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La metallurgia può determinare o meno il successo dei raccordi per tubi

Da oltre quarant'anni Parker è all'avanguardia nello sviluppo del processo di lavorazione chimica. Il tutto per avere, tra l’altro, ferule progettate per fare presa su tubi in acciaio inox ( e non solo ) e renderle più resistenti alla corrosione. Tale processo è stato chiamato Suparcase. L'articolo analizza l'importanza della metallurgia e spiega come Parker ha utilizzato la tecnologia Suparcase. I migliori raccordi a compressione per tubing si caratterizzano per un mix equilibrato di durezza, robustezza e resistenza alla corrosione. Il processo di indurimento della ferula Suparcase di Parker non richiede elevate temperature e la lunga durata del procedimento di indurimento del rivestimento metallico tradizionale. Tanto che questi procedimenti riducono la resistenza alla corrosione dell'acciaio inox.

metallurgia 1I raccordi a compressione per tubing in acciaio inox semplificano l'installazione e la manutenzione di strumenti di controllo e misurazione utilizzati nella lavorazione di sostanze chimiche, negli stabilimenti petrolchimici e in numerosi altri contesti industriali. Questi raccordi sigillano un'ampia gamma di sostanze chimiche e fluidi aggressivi e sono resistenti alla corrosione interna ed esterna. I raccordi chiudono e sigillano comprimendo l'estremità di una ferrula sul diametro esterno del tubo. I raccordi a compressione di qualità elevata mantengono la pressione interna senza perdite o guasti fino alla rottura del tubo. I raccordi si possono smontare e rimontare ripetutamente senza alcuna perdita di integrità di tenuta.

Al giorno d'oggi numerosi fornitori di tecnologia di sistemi per fluidi producono raccordi a compressione per tubing che tendono ad avere lo stesso aspetto. Detto questo gli stessi possono differire leggermente nei dettagli di progettazione e nei processi produttivi; tutto questo pùò trarre in inganno.

La ferula, forse il componente più importante dei raccordi per tubi a compressione, all'apparenza è un elemento piuttosto semplice. Eppure si tratta di un componente a elevata ingegnerizzazione, che per funzionare adeguatamente richiede una notevole competenza in materia di progettazione, metallurgia e produzione. Non tutti i prodotti presenti su mercato soddisfano questi rigorosi requisiti. Ad esempio, per fare presa sul tubo e serrarlo in modo adeguato, la ferula deve deformarsi elasticamente e plasticamente in modo preciso durante l'assemblaggio del raccordo. Il suo bordo anteriore deve essere più duro del tubo per chiudere e serrare anche in presenza di graffi e difetti superficiali, ma se l'intera ferula è troppo dura, potrebbe non deformarsi correttamente. Pertanto solo il bordo di presa della ferula viene indurito; il resto di questo componente ha proprietà meccaniche diverse strettamente controllate. Inoltre il processo di indurimento non deve compromettere la resistenza alla corrosione dell'acciaio inox. Infine i processi di produzione devono fabbricare in modo costante ferule prive di difetti caratterizzate da rigorose tolleranze e specifiche metallurgiche precise.

Evoluzione della progettazione: una ferula che predomina su tutte

Questo articolo è incentrato sui raccordi a compressione a ferula singola, ma molti dei principi si applicano anche ai raccordi a compressione a due ferule. Originariamente le ferule erano prodotte da barre di acciaio inox trafilate a freddo. La deformazione della trafilatura a freddo indurisce il metallo e distribuisce la resistenza meccanica in tutta la ferula. Ma il bordo anteriore della ferrula spesso continuava a non essere abbastanza duro da serrare i difetti superficiali del tubo quali graffi, giunzioni di saldatura, ovalità e durezza.

Una soluzione consisteva nel placcare le ferule con un metallo morbido (ad esempio l'argento) per una migliore tenuta, quando si aveva a che fare con gas ad alta pressione. Ciò ha migliorato la resistenza alle pressioni pulsanti, alle oscillazioni di temperatura e alle vibrazioni e su numerose tenute per applicazioni per il vuoto e pressioni elevate. Questo grazie alla deformazione dei bordi duri in metallo morbido. La deformazione del componente morbido con uno duro consente un profondo contatto metallo-metallo sulle superfici di contatto e supera le irregolarità di superficie (una buona fonte di informazioni dettagliate è Industrial Sealing Technology, H. Hugo Buchter, John Wiley and Sons, 1979). I produttori hanno applicato questo concetto ai raccordi per tubi indurendo il rivestimento delle ferrule, procedimento che sostanzialmente incrementa la durezza della superficie e consente il taglio dei difetti di superficie, compensando le variazioni dei tubi.

Il tradizionale trattamento termico del rivestimento con gas consente di indurire la superficie interna fino a una profondità di circa 0,004 pollici. Durante l'assemblaggio il bordo anteriore della ferula è sottoposto ad uno sforzo di taglio sul tubo. Se smontata, la ferula resta saldamente bloccata al tubo, il che consente rilavorazioni con un'integrità di tenuta costante. Il raccordo gestisce pressioni interne, pressioni pulsanti, variazioni di temperatura e vibrazioni fino a che il tubo non si rompe o cede per stress. Tuttavia il trattamento termico con gas (così come la cementazione e la carbonitrurazione) riduce sostanzialmente la resistenza alla corrosione dell'acciaio inox. Questi perfezionamenti del processo consentono ai produttori di indurire solo una fascia di circa 0,050 pollici dall'estremità della ferula; in tale caso a volte si parla di ferula "limitatamente nitrurata". In questo modo si riduce la probabilità di corrosione, in quanto la fascia nitrurata viene affondata nella superficie del tubo. Ma ciò continua a dar vita a un potenziale problema di corrosione se, a causa di fabbricazione impropria o difetti di superficie, la fascia viene a contatto con sostanze chimiche. Inoltre i raccordi non installati, conservati in ambienti corrosivi, ad esempio quelli caratterizzati dalla presenza di salsedine, a volte si arrugginiscono sulla fascia nitrurata.

Indurimento del rivestimento

La nitrurazione e la cementazione tradizionali richiedono temperature elevate affinché gli elementi di indurimento, ovvero l'azoto e il carbonio, penetrino lo strato di ossido passivo che rende l'acciaio inox resistente alla corrosione. Le temperature elevate consentono al cromo, un elemento legante anticorrosione, di diffondersi attraverso il metallo e formare nitruri e carburi chimicamente stabili. Questi composti conferiscono allo strato di superficie la maggior parte della sua durezza, ma in questa forma chimicamente combinata il cromo non resiste più alla corrosione e lo strato nitrurato o cementato si corrode in molti ambienti, tra cui l'acqua di mare e persino l'aria umida. metallurgy 2

Inoltre la nitrurazione e la cementazione possono "sensibilizzare" l'acciaio inox austenitico esposto a temperature elevate per un periodo di tempo prolungato. Il nuovo processo di indurimento introdotto da Parker Hannifin alla fine degli anni Ottanta non riduce la resistenza dalla corrosione dell'acciaio inox.

Questi nuovi processi non richiedono temperature elevate e le lunghi trattamenti che consentono la diffusione del cromo. Ciò mantiene il cromo in soluzione solida come elemento legante resistente alla corrosione. Lo strato indurito è continuo, privo di difetti e vuoti, in quanto il processo tende a riempire le inclusioni di superficie e sostanzialmente a ridurre gli effetti della corrosione dei grani finali.

I nuovi processi inoltre non interessano la massa metallica. Non si hanno variazioni della resistenza meccanica o sensibilizzazione sotto lo strato indurito. Lo strato duttile si deforma con la ferula durante l'assemblaggio senza cracking o spalling.

In questi processi il carbonio soprasatura lo strato indurito. In termini generali il processo rimuove lo strato di ossido passivo dalla superficie di acciaio, lasciando che gli atomi di carbonio si diffondano direttamente nel reticolo del metallo senza attraversare la barriera dello strato passivo. Gli atomi di carbonio si diffondono a temperature più basse rispetto ad altri elementi leganti, evitando in questo modo i problemi provocati dalla formazione di carburi e nitruri.

Azione meccanica

Un equilibrio di proprietà metallurgiche è di importanza critica per l'azione meccanica di una ferula durante l'assemblaggio di un raccordo. Ad esempio il bordo anteriore della ferula singola 
CPI di Parker Hannifin taglia il tubo, mentre il corpo si inarca e stringe il tubo in corrispondenza del bordo di uscita. La presa sul bordo anteriore impedisce fuoriuscite sotto pressione.

La ferula deve inoltre funzionare altrettanto bene nel range delle tolleranze del diametro del tubo, generalmente ±0,005 pollici, e gestire difetti di superficie, ad esempio graffi, che possono avere una profondità di diversi millesimi di pollice. L'azione di inarcamento trasforma la ferula in una sorta di molla, lasciando che mantenga la tensione contro il tubo e l'angolo di seduta corretto per il serraggio malgrado le vibrazioni, l'urto meccanico e l'espansione termica. Il retro della ferrula, inoltre, serra il tubo senza stringerlo troppo, smorzando le vibrazioni che altrimenti verrebbero trasmesse all'interfaccia di tenuta.

Per far sì che avvenga tutto ciò è necessario controllare in modo accurato proprietà meccaniche quali il carico di snervamento e la durezza. Una ferula estremamente dura risulterà troppo rigida durante l'assemblaggio e non inciderà e serrerà il tubo correttamente. Se invece è troppo morbida, il materiale sottostante non reggerà la superficie indurita del rivestimento. Il risultato sarà un effetto a guscio d'uovo: il bordo anteriore di presa collasserà durante l'assemblaggio e non manterrà il tubo sotto pressione. Si ridurrà inoltre l'effetto molla ad arco.

La lavorazione a freddo è l'unico modo per incrementare la durezza dell'acciaio inox austenitico di tipo 316 dopo la ricottura. Tuttavia le velocità di indurimento da lavorazione cambiano in base alla composizione dell'acciaio e le percentuali degli elementi costitutivi possono variare entro un range consentito. La lavorazione a freddo può anche ridurre la resistenza alla corrosione. I produttori devono perciò controllare in modo esatto la composizione per mantenere proprietà meccaniche costanti e conservare la struttura austenitica, e l’indurimento del rivestimento non deve modificare queste caratteristiche in modo incontrollato.

Lubrificazione

Le parti in acciaio inox che sfregano l'una contro l'altra in condizioni di alta pressione presentano una forte tendenza alla saldatura a freddo e al grippaggio. E per creare connessioni per tubi a elevata integrità e a prova di perdite, durante l'assemblaggio le ferule devono solo scorrere in avanti e non ruotare insieme al dado. Per evitare il grippaggio e garantire solo il movimento lineare della ferula, i tecnici devono controllare in modo esatto le condizioni della superficie e la lubrificazione in corrispondenza delle interfacce dado/ferula e dado/corpo.

Tutte le superfici di accoppiamento devono essere lisce e prive di difetti, che aggraverebbero il grippaggio. Un rivestimento in molibdeno è il lubrificante consigliato per numerosi raccordi a compressione. Il molibdeno aderisce immediatamente alle superfici, è famoso per le sue proprietà lubrificanti e antigrippaggio ed essendo solido non viene spremuto come i lubrificanti plasmabili liquidi o morbidi in condizioni di estrema pressione. Ne conseguono una coppia di assemblaggio bassa e prestazioni coerenti, persino in caso di rilavorazioni.

Questo articolo è stato scritto con il contributo di:

heros gambini

 

Heros Gambini, Account Manager Instrumentation - Parker Hannifin Italy srl

 

 

 

 

 

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