarda la tensione ammissibile secondo il codice alla temperatura di progetto.
Se l’acciaio al carbonio e l’acciaio inossidabile hanno tensioni ammissibili simili a una determinata temperatura, gli spessori richiesti dalla pressione possono essere simili. Se uno dei due presenta una tensione ammissibile maggiore, può consentire una parete di contenimento della pressione più sottile, nel rispetto delle norme applicabili.
Il peso dipende dallo spessore e dalla densità
Il peso del recipiente è determinato principalmente da:
- Spessore richiesto del mantello e dei fondi
- Diametro e lunghezza del recipiente
- Ugelli, flange, piastre tubiere e supporti
- Sovraspessore per corrosione
- Densità del materiale
- Dettagli di fabbricazione
L’acciaio inossidabile è generalmente più denso dell’acciaio al carbonio, sebbene la differenza di densità sia relativamente piccola rispetto alla possibile differenza nel prezzo del materiale. Una parete in acciaio inossidabile più sottile può ridurre parte del peso, ma non garantisce che il recipiente completo sia più leggero.
Il costo dei materiali dipende da più fattori oltre ai chilogrammi
Una prima approssimazione utile è:
[ \text{Costo dei materiali} \approx \text{massa} \times \text{prezzo per chilogrammo} ]
L’acciaio al carbonio ha generalmente un prezzo della materia prima per chilogrammo molto più basso. L’acciaio inossidabile può quindi rimanere più costoso anche quando richiede una parete più sottile.
Il confronto completo dei costi dovrebbe includere anche il sovraspessore per corrosione, il rivestimento o la placcatura, le procedure di saldatura, il controllo della contaminazione, le ispezioni, la finitura superficiale e la manutenzione prevista.
Il ruolo della corrosione e del sovraspessore per corrosione
L’acciaio al carbonio può richiedere uno spessore aggiuntivo
Per fluidi corrosivi, l’acciaio al carbonio può richiedere un sovraspessore per corrosione oppure può risultare del tutto inadatto. Il sovraspessore viene aggiunto allo spessore calcolato in base alla pressione, aumentando il consumo iniziale di materiale e il peso.
Se la corrosione è grave, il recipiente può richiedere ispezioni, riparazioni o sostituzioni frequenti. Tali costi del ciclo di vita possono superare il prezzo di acquisto più basso dell’acciaio al carbonio.
L’acciaio inossidabile può ridurre i costi legati alla corrosione
L’acciaio inossidabile spesso evita o riduce la necessità di un ampio sovraspessore per corrosione nei servizi chimici. Ciò può produrre una parete pratica più sottile rispetto a un progetto in acciaio al carbonio con un sovraspessore significativo.
Questo vantaggio dipende dall’applicazione. L’acciaio inossidabile non è universalmente resistente a ogni sostanza chimica, temperatura, concentrazione di cloruri o condizione di processo; la compatibilità deve quindi essere verificata e non data per scontata.
Comprendere i compromessi
Una parete più sottile non significa un costo totale inferiore
L’acciaio inossidabile può consentire una parete di contenimento della pressione più sottile in determinate condizioni, ma il suo prezzo più elevato al chilogrammo può dominare il costo dei materiali. Al contrario, l’acciaio al carbonio può richiedere una parete più spessa, ma rimanere meno costoso grazie al prezzo più basso della materia prima.
Il confronto corretto riguarda il costo completo del recipiente fabbricato, non soltanto lo spessore.
Le alte temperature possono ridurre i vantaggi di entrambi i materiali
A temperature elevate, le tensioni ammissibili di entrambi i materiali diminuiscono. Ciò aumenta lo spessore e può introdurre ulteriori problematiche progettuali, come dilatazione termica, scorrimento viscoso, fatica, prestazioni delle saldature e limitazioni delle guarnizioni.
Per servizi a temperature molto elevate, la selezione del materiale non può basarsi soltanto su un singolo calcolo pressione-spessore.
L’acciaio inossidabile non è automaticamente più resistente alla temperatura
L’acciaio inossidabile viene spesso descritto come un materiale che mantiene la propria resistenza alle temperature elevate, ma la sua tensione ammissibile secondo il codice diminuisce comunque con la temperatura. I valori indicati per 304 e 316 a 900°F dimostrano perché i progettisti debbano utilizzare le tabelle normative relative al grado e alla temperatura specifici.
La resistenza alla corrosione e l’idoneità alle alte temperature sono proprietà distinte dalla tensione ammissibile per la pressione.
Lo spessore minimo e la fabbricazione possono essere determinanti
Lo spessore calcolato in base alla pressione può essere inferiore al minimo previsto dal codice o a uno spessore pratico di fabbricazione. La pressione esterna, il servizio sotto vuoto, i limiti di formatura, le deformazioni dovute alla saldatura, i carichi di trasporto e il rinforzo degli ugelli possono determinare il progetto finale.
Lo spessore finale della parete può quindi essere maggiore del valore previsto dalla sola equazione della pressione interna.
La pressione di esercizio non è sempre la pressione di progetto
Il recipiente deve essere progettato per la pressione di progetto specificata, che può superare la pressione normale di esercizio per tenere conto di deviazioni credibili e delle impostazioni del sistema di sicurezza. Lo stesso principio si applica alla temperatura di progetto.
Utilizzare le condizioni normali di processo senza verificare le condizioni di progetto definite dal codice può sottostimare lo spessore, il peso e il costo richiesti.
Come scegliere in base al proprio obiettivo
La selezione dovrebbe iniziare dalla pressione e dalla temperatura di progetto previste dal codice, per poi integrare i requisiti di corrosione, fabbricazione e ciclo di vita.
- Se l’obiettivo principale è minimizzare il costo iniziale dei materiali: utilizzare l’acciaio al carbonio per servizi non corrosivi quando la sua tensione ammissibile dipendente dalla temperatura e il suo intervallo di temperatura previsto dal codice risultano adeguati.
- Se l’obiettivo principale è la resistenza alla corrosione: considerare l’acciaio inossidabile quando la chimica di processo richiederebbe un sovraspessore per corrosione, un rivestimento, una manutenzione o una sostituzione eccessivi per l’acciaio al carbonio.
- Se l’obiettivo principale è minimizzare il peso del recipiente: confrontare i progetti completi calcolati secondo il codice alla temperatura di progetto effettiva, includendo densità, sovraspessore per corrosione, fondi, ugelli e supporti.
- Se l’obiettivo principale è il servizio in pressione ad alta temperatura: selezionare il materiale utilizzando la sua tensione ammissibile alla temperatura di progetto, verificando anche dilatazione termica, scorrimento viscoso, saldabilità e limitazioni normative.
- Se l’obiettivo principale è il costo totale del ciclo di vita: confrontare acquisto, fabbricazione, ispezione, manutenzione, rischio di corrosione, tempi di fermo e costi di sostituzione, anziché considerare soltanto il prezzo della materia prima.
Un progetto affidabile bilancia il contenimento della pressione, la resistenza dipendente dalla temperatura, le prestazioni anticorrosive, il peso del recipiente e il costo totale del ciclo di vita, anziché ottimizzare un singolo fattore.
Tabella riepilogativa:
| Fattore | Acciaio al carbonio | Acciaio inossidabile |
|---|---|---|
| Costo iniziale dei materiali | Generalmente inferiore per servizi non corrosivi | In genere più elevato al chilogrammo |
| Effetto della temperatura | La tensione ammissibile diminuisce all’aumentare della temperatura | Anche la tensione ammissibile diminuisce alle temperature elevate |
| Spessore della parete | Può richiedere un sovraspessore aggiuntivo per corrosione | Può ridurre i requisiti di sovraspessore per corrosione |
| Peso del recipiente | Dipende da spessore, sovraspessore per corrosione e componenti | Può essere più sottile, ma densità e dettagli di fabbricazione influiscono comunque sul peso |
| Prestazioni rispetto alla corrosione | Adatto a fluidi compatibili e non corrosivi | Spesso migliore per servizi chimici impegnativi |
| Base migliore per la selezione | Basso costo iniziale e condizioni di servizio adeguate | Resistenza alla corrosione e valore nel ciclo di vita |
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