Caldaia e scambiatore di calore: guida alla selezione dei tubi senza saldatura

Introduzione

In settori quali la produzione di energia, petrolio e gas, petrolchimica e raffinerie, i tubi senza saldatura sono componenti essenziali, specialmente in apparecchiature che devono resistere a temperature estreme, alte pressioni e ambienti difficili e corrosivi. Caldaie, scambiatori di calore, condensatori, surriscaldatori, preriscaldatori d'aria ed economizzatori utilizzano questi tubi. Ognuna di queste applicazioni richiede proprietà specifiche dei materiali per garantire prestazioni, sicurezza e longevità. La selezione dei tubi senza saldatura per la caldaia e lo scambiatore di calore dipende dalla temperatura specifica, dalla pressione, dalla resistenza alla corrosione e dalla resistenza meccanica.

Questa guida fornisce un'analisi approfondita dei vari materiali utilizzati per i tubi senza saldatura, tra cui acciaio al carbonio, acciaio legato, acciaio inossidabile, leghe di titanio, leghe a base di nichel, leghe di rame e leghe di zirconio. Esploreremo anche gli standard e i gradi pertinenti, aiutandoti così a prendere decisioni più consapevoli per i tuoi progetti di caldaie e scambiatori di calore.

Panoramica di CS, AS, SS, leghe di nichel, leghe di titanio e zirconio, rame e leghe di rame

1. Proprietà di resistenza alla corrosione

Ogni materiale utilizzato per i tubi senza saldatura possiede specifiche proprietà di resistenza alla corrosione che ne determinano l'idoneità a diversi ambienti.

Acciaio al carbonio: Resistenza alla corrosione limitata, in genere utilizzata con rivestimenti o rivestimenti protettivi. Soggetto ad arrugginimento in presenza di acqua e ossigeno, a meno che non venga trattato.
Acciaio legato: Resistenza moderata all'ossidazione e alla corrosione. Le aggiunte di leghe come cromo e molibdeno migliorano la resistenza alla corrosione ad alte temperature.
Acciaio inossidabile: Eccellente resistenza alla corrosione generale, alla corrosione sotto sforzo e alla corrosione puntiforme grazie al suo contenuto di cromo. I gradi più elevati, come il 316L, hanno una migliore resistenza alla corrosione indotta da cloruri.
Leghe a base di nichel: Resistenza eccezionale ad ambienti aggressivi come acidi, alcalini e ambienti ricchi di cloruri. Le applicazioni altamente corrosive utilizzano leghe come Inconel 625, Hastelloy C276 e Alloy 825.
Titanio e Zirconio: Resistenza superiore alle salamoie di acqua di mare e ad altri mezzi altamente corrosivi. Il titanio è particolarmente resistente al cloruro e agli ambienti acidi, mentre le leghe di zirconio eccellono in condizioni altamente acide.
Rame e leghe di rame: Eccellente resistenza alla corrosione in acqua dolce e marina, con le leghe di rame-nichel che mostrano una resistenza eccezionale negli ambienti marini.

2. Proprietà fisiche e termiche

Acciaio al carbonio:
Densità: 7,85 g/cm³
Punto di fusione: 1.425-1.500°C
Conduttività termica: ~50 W/m·K
Acciaio legato:
Densità: varia leggermente in base agli elementi di lega, in genere intorno a 7,85 g/cm³
Punto di fusione: 1.450-1.530°C
Conduttività termica: inferiore all'acciaio al carbonio a causa degli elementi di lega.
Acciaio inossidabile:
Densità: 7,75-8,0 g/cm³
Punto di fusione: ~1.400-1.530°C
Conduttività termica: ~16 W/m·K (inferiore all'acciaio al carbonio).
Leghe a base di nichel:
Densità: 8,4-8,9 g/cm³ (dipende dalla lega)
Punto di fusione: 1.300-1.400°C
Conduttività termica: solitamente bassa, ~10-16 W/m·K.
Titanio:
Densità: 4,51 g/cm³
Punto di fusione: 1.668 °C
Conduttività termica: ~22 W/m·K (relativamente bassa).
Rame:
Densità: 8,94 g/cm³
Punto di fusione: 1.084°C
Conduttività termica: ~390 W/m·K (eccellente conduttività termica).

3. Composizione chimica

Acciaio al carbonio: Principalmente ferro con 0,3%-1,2% di carbonio e piccole quantità di manganese, silicio e zolfo.
Acciaio legato: Contiene elementi come cromo, molibdeno, vanadio e tungsteno per migliorare la resistenza e la resistenza alla temperatura.
Acciaio inossidabile: Contiene solitamente cromo 10,5%-30%, insieme a nichel, molibdeno e altri elementi a seconda del grado.
Leghe a base di nichel: Prevalentemente nichel (40%-70%) con cromo, molibdeno e altri elementi di lega per migliorare la resistenza alla corrosione.
Titanio: I gradi 1 e 2 sono realizzati in titanio commercialmente puro, mentre il grado 5 (Ti-6Al-4V) comprende alluminio 6% e vanadio 4%.
Leghe di rame: Le leghe di rame contengono vari elementi come il nichel (10%-30%) per la resistenza alla corrosione (ad esempio, Cu-Ni 90/10).

4. Proprietà meccaniche

Acciaio al carbonio: Resistenza alla trazione: 400-500 MPa, Limite di snervamento: 250-350 MPa, Allungamento: 15%-25%
Acciaio legato: Resistenza alla trazione: 500-900 MPa, Limite di snervamento: 300-700 MPa, Allungamento: 10%-25%
Acciaio inossidabile: Resistenza alla trazione: 485-690 MPa (304/316), Limite di snervamento: 170-300 MPa, Allungamento: 35%-40%
Leghe a base di nichel: Resistenza alla trazione: 550-1.000 MPa (Inconel 625), Limite di snervamento: 300-600 MPa, Allungamento: 25%-50%
Titanio: Resistenza alla trazione: 240-900 MPa (varia in base al grado), Limite di snervamento: 170-880 MPa, Allungamento: 15%-30%
Leghe di rame: Resistenza alla trazione: 200-500 MPa (dipende dalla lega), Limite di snervamento: 100-300 MPa, Allungamento: 20%-35%

5. Trattamento termico (condizioni di consegna)

Acciaio al carbonio e legato: Consegnato in condizioni ricotte o normalizzate. I trattamenti termici includono tempra e rinvenimento per migliorare resistenza e tenacità.
Acciaio inossidabile: Fornito in condizioni di ricottura per eliminare le sollecitazioni interne e migliorare la duttilità.
Leghe a base di nichel: Soluzione ricotta per ottimizzare le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione.
Titanio e Zirconio: Solitamente fornito allo stato ricotto per massimizzare duttilità e tenacità.
Leghe di rame: Fornito in condizioni di ricottura morbida, specifico per applicazioni di formatura.

6. Formazione

Acciaio al carbonio e legato: Possono essere formati a caldo o a freddo, ma gli acciai legati richiedono uno sforzo maggiore a causa della loro maggiore resistenza.
Acciaio inossidabile: La formatura a freddo è comune, anche se i tassi di incrudimento sono più elevati rispetto all'acciaio al carbonio.
Leghe a base di nichel: Più difficile da formare a causa dell'elevata resistenza e dell'elevata velocità di incrudimento; spesso richiede lavorazione a caldo.
Titanio: La formatura avviene al meglio a temperature elevate, data l'elevata resistenza a temperatura ambiente.
Leghe di rame: Facile da modellare grazie alla buona duttilità.

7. Saldatura

Acciaio al carbonio e legato: Generalmente facili da saldare utilizzando tecniche convenzionali, ma potrebbe essere necessario un trattamento termico di preriscaldamento e post-saldatura (PWHT).
Acciaio inossidabile: I metodi di saldatura più comuni includono TIG, MIG e saldatura ad arco. È necessario un attento controllo dell'apporto di calore per evitare la sensibilizzazione.
Leghe a base di nichel: Difficile da saldare a causa dell'elevata dilatazione termica e della predisposizione alle cricche.
Titanio: Saldato in un ambiente schermato (gas inerte) per evitare contaminazioni. Sono necessarie precauzioni a causa della reattività del titanio ad alte temperature.
Leghe di rame: Facile da saldare, soprattutto le leghe di rame-nichel, ma potrebbe essere necessario il preriscaldamento per evitare crepe.

8. Corrosione delle saldature

Acciaio inossidabile: Se non adeguatamente controllata, può verificarsi corrosione localizzata (ad esempio corrosione puntiforme, corrosione interstiziale) nella zona di saldatura interessata dal calore.
Leghe a base di nichel: Suscettibile di cricche da corrosione sotto sforzo se esposto a cloruri ad alte temperature.
Titanio: Le saldature devono essere adeguatamente protette dall'ossigeno per evitarne la fragilità.

9. Decalcificazione, decapaggio e pulizia

Acciaio al carbonio e legato: Il decapaggio rimuove gli ossidi superficiali dopo il trattamento termico. Gli acidi comuni includono acido cloridrico e solforico.
Acciaio inossidabile e leghe di nichel: Il decapaggio con acido nitrico/fluoridrico viene utilizzato per rimuovere le macchie dovute al calore e ripristinare la resistenza alla corrosione dopo la saldatura.
Titanio: Per pulire la superficie e rimuovere gli ossidi senza danneggiare il metallo si utilizzano soluzioni di decapaggio acide leggere.
Leghe di rame: La pulizia acida viene utilizzata per rimuovere ossidazioni e ossidi superficiali.

10. Processo di superficie (AP, BA, MP, EP, ecc.)

AP (ricotto e decapato): Finitura standard per la maggior parte delle leghe di nichel e acciaio inossidabile dopo ricottura e decapaggio.
BA (ricotto in bianco): Si ottiene tramite ricottura in atmosfera controllata per produrre una superficie liscia e riflettente.
MP (lucidato meccanicamente): La lucidatura meccanica migliora la levigatezza della superficie, riducendo il rischio di contaminazione e di inizio della corrosione.
EP (Elettrolucidato): Un processo elettrochimico che rimuove il materiale superficiale per creare una finitura ultra liscia, riducendo la rugosità superficiale e migliorando la resistenza alla corrosione.

I. Comprensione dei tubi senza saldatura

I tubi senza saldatura differiscono dai tubi saldati in quanto non hanno una saldatura, che può essere un punto debole in alcune applicazioni ad alta pressione. I tubi senza saldatura sono inizialmente formati da una billetta solida, che viene poi riscaldata e, successivamente, viene estrusa o trafilata su un mandrino per creare la forma del tubo. L'assenza di saldature conferisce loro una resistenza e un'affidabilità superiori, rendendoli ideali per ambienti ad alta pressione e alta temperatura.

Applicazioni comuni:

Caldaie: I tubi senza saldatura sono essenziali nella costruzione di caldaie a tubi d'acqua e a tubi da fumo, dove sono presenti temperature e pressioni elevate.
Scambiatori di calore: Utilizzati per trasferire calore tra due fluidi, i tubi senza saldatura negli scambiatori di calore devono resistere alla corrosione e mantenere l'efficienza termica.
Condensatori: I tubi senza saldatura aiutano a condensare il vapore in acqua nei sistemi di generazione di energia e di refrigerazione.
Surriscaldatori: I tubi senza saldatura vengono utilizzati per surriscaldare il vapore nelle caldaie, migliorando l'efficienza delle turbine nelle centrali elettriche.
Preriscaldatori d'aria: Questi tubi trasferiscono il calore dai gas di combustione all'aria, migliorando l'efficienza della caldaia.
Economizzatori: I tubi senza saldatura negli economizzatori preriscaldano l'acqua di alimentazione utilizzando il calore di scarto dei gas di scarico della caldaia, aumentando l'efficienza termica.

Caldaie, scambiatori di calore, condensatori, surriscaldatori, preriscaldatori d'aria ed economizzatori sono componenti integrali in diversi settori, in particolare quelli coinvolti nel trasferimento di calore, nella produzione di energia e nella gestione dei fluidi. In particolare, questi componenti trovano impiego primario nei seguenti settori:

1. Settore della produzione di energia

Caldaie: utilizzate nelle centrali elettriche per convertire l'energia chimica in energia termica, spesso per la generazione di vapore.
Surriscaldatori, economizzatori e preriscaldatori d'aria: questi componenti migliorano l'efficienza preriscaldando l'aria di combustione, recuperando calore dai gas di scarico e riscaldando ulteriormente il vapore.
Scambiatori di calore e condensatori: utilizzati per il raffreddamento e il recupero del calore nelle centrali termoelettriche, in particolare nelle turbine a vapore e nei cicli di raffreddamento.

2. Industria petrolifera e del gas

Scambiatori di calore: essenziali nei processi di raffinazione, in cui il calore viene trasferito tra fluidi, come nella distillazione del petrolio greggio o nelle piattaforme offshore per la lavorazione del gas.
Caldaie ed economizzatori: presenti nelle raffinerie e negli impianti petrolchimici per la generazione di vapore e il recupero di energia.
Condensatori: utilizzati per condensare i gas in liquidi durante i processi di distillazione.

3. Industria chimica

Scambiatori di calore: ampiamente utilizzati per riscaldare o raffreddare reazioni chimiche e per recuperare calore da reazioni esotermiche.
Caldaie e surriscaldatori: utilizzati per produrre il vapore necessario per vari processi chimici e per fornire energia per le fasi di distillazione e reazione.
Preriscaldatori d'aria ed economizzatori: migliorano l'efficienza nei processi chimici ad alta intensità energetica recuperando il calore dai gas di scarico e riducendo il consumo di carburante.

4. Industria marittima

Caldaie e scambiatori di calore: essenziali nelle imbarcazioni marine per la generazione di vapore, il riscaldamento e i sistemi di raffreddamento. Gli scambiatori di calore marini sono spesso utilizzati per raffreddare i motori della nave e generare energia.
Condensatori: vengono utilizzati per convertire il vapore di scarico in acqua da riutilizzare nei sistemi di caldaie della nave.

5. Industria alimentare e delle bevande

Scambiatori di calore: comunemente utilizzati per processi di pastorizzazione, sterilizzazione ed evaporazione.
Caldaie ed economizzatori: utilizzati per produrre vapore per le operazioni di lavorazione alimentare e per recuperare calore dai gas di scarico per risparmiare sul consumo di carburante.

6. HVAC (Riscaldamento, Ventilazione e Aria Condizionata)

Scambiatori di calore e preriscaldatori d'aria: utilizzati nei sistemi HVAC per un efficiente trasferimento di calore tra fluidi o gas, garantendo riscaldamento o raffreddamento per edifici e impianti industriali.
Condensatori: utilizzati negli impianti di condizionamento dell'aria per dissipare il calore del refrigerante.

7. Industria della carta e della cellulosa

Caldaie, scambiatori di calore ed economizzatori: forniscono il recupero di vapore e calore in processi quali la produzione di cellulosa, l'essiccazione della carta e il recupero chimico.
Surriscaldatori e preriscaldatori d'aria: migliorano l'efficienza energetica delle caldaie di recupero e il bilancio termico complessivo delle cartiere.

8. Industria metallurgica e siderurgica

Scambiatori di calore: utilizzati per raffreddare gas e liquidi caldi nella produzione dell'acciaio e nei processi metallurgici.
Caldaie ed economizzatori: forniscono calore per vari processi, come il funzionamento dell'altoforno, il trattamento termico e la laminazione.

9. Industria farmaceutica

Scambiatori di calore: utilizzati per controllare la temperatura durante la produzione di farmaci, i processi di fermentazione e gli ambienti sterili.
Caldaie: generano il vapore necessario per la sterilizzazione e il riscaldamento delle apparecchiature farmaceutiche.

10. Impianti di termovalorizzazione

Caldaie, condensatori ed economizzatori: utilizzati per convertire i rifiuti in energia tramite la combustione, recuperando calore per migliorarne l'efficienza.

Ora approfondiamo i materiali che rendono i tubi senza saldatura adatti a queste applicazioni impegnative.

II. Tubi in acciaio al carbonio per caldaie e scambiatori di calore

L'acciaio al carbonio è uno dei materiali più ampiamente utilizzati per i tubi senza saldatura nelle applicazioni industriali, principalmente per la sua eccellente resistenza, nonché per la sua convenienza e ampia disponibilità. I tubi in acciaio al carbonio offrono una moderata resistenza alla temperatura e alla pressione, rendendoli adatti a un'ampia gamma di applicazioni.

Proprietà dell'acciaio al carbonio:
Elevata resistenza: i tubi in acciaio al carbonio possono sopportare pressioni e sollecitazioni elevate, il che li rende ideali per l'uso in caldaie e scambiatori di calore.
Conveniente: rispetto ad altri materiali, l'acciaio al carbonio è relativamente poco costoso, il che lo rende una scelta popolare nelle applicazioni industriali su larga scala.
Resistenza moderata alla corrosione: sebbene l'acciaio al carbonio non sia resistente alla corrosione come l'acciaio inossidabile, può essere trattato con rivestimenti o fodere per migliorarne la longevità in ambienti corrosivi.

Principali standard e gradi:

ASTM A179: Questo standard riguarda i tubi in acciaio a basso tenore di carbonio trafilati a freddo senza saldatura utilizzati per applicazioni di scambiatori di calore e condensatori. Questi tubi hanno eccellenti proprietà di trasferimento del calore e sono comunemente utilizzati in applicazioni a bassa e media temperatura e pressione.
ASTM A192: Tubi per caldaie in acciaio al carbonio senza saldatura progettati per servizio ad alta pressione. Questi tubi sono utilizzati nella generazione di vapore e in altri ambienti ad alta pressione.
ASTM A210: Questo standard riguarda tubi in acciaio al carbonio medio senza saldatura per applicazioni di caldaie e surriscaldatori. I gradi A-1 e C offrono vari livelli di resistenza e resistenza alla temperatura.
ASTM A334 (Gradi 1, 3, 6): tubi in acciaio al carbonio senza saldatura e saldati progettati per il servizio a bassa temperatura. Questi gradi sono utilizzati in scambiatori di calore, condensatori e altre applicazioni a bassa temperatura.
La norma EN 10216-2 (P235GH, P265GH TC1/TC2): Norma europea per tubi in acciaio senza saldatura utilizzati in applicazioni a pressione, in particolare in caldaie e in servizi ad alta temperatura.

I tubi in acciaio al carbonio sono una scelta eccellente per applicazioni di caldaie e scambiatori di calore in cui sono richieste elevata resistenza e moderata resistenza alla corrosione. Tuttavia, per applicazioni che comportano non solo temperature estremamente elevate ma anche ambienti corrosivi difficili, i tubi in lega o in acciaio inossidabile sono spesso preferiti per la loro superiore resistenza e durata.

III. Tubi in lega di acciaio per caldaie e scambiatori di calore

I tubi in lega di acciaio sono progettati per applicazioni di caldaie e scambiatori di calore ad alta temperatura e alta pressione. Questi tubi sono legati con elementi come cromo, molibdeno e vanadio per migliorarne la resistenza, la durezza e la resistenza alla corrosione e al calore. I tubi in lega di acciaio sono ampiamente utilizzati in applicazioni critiche, come surriscaldatori, economizzatori e scambiatori di calore ad alta temperatura, grazie alla loro eccezionale resistenza e resistenza al calore e alla pressione.

Proprietà dell'acciaio legato:
Elevata resistenza al calore: elementi di lega come cromo e molibdeno migliorano le prestazioni ad alte temperature di questi tubi, rendendoli adatti ad applicazioni con temperature estreme.
Maggiore resistenza alla corrosione: i tubi in lega di acciaio offrono una migliore resistenza all'ossidazione e alla corrosione rispetto all'acciaio al carbonio, in particolare in ambienti ad alta temperatura.
Maggiore resistenza: gli elementi di lega aumentano anche la resistenza di questi tubi, consentendo loro di sopportare l'elevata pressione nelle caldaie e in altre apparecchiature critiche.

Principali standard e gradi:

Norma ASTM A213 (Gradi T5, T9, T11, T22, T91, T92): questo standard riguarda tubi in lega di acciaio ferritico e austenitico senza saldatura per l'uso in caldaie, surriscaldatori e scambiatori di calore. I gradi differiscono nella loro composizione di lega e sono selezionati in base ai requisiti specifici di temperatura e pressione.
T5 e T9: adatti per temperature da moderate ad alte.
T11 e T22: comunemente utilizzati in applicazioni ad alta temperatura, offrono una migliore resistenza al calore.
T91 e T92: leghe avanzate ad alta resistenza progettate per l'impiego a temperature estremamente elevate nelle centrali elettriche.
La norma EN 10216-2 (16Mo3, 13CrMo4-5, 10CrMo9-10, 15NiCuMoNb5-6-4, X20CrMoV11-1): standard europei per tubi in lega di acciaio senza saldatura utilizzati in applicazioni ad alta temperatura. Questi tubi sono comunemente utilizzati in caldaie, surriscaldatori ed economizzatori nelle centrali elettriche.
16Mo3: Acciaio legato con buone proprietà ad alta temperatura, adatto all'uso in caldaie e recipienti a pressione.
13CrMo4-5 e 10CrMo9-10: leghe di cromo-molibdeno che offrono un'eccellente resistenza al calore e alla corrosione per applicazioni ad alte temperature.

I tubi in acciaio legato rappresentano la soluzione ideale per ambienti ad alta temperatura e alta pressione in cui l'acciaio al carbonio potrebbe non garantire prestazioni sufficienti per la caldaia e lo scambiatore di calore.

IV. Tubi in acciaio inossidabile per caldaie e scambiatori di calore

I tubi in acciaio inossidabile offrono un'eccezionale resistenza alla corrosione, rendendoli ideali per applicazioni di caldaie e scambiatori di calore che coinvolgono fluidi corrosivi, alte temperature e ambienti difficili. Sono ampiamente utilizzati in scambiatori di calore, surriscaldatori e caldaie, dove, oltre alla resistenza alla corrosione, è richiesta anche la resistenza alle alte temperature per prestazioni ottimali.

Proprietà dell'acciaio inossidabile:
Resistenza alla corrosione: la resistenza dell'acciaio inossidabile alla corrosione è dovuta al suo contenuto di cromo, che forma uno strato protettivo di ossido sulla superficie.
Elevata resistenza a temperature elevate: l'acciaio inossidabile mantiene le sue proprietà meccaniche anche a temperature elevate, rendendolo adatto per surriscaldatori e altre applicazioni che generano calore intenso.
Durata a lungo termine: la resistenza dell'acciaio inossidabile alla corrosione e all'ossidazione garantisce una lunga durata, anche in ambienti difficili.

Principali standard e gradi:

Norma ASTM A213 / Norma ASTM A249: Questi standard riguardano tubi in acciaio inossidabile senza saldatura e saldati per l'uso in caldaie, surriscaldatori e scambiatori di calore. I gradi comuni includono:
TP304 / TP304L (EN 1.4301 / 1.4307): i gradi di acciaio inossidabile austenitico sono ampiamente utilizzati per la loro resistenza alla corrosione e la loro robustezza.
TP310S / TP310MoLN (EN 1.4845 / 1.4466): gradi di acciaio inossidabile per alte temperature con eccellente resistenza all'ossidazione.
TP316 / TP316L (EN 1.4401 / 1.4404): gradi contenenti molibdeno con maggiore resistenza alla corrosione, in particolare in ambienti con presenza di cloruri.
TP321 (EN 1.4541): Grado di acciaio inossidabile stabilizzato utilizzato in ambienti ad alta temperatura per prevenire la corrosione intergranulare.
TP347H / TP347HFG (EN 1.4550 / 1.4961): gradi stabilizzati ad alto tenore di carbonio per applicazioni ad alta temperatura come surriscaldatori e caldaie.
UNS N08904 (904L) (EN 1.4539): Acciaio inossidabile super austenitico con eccellente resistenza alla corrosione, in particolare in ambienti acidi.
Norma ASTM A269: Copre tubi in acciaio inossidabile austenitico senza saldatura e saldati per servizi generali di resistenza alla corrosione.
ASTM A789: Standard per tubi in acciaio inossidabile duplex, che offre una combinazione di eccellente resistenza alla corrosione e elevata resistenza.
UNS S31803, S32205, S32750, S32760: gradi di acciaio inossidabile duplex e super duplex, che offrono una resistenza superiore alla corrosione, soprattutto in ambienti contenenti cloruri.
La norma EN 10216-5: Norma europea che copre i tubi senza saldatura in acciaio inossidabile, compresi i seguenti gradi:
1.4301 / 1.4307 (TP304 / TP304L)
1.4401 / 1.4404 (TP316 / TP316L)
1.4845 (TP310S)
1.4466 (TP310MoLN)
1.4539 (UNS N08904 / 904L)

I tubi in acciaio inossidabile sono estremamente versatili e vengono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui scambiatori di calore, caldaie e surriscaldatori, in cui sia la resistenza alla corrosione che la resistenza alle alte temperature non solo sono richieste, ma sono anche essenziali per prestazioni ottimali.

V. Leghe a base di nichel per caldaie e scambiatori di calore

Le leghe a base di nichel sono tra i materiali più resistenti alla corrosione disponibili e sono comunemente utilizzate nelle applicazioni di caldaie e scambiatori di calore che comportano temperature estreme, ambienti corrosivi e condizioni di alta pressione. Le leghe di nichel offrono una resistenza eccezionale all'ossidazione, alla solfurazione e alla carburazione, rendendole ideali per scambiatori di calore, caldaie e surriscaldatori in ambienti difficili.

Proprietà delle leghe a base di nichel:
Eccezionale resistenza alla corrosione: le leghe di nichel resistono alla corrosione in ambienti acidi, alcalini e contenenti cloruri.
Stabilità alle alte temperature: le leghe di nichel mantengono la loro resistenza e resistenza alla corrosione anche a temperature elevate, rendendole adatte ad applicazioni ad alta temperatura.
Resistenza all'ossidazione e alla solfurazione: le leghe di nichel sono resistenti all'ossidazione e alla solfurazione, che possono verificarsi in ambienti ad alta temperatura in presenza di composti contenenti zolfo.

Principali standard e gradi:

Norma ASTM B163 / Norma ASTM B407 / Norma ASTM B444: Questi standard riguardano le leghe a base di nichel per tubi senza saldatura utilizzati in caldaie, scambiatori di calore e surriscaldatori. I gradi comuni includono:
Inconel 600 / 601: Eccellente resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura, che rende queste leghe ideali per surriscaldatori e scambiatori di calore ad alta temperatura.
Inconel 625: offre una resistenza superiore a un'ampia gamma di ambienti corrosivi, compresi quelli acidi e ricchi di cloruri.
Incoloy 800 / 800H / 800HT: Utilizzati in applicazioni ad alta temperatura grazie alla loro eccellente resistenza all'ossidazione e alla carburazione.
Hastelloy C276 / C22: queste leghe di nichel-molibdeno-cromo sono note per la loro straordinaria resistenza alla corrosione in ambienti altamente corrosivi, compresi i mezzi acidi e contenenti cloruri.
Norma ASTM B423: Copre tubi senza saldatura realizzati in leghe di nichel-ferro-cromo-molibdeno come la lega 825, che offre un'eccellente resistenza alla corrosione sotto sforzo e alla corrosione generale in vari ambienti.
EN 10216-5: Norma europea per le leghe a base di nichel utilizzate nei tubi senza saldatura per applicazioni ad alta temperatura e corrosive, inclusi gradi quali:
2.4816 (Inconel 600)
2.4851 (Inconel 601)
2.4856 (Inconel 625)
2.4858 (lega 825)

Le leghe a base di nichel vengono spesso scelte per applicazioni critiche in cui la resistenza alla corrosione e le prestazioni ad alta temperatura sono essenziali, come nelle centrali elettriche, nell'industria chimica e nelle raffinerie di petrolio e gas (caldaie e scambiatori di calore).

VI. Leghe di titanio e zirconio per caldaie e scambiatori di calore

Le leghe di titanio e zirconio offrono una combinazione unica di resistenza, resistenza alla corrosione e leggerezza, rendendole ideali per applicazioni specifiche in scambiatori di calore, condensatori e caldaie.

Proprietà delle leghe di titanio:
Elevato rapporto resistenza/peso: il titanio è resistente quanto l'acciaio ma notevolmente più leggero, il che lo rende adatto ad applicazioni sensibili al peso.
Eccellente resistenza alla corrosione: le leghe di titanio sono altamente resistenti alla corrosione in acqua di mare, in ambienti acidi e in mezzi contenenti cloruri.
Buona resistenza al calore: le leghe di titanio mantengono le loro proprietà meccaniche anche a temperature elevate, rendendole adatte ai tubi degli scambiatori di calore nelle centrali elettriche e nei processi chimici.
Proprietà delle leghe di zirconio:
Straordinaria resistenza alla corrosione: le leghe di zirconio sono altamente resistenti alla corrosione in ambienti acidi, tra cui acido solforico, acido nitrico e acido cloridrico.
Stabilità alle alte temperature: le leghe di zirconio mantengono la loro resistenza e resistenza alla corrosione anche a temperature elevate, rendendole ideali per applicazioni di scambiatori di calore ad alta temperatura.

Principali standard e gradi:

Norma ASTM B338: Questo standard riguarda tubi in lega di titanio senza saldatura e saldati per l'uso in scambiatori di calore e condensatori. I gradi comuni includono:
Grado 1 / Grado 2: Gradi di titanio commercialmente puri con eccellente resistenza alla corrosione.
Grado 5 (Ti-6Al-4V): lega di titanio con maggiore resistenza e prestazioni ad alta temperatura.
Norma ASTM B523: Copre tubi in lega di zirconio senza saldatura e saldati per l'uso in scambiatori di calore e condensatori. I gradi comuni includono:
Zirconio 702: una lega di zirconio commercialmente pura con eccezionale resistenza alla corrosione.
Zirconio 705: un grado di zirconio legato con proprietà meccaniche migliorate e stabilità alle alte temperature.

Le leghe di titanio e zirconio sono comunemente utilizzate in ambienti altamente corrosivi, come impianti di desalinizzazione dell'acqua di mare, industrie di lavorazione chimica e centrali nucleari (caldaie e scambiatori di calore), grazie alla loro superiore resistenza alla corrosione e alle proprietà di leggerezza.

VII. Rame e leghe di rame per caldaie e scambiatori di calore

Il rame e le sue leghe, tra cui ottone, bronzo e rame-nichel, sono ampiamente utilizzati negli scambiatori di calore, nei condensatori e nelle caldaie grazie alla loro eccellente conduttività termica e resistenza alla corrosione.

Proprietà delle leghe di rame:
Eccellente conduttività termica: le leghe di rame sono note per la loro elevata conduttività termica, che le rende ideali per scambiatori di calore e condensatori.
Resistenza alla corrosione: le leghe di rame resistono alla corrosione in acqua, compresa l'acqua di mare, rendendole adatte per applicazioni marine e di dissalazione.
Proprietà antimicrobiche: le leghe di rame hanno proprietà antimicrobiche naturali, che le rendono adatte ad applicazioni nel settore sanitario e nel trattamento delle acque.

Principali standard e gradi:

Norma ASTM B111: Questo standard riguarda tubi in rame e lega di rame senza saldatura per l'uso in scambiatori di calore, condensatori ed evaporatori. I gradi comuni includono:
C44300 (Ottone dell'Ammiragliato): lega di rame e zinco con buona resistenza alla corrosione, in particolare nelle applicazioni in acqua di mare.
C70600 (Rame-Nichel 90/10): una lega di rame-nichel con eccellente resistenza alla corrosione in acqua di mare e in ambienti marini.
C71500 (Rame-Nichel 70/30): un'altra lega di rame-nichel con un contenuto di nichel più elevato per una maggiore resistenza alla corrosione.

Il rame e le leghe di rame sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di caldaie e scambiatori di calore marini, centrali elettriche e sistemi HVAC grazie alla loro eccellente conduttività termica e alla resistenza alla corrosione dell'acqua di mare.

Oltre alla caldaia e allo scambiatore di calore, anche condensatori, surriscaldatori, preriscaldatori d'aria ed economizzatori sono componenti essenziali che ottimizzano significativamente l'efficienza energetica. Ad esempio, il condensatore raffredda i gas di scarico sia dalla caldaia che dallo scambiatore di calore, mentre il surriscaldatore, d'altro canto, aumenta la temperatura del vapore per migliorare le prestazioni. Nel frattempo, il preriscaldatore d'aria utilizza i gas di scarico per riscaldare l'aria in ingresso, migliorando ulteriormente l'efficienza complessiva del sistema di caldaia e scambiatore di calore. Infine, gli economizzatori svolgono un ruolo cruciale recuperando il calore di scarto dai gas di combustione per preriscaldare l'acqua, il che alla fine riduce il consumo di energia e aumenta l'efficienza sia della caldaia che dello scambiatore di calore.

VIII. Conclusione: scelta dei materiali giusti per la caldaia e lo scambiatore di calore

I tubi senza saldatura sono parte integrante delle prestazioni di caldaie, scambiatori di calore, condensatori, surriscaldatori, preriscaldatori d'aria ed economizzatori in settori quali la produzione di energia, petrolio e gas e lavorazione chimica. La scelta del materiale per i tubi senza saldatura dipende dai requisiti specifici dell'applicazione, tra cui temperatura, pressione, resistenza alla corrosione e resistenza meccanica.

Acciaio al carbonio offre convenienza e resistenza per applicazioni a temperatura e pressione moderate.
Acciaio legato garantisce prestazioni superiori ad alta temperatura e resistenza nelle caldaie e nei surriscaldatori.
Acciaio inossidabile garantisce un'eccellente resistenza alla corrosione e durata negli scambiatori di calore e nei surriscaldatori.
Leghe a base di nichel rappresentano la scelta migliore per ambienti estremamente corrosivi e ad alta temperatura.
Leghe di titanio e zirconio sono ideali per applicazioni leggere e altamente corrosive.
Rame e leghe di rame sono preferiti per la loro conduttività termica e resistenza alla corrosione negli scambiatori di calore e nei condensatori.

I sistemi di caldaie e scambiatori di calore svolgono un ruolo cruciale in vari settori, trasferendo in modo efficiente il calore da un mezzo all'altro. Una caldaia e uno scambiatore di calore lavorano insieme per generare e trasferire calore, fornendo calore essenziale per la produzione di vapore nelle centrali elettriche e nei processi di produzione.

Grazie alla comprensione delle proprietà e delle applicazioni di questi materiali, ingegneri e progettisti possono prendere decisioni consapevoli, garantendo il funzionamento sicuro ed efficiente delle loro apparecchiature. Quando si selezionano materiali per la caldaia e lo scambiatore di calore, è fondamentale considerare i requisiti specifici della propria applicazione. Inoltre, è opportuno consultare gli standard pertinenti per garantire compatibilità e prestazioni ottimali.