PROGETTAZIONE E PROBLEMATICHE COSTRUTTIVE DI

Transcript

1 UNIVERSITÀ DI PISA Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in INGEGNERIA MECCANICA PROGETTAZIONE E PROBLEMATICHE COSTRUTTIVE DI UN CIRCUITO PIPING PER TRASFERIMENTO DI FLUIDI AD ALTA TEMPERATURA Tesi di Laurea Relatore: Prof. Renzo Valentini Candidato: Cosmo Valente Correlatore: Prof. Leonardo Bertini Tutor: Ing. Pietro Pietrosanti 09 Maggio 2012 Anno accademico

2 PARTE I - PROGETTAZIONE PIPING

3 1 INTRODUZIONE ALLA PROGETTAZIONE 1.1 CAMPO DI INTERESSE Visto il particolare interesse strategico-economico che concerne il campo petrolchimico, diviene sempre più indispensabile spingere al limite la progettazione. Volendo prevalere nella sfida del mercato globale si richiedono agli impianti prestazioni sempre più elevate, alla ricerca di un ottimizzazione del rapporto produzione-costi. Anche la progettazione piping vede uno sviluppo orientato verso prestazioni che tendono a raggiungere sempre nuovi limiti. Si pone quindi la necessità di creare sistemi di adduzione fluidi aventi caratteristiche sempre più gravose da supportare da svariati punti di vista, come quello dimensionale o l operare a temperature sempre più estreme. In questo scenario rientra la progettazione del seguente impianto piping che ha la funzione di collegamento tra un forno ed un reattore, con la necessità di trasportare una grande quantità di fluido di processo con temperatura dell ordine dei 650 C. Le peculiari caratteristiche operative in gioco pongono importanti difficoltà tecniche alle odierne società d ingegneria, non solamente da un punto di vista del design, ma anche nella fabbricazione stessa. La seguente trattazione abbraccerà tutti gli aspetti fondamentali della progettazione, dal design alla definizione della supporteria, dalla stress analysis alla fabbricazione: Design Selezione del materiale Selezione del diametro Selezione dello spessore Layout Supporteria Verifiche Stress analysis Perdite di carico Isolamento termico Fabbricazione NDE 2

4 1.2 DATI DI INPUT Tutte le informazioni di input necessarie per la progettazione della tubazione sono rese disponibili dalle documentazioni redatte da vari dipartimenti ingegneristici. In particolare per la seguente sono stati analizzati i seguenti documenti (tab. 1.1). Tab. 1.1 Docu mentazione di input Document From Fluid List Process Engineering Department Process Flow Diagram (PFD) Process Engineering Department Preliminary Piping and Instrument Diagram (P&ID) Process Engineering Department Heater Data Sheet Equipment Department Reactor Data Sheet Equipment Department PLOT PLAN Plant Design & Piping Department Vista l impossibilità di mostrare suddetti documenti dettagliati (perché riservati), sono state estratte tutte le informazioni utili ai fini di questo lavoro: Condizioni operative Composizione del fluido H 2, CO 2, CH 4, Ar, H 2 O, tracce di NH3, He, possibile presenza di altri idrocarburi Portata kg/h Temperatura 650 C Pressione 31 bar Stato della materia Aeriforme Peso molecolare kg/kmol Densità 6.74 kg/m 3 Viscosità cp Capacità termica KJ/ K Conducibilità termica W/m C Punto di rugiada 180 C Condizioni di design Temperatura di design 675 C Pressione di design 35 bar Vita operativa 20 anni Condizioni ambientali Temperatura Inverno, minima registrata 4 C Estate, massima registrata 49 C 3

5 Condizione di design 43 C Radiazione solare 970 W/m 2 Umidità relativa Estate, media 65% Inverno, media 88% Condizione di design hold Velocità del vento e direzione prevalente Massima velocità (raffica di 3 s) Massima velocità media (per un ora) Direzione prevalente Tipo di aria circostante Dimensione delle particelle di polvere/sabbia Precipitazioni Massimo mensile Massimo in 24 ore Intensità di design (una volta in 2 anni) Design di ritenzione delle acque oleose Pressione barometrica Media estiva Media invernale Pressione di design 44 m/s 29 m/s N-NW Tempeste di sabbia frequenti mm 39 mm 48 mm 12 mm/h 10 min 995 mbar 1020 mbar 1013 mbar Evento sismico (terremoto) Assenti Specifiche richieste Massima caduta di pressione ammessa 0.5 bar Heat flow limit 75 BTU/h/ft 2 T max esterna alla tubazione 60 C Condizioni ammissibili bocchelli vedere tabella 3.10 Layout Per la planimetria ed il layout fare riferimento al paragrafo 2.4. Normative Considerata la tipologia di processo e l ubicazione dell impianto si fa riferimento alla normativa di Process Piping ASME B31.3 [1]. 4

6 2 DESIGN 2.1 SELEZIONE DEL MATERIALE La scelta del materiale può essere effettuata seguendo diversi criteri. Un metodo, ad esempio, considera le diverse tensioni ammissibili valutate alla temperatura di progetto: resistenza a trazione, carico di snervamento, resistenza a creep e/o resistenza a rottura con relativi fattori di sicurezza [2]. Questo metodo non tiene conto delle interazioni ambientali, effetti d invecchiamento causati da una lunga esposizione alle alte temperature, o la potenziale interazione di fatica e creep. Un altra metodologia di progettazione si basa sulla definizione di massima temperatura ammissibile di creep o di rottura. Nella linea presa in esame la selezione del materiale è compiuta attraverso una selezione tra le leghe più economiche in grado di rispettare le specifiche richieste (par ), le quali vagliano esclusivamente gli aspetti fondamentali che determinano l effettiva impiegabilità di un materiale: la resistenza a corrosione e la resistenza meccanica alla temperatura operativa di progetto. Difatti è proprio l alta temperatura in gioco la prerogativa che impone un attenta valutazione nella scelta del materiale. Partendo dai dati di input (composizione del fluido trasportato, condizioni ambientali, temperatura operante e pressioni in gioco) è possibile ottenere un paniere di materiali adoperabili per la realizzazione della linea. In questa fase sono considerati solo in maniera marginale altri fattori essenziali per una definitiva scelta, quali: reperibilità, saldabilità, costi di manutenzione, costi di montaggio, ecc.; ma la preselezione del materiale si limita ad esaminare gli aspetti essenziali di resistenza a corrosione e di resistenza meccanica che consentono di effettuare una prima scelta. Segue poi, tra i materiali che soddisfano i requisiti in precedenza espressi, una scala di economicità SPECIFICHE RICHIESTE - Resistenza a corrosione: è richiesta completa assenza di corrosione generalizzata durante l intera vita operativa. Come pratica industriale è solitamente tollerato un limite di 6 mm di sovraspessore di corrosione durante la vita operativa dell impianto, ma nella presente linea non è 5

7 tollerata alcuna presenza di ossidi di metallo nel fluido per rischio di avvelenamento dei catalizzatori del reattore. - Resistenza meccanica: vista l importante degradazione che i materiali sono soliti subire alle alte temperature, si ricerca una lega che mantenga una soddisfacente 1 resistenza meccanica alla temperatura di design di 675 C CORROSIONE La corrosione alle alte temperature gioca un ruolo fondamentale nella selezione del materiale per la costruzione di apparecchiature industriali. Le principali forme di corrosione alle alte temperature, che generalmente portano ingenti problematiche agli impianti, sono: l ossidazione, la carburazione, la nitrurazione, la corrosione ad alta temperatura, la corrosione da sali fusi, la corrosione da metallo fuso [3]. Sono esposti, in via preliminare, gli aspetti della corrosione di interesse per la progettazione della linea. L ossidazione è la reazione di corrosione più importante alle alte temperature, infatti i metalli o le leghe sono ossidate quando scaldate ad elevate temperature in aria o in ambienti ossidanti. Sebbene le leghe, in particolare negli ambienti ossidanti, siano ossidate dall ossigeno (O 2 ), altri prodotti di combustione possono giocare un ruolo fondamentale nell influenzare il comportamento ossidativo, come l H 2 O o CO 2 e altri composti ossigenati presenti nel fluido trasportato. Con l aumentare della temperatura la velocità di ossidazione aumenta in funzione della lega selezionata. A volte alcuni alliganti riescono ad arrestare o rallentare il processo di ossidazione sviluppando uno strato di ossido protettivo. Infatti, gli ossidi di cromo, alluminio, silicio, sono molto più stabili di quelli di ferro, nichel, cobalto; pertanto, se la concentrazione di alligante è sufficientemente elevata, si può produrre uno strato di ossido esterno protettivo (si parla di passaggio da internal oxidation ad external oxidation 2 ). Protezione data ad esempio dal Cr 2 O 3 o dall ossido di Al (Al 2 O 3 ), composti adottati abitualmente per le alte T. Inoltre le leghe sono spesso suscettibili alla carburazione quando esposte ad ambienti contenenti CO, CH 4, o altri idrocarburi gassosi ad elevate temperature. La carburazione 1 Risulta soddisfacente se in tutte le condizioni operative i carichi risultano minori della resistenza del materiale alla temperatura data (per tutte le verifiche necessarie vedere il paragrafo 3.1). 2 Processo definito di selective oxidation, che trasforma un inizale ossidazione disomogenea in un ossidazione selettiva e permette la formazione di uno strato di ossido esterno protettivo che evita l ossidazione del materiale sottostante. 6

8 solitamente si esprime attraverso la formazione di carburi interni alla matrice, in particolare nei bordi di grano, che causano embrittlement 3 e degradazione di altre proprietà meccaniche. Infine, nella linea oggetto di studio non si ha presenza di elementi come zolfo, azoto, alogeni e altri che possono produrre altri tipi di corrosione ad alta temperatura RESISTENZA MECCANICA La valutazione della resistenza meccanica è resa possibile analizzando la tensione ammissibile alla temperatura di esercizio di differenti materiali, considerando i dati forniti dalla normativa di riferimento [1]. Naturalmente non è una considerazione che prende in esame tutti i materiali esistenti, ma una scelta tra famiglie di materiali aventi caratteristiche simili. Per quanto concerne la resistenza dei materiali alle alte temperature bisognerebbe anche tener conto di come il materiale si trasforma (metallurgicamente e fisicamente). Infatti possono subentrare tutta una serie di altri fattori, come ad esempio il comportamento al creep, che devono essere presi in esame per una corretta progettazione meccanica (in questa fase molte considerazioni sono omesse, ma sono riproposte nella Parte II) MATERIALI IMPIEGABILI Viene esposto un breve confronto sulle famiglie di materiali commercialmente più adottati. Il carbon steel è l acciaio più economico e sicuramente il più usato, anche per le medioalte temperature, ma solitamente non è adoperato per utilizzi a temperature superiori ai 425 C. Valore limite per non avere eccessiva velocità di ossidazione e rischio di grafitizzazione, poiché più alte sono le temperature in gioco più veloce sono l ossidazione e la degradazione delle proprietà meccaniche [3]. Quindi si ha la necessità di adoperare acciai legati per aumentare sia la resistenza all ossidazione che quella meccanica alle alte temperature. (Per di più quando vi è la necessità di evitare la carburazione sono ampiamente usate leghe di Fe-Ni-Cr per apparecchiature di processo nell industria petrolchimica, anche con altri elementi di lega come il niobio, tungsteno, molibdeno, ecc.). Mentre le leghe al Cr-Mo sono migliori alle alte temperature per la resistenza meccanica e al creep, quelle al Cr-Si ottengono una migliore 3 Perdita di duttilità del materiale che diventa fragile (brittle) che può essere causato da diversi fattori, come i più conosciuti: infragilimento da idrogeno o da idrogeno solforato. 7

9 resistenza all ossidazione. Inoltre, con l aggiunta di un consistente quantitativo di elementi di lega si ottengono gli stainless steel (o acciai inossidabili, per definizione contenenti un minimo di 11% 4 di Cr), i quali sono ampiamente utilizzati per applicazioni ad alte temperature quando i carbon steel e i low-alloy steel non forniscono un adeguata resistenza alla corrosione e/o meccanica. Gli stainless steel possiedono un alta resistenza alla corrosione ottenuta da un sottile strato di ossido di cromo che protegge l acciaio sottostante e capace di rigenerarsi in un ampia varietà di ambienti. Tra le varie tipologie di stainless steel, per la realizzazione di tubazioni operanti a temperature dell ordine dei 650 C, sono solitamente adoperati quelli di tipo austenitico, caratterizzati, oltre che dalla presenza di cromo, da alti tenori di nichel. Il nichel, infatti, essendo elemento austenitizzante, ha l effetto di allargare il campo di esistenza dell austenite ed aumentare la stabilità di questa fase allotropica anche alle basse temperature. Gli acciai inossidabili austenitici, pertanto, si distinguono per la loro particolare composizione chimica e la loro struttura, le quali gli conferiscono loro una resistenza meccanica a caldo che ne permette l utilizzo a temperature nettamente superiori a quelle d impiego di tutti gli acciai bassolegati. Inoltre la loro saldabilità, che sarà trattata in dettaglio in seguito (Parte II), non richiede né preriscaldi né, di regola, trattamenti termici postsaldatura [4]. Infine, una miglior resistenza alla corrosione e meccanica alle alte temperature può essere ottenuta con l impiego di leghe di nichel o superleghe. È proposta un immagine riassuntiva con le leghe comunemente utilizzate per applicazioni industriali, esposte in ordine crescente di costo. Inoltre sono messe in evidenza le tipologie di lega impiegabili in questa linea piping (fig. 2.1). 4 Tutte le composizioni di leghe esposte in questa trattazione sono espresse in peso percentuale. 8

10 Fig. 2.1 Materiali metallici co muni in ordine di costo Non sono impiegabili i carbon steel e i bassolegati per un insufficiente resistenza meccanica alla temperatura di design (oltre al fatto che hanno una bassa resistenza a corrosione). Gli stainless steel ferritici e martensitici non sono invece presi in considerazione perché non impiegati per questo tipo di applicazioni. Infine i duplex non sono utilizzabili per temperature superiori ai 300 C (per precipitazione di fasi intermetalliche). Di conseguenza per la produzione della linea possono essere esaminati gli austenitic stainless steel o le leghe di nichel. Le leghe di nichel hanno un costo maggiore, ma caratteristiche meccaniche migliori, quindi la scelta sarà determinata come il miglior compromesso tra costo della materia prima e la quantità di materiale da impiegare (infatti con un materiale più resistente si possono impiegare spessori minori). Quindi, nella fase di design, è selezionato il materiale che permette il maggior risparmio in termini di costo di acquisto della tubazione. Selezionate le due famiglie di leghe impiegabili, vista l importanza della specifica linea all interno dell impianto, si ricercano dei materiali con alte prestazioni all interno dei due gruppi: tra gli austenitici è stato selezionato il 347H 5 e tra le leghe di nickel l N08811 (variante dell Incoloy 800 con alto tenore di carbonio). La scelta del 347H è dovuta soprattutto alla sua buona resistenza meccanica alle alte temperature e per l ottima saldabilità e resistenza alla sensibilizzazione, discorso approfondito meglio in seguito (Parte II). In particolare si preferisce il 347 ad alto contenuto di carbonio per avere migliore resistenza a creep alle alte temperature. L Incoloy 800 è, invece, tra le leghe di nichel più utilizzate, con ottime proprietà meccaniche. Nelle tabelle sono esposte le proprietà di interesse delle due leghe. 5 Denominazione ASTM. 9

11 347H N08811 Tab. 2.1 Co mposizione chimica d el 347H [5] e del N08811 [6] C Mn P S Si Cr Ni Nb + Ta Al + Ti * *** * 0.040* 0.015* 1.0* *Contenuto massimo. **Contenuto minimo. ***Il contenuto deve essere non meno di otto volte il contenuto di carbonio e non più dell 1.00%. 347H N08811 Tab. 2.2 Proprietà fisiche di interesse d el 347H [5] e N08811 [6] Carico di rottura Carico di Tensione snervamento ammissibile a [MPa] 675 C [MPa] [MPa] Coefficiente di dilatazione termica [m/m/( C*10-6 )] Per quanto riguarda l aspetto economico, la lega di nichel arriva a costare circa dieci volte 6 lo stainless steel. Di conseguenza, una volta scelto il diametro nominale, è valutato se l aumento di spessore del 347H sia giustificato dal minor costo della materia prima (Fig. 2.2), questo senza considerare tutta un altra serie di fattori, come la scelta della supporteria e delle saldature, che incidono sulla scelta finale (che comunque favoriscono l impiego del 347H). S impone che il percorso non cambi a seconda del materiale selezionato, quindi il costo è direttamente proporzionale all area della sezione del tubo. Fig. 2.2 Vantaggio econo mico nell impiego di una lega Vista la considerevole differenza di costo tra le due leghe, è di uso comune impiegare il materiale meno nobile quando possibile, come difatti avviene nel presente caso. Tale scelta è comunque giustificata e verificata al paragrafo Valore orientativo ottenuto da un indagine di mercato su costi di tubazioni fabbricate con le leghe in questione. 10

12 2.1.5 MATERIALE IMPIEGATO La tubazione sarà realizzata in 347H con standard di riferimento ASTM A358 [5] (Standard Specification for Electric-Fusion-Welded Austenitic Chromium-Nickel Stainless Steel Pipe for High-Temperature Service and General Applications), con classe 1: tubazione double welded con metallo d apporto in tutte le passate e completamente radiografato. 2.2 SELEZIONE DEL DIAMETRO Nella scelta del diametro della tubazione si ricerca il miglior compromesso tra costo del materiale e caduta di pressione. Infatti: (a) un diametro piccolo comporta minori costi di approvvigionamento del materiale ma (b) maggiori velocità di attraversamento del fluido inducono maggiori perdite di carico, per la cui minimizzazione sarebbe necessario impiegare diametri maggiori (la portata è un dato di input del progetto). Il procedimento di selezione è di tipo iterativo: viene scelta una velocità di attraversamento del fluido, quindi calcolato il diametro (essendo la portata imposta), a questo punto si effettua la verifica delle perdite di carico, possibile dopo la scelta del percorso e della supporteria (fig. 2.3). Fig. 2.3 Ciclo iterativo p er la scelta del diametro Poiché il fluido è in fase gassosa il processo consiglia di imporre una velocità di percorrenza di m/s. La standardizzazione dei componenti delle condutture secondo le norme ANSI [1] impone come diametro nominale (Nominal Pipe Size - NPS) il diametro esterno e si preferisce, esclusivamente per questa unità di misura, l utilizzo del pollice. Per la selezione del diametro è considerato trascurabile lo spessore della tubazione, quindi si impone la minima velocità accettata (18 m/s), siccome la successiva scelta dello spessore 11

13 comporta un leggero aumento dell effettiva velocità di attraversamento del fluido nel condotto. Si risolve la (2.1) per ottenere il diametro desiderato, (imponendo trascurabile lo spessore): = (2.1) portata volumetrica area frontale della tubazione diametro 7 velocità media del fluido = 4 (2.2) Si ottiene un diametro di 29.9, quindi viene scelto il diametro di tubazione stardardizzato più vicino a quello calcolato: =" 2.3 SELEZIONE DELLO SPESSORE Lo spessore minimo impiegabile, in accordo con la normativa B31.3 [1], è ottenuto dalla relazione (2.3): = + (2.3) = 2(+) (2.4) Con l espressione (2.4) valida per >6. spessore minimo di progetto spessore di progetto dato dalla pressione interna tensione massima ammissibile alla temperatura di progetto fattore di qualità della saldatura di fabbricazione della tubazione fattore di riduzione di resistenza della saldatura coefficiente di riduzione per collaborazione plastica, funzione del materiale e della temperatura pressione di design sovraspessore di: tolleranza di lavorazione, corrosione, ulteriori lavorazioni 7 Ogni qual volta si parli di diametro, ci si riferisce al diametro esterno, tranne dove specificato diversamente. 12