Guida alla flangia per basse temperature: materiali, prove di impatto e applicazioni

Le flange per basse-temperature sono realizzate con materiali sottoposti a test di impatto-selezionati appositamente per mantenere la duttilità e la resistenza alla frattura al di sotto della gamma dell'acciaio al carbonio standard. Quando le temperature scendono sotto i -20 gradi F, l'acciaio al carbonio standard ASTM A105 perde la sua resistenza agli urti e diventa suscettibile a fratture fragili. I gradi per basse temperature sono essenziali per le applicazioni di GNL, criogeniche e di tubazioni artiche dove è necessario evitare guasti dovuti a fratture fragili.

Le flange per basse-temperature sono flange realizzate con materiali sottoposti a test di impatto-per verificarne la resistenza alla frattura alla temperatura minima di progettazione. L'acciaio al carbonio standard (ASTM A105) subisce una transizione da duttile-a-fragile al diminuire della temperatura, perdendo la capacità di assorbire l'energia d'impatto senza rompersi. I materiali a bassa-temperatura sono formulati con chimica controllata e trattamento termico per mantenere la duttilità a temperature inferiori-a zero. Queste flange sono disciplinate da ASME B16.5 con requisiti di materiale aggiuntivi specificati nel codice applicabile (ASME B31.3 per tubazioni di processo) e nello standard del materiale stesso.

La tabella seguente riassume i materiali più comuni delle flange per basse-temperature e le rispettive temperature di servizio minime:

Norma materiale	Grado	Temp. minima di progettazione	Caratteristiche principali	Applicazione tipica
ASTM A350	LF2	-50 gradi F	Acciaio al carbonio a bassa-temperatura più comune	GNL, servizi refrigerati
ASTM A350	LF3	-150 gradi F	Resistenza alle basse-temperature migliorata	Trattamento criogenico del gas
ASTM A182	F304L	-425 gradi F	Acciaio inossidabile austenitico, eccellenti proprietà criogeniche	GNL, azoto liquido
ASTM A182	F316L	-425 gradi F	Criogenico a basso-carbonio, resistente alla corrosione-	Servizio criogenico corrosivo
ASTM A182	F51 (2205)	-50 gradi F	Duplex, utilizzo limitato a bassa-temperatura	Gas acido, marino a bassa-temperatura

A350 LF2 è il grado di acciaio al carbonio a bassa-temperatura più potente, che offre una buona tenacità fino a -50 gradi F a un costo moderato rispetto all'A105. Per i servizi più freddi fino a -150 gradi F, l'A350 LF3 con il suo contenuto di nichel più elevato offre una maggiore tenacità. Per temperature criogeniche inferiori a -150 gradi F, sono necessari acciai inossidabili austenitici come F304L e F316L perché la loro struttura cristallina cubica a facce centrate rimane duttile a qualsiasi temperatura.

I valori nominali di pressione-temperatura per le flange a bassa-temperatura seguono le tabelle standard ASME B16.5 per ciascun gruppo di materiali. Gli acciai inossidabili austenitici mantengono eccezionalmente bene le loro proprietà meccaniche a temperature criogeniche, anzi diventano più resistenti al diminuire della temperatura. I valori nominali dell'acciaio al carbonio diminuiscono significativamente alle basse temperature e alcune classi di materiali potrebbero essere ridotte al di sotto di determinate temperature. La temperatura minima di progettazione per ciascun materiale è determinata dalla temperatura di qualificazione del test di impatto del materiale, non da limiti arbitrari.

La prova di impatto Charpy V-Notch (CVN) è il metodo standard per verificare la resistenza alle basse-temperature. ASME B31.3 e ASME B16.5 richiedono prove di impatto per tutte le flange in acciaio al carbonio e in acciaio a bassa lega-utilizzate a temperature inferiori a -20 gradi F. Il test viene eseguito su campioni prelevati dalla flangia finita o da provini rappresentativi che ricevono lo stesso trattamento termico. I valori energetici minimi sono specificati nello standard dei materiali e variano in base al tipo di materiale e alla temperatura minima di progettazione. La temperatura di prova deve essere pari o inferiore alla temperatura minima di progetto. Le prove di impatto sono richieste anche sul metallo saldato e sulle zone interessate dal calore per le costruzioni saldate.

Le flange per basse-temperature sono componenti critici negli impianti di lavorazione, stoccaggio e trasporto di GNL dove le temperature possono raggiungere i -260 gradi F. Gli impianti criogenici di separazione del gas e di liquefazione dell'aria separano l'aria in ossigeno, azoto e argon a temperature estremamente basse. I sistemi di refrigerazione e di celle frigorifere negli impianti chimici funzionano a basse temperature. Le strutture delle condutture artiche e subartiche sono esposte a temperature ambiente che richiedono materiali a bassa tenacità in tutto il sistema. I sistemi di gestione dell'azoto liquido e dell'ossigeno liquido richiedono materiali che rimangano duttili alle temperature di stoccaggio.

I rapporti sui test sui materiali (MTR) per le flange a bassa-temperatura devono includere i risultati dei test di impatto che mostrano i valori di energia assorbita per ciascun campione di prova. È richiesta la completa tracciabilità dalla fusione dell'acciaio alla flangia finita, con numeri di calore stampigliati su ciascuna flangia per l'identificazione. L'ispezione-di terze parti viene spesso specificata per servizi critici a bassa{{4}temperatura per fornire una verifica indipendente delle proprietà dei materiali. I test di identificazione positiva del materiale (PMI) della chimica dei materiali prima dell'installazione forniscono un'ulteriore garanzia di qualità.

Il punto fondamentale è specificare sempre materiali a bassa-temperatura testati per l'impatto-per qualsiasi connessione flangiata inferiore a -20 gradi F. L'utilizzo di acciaio al carbonio standard al di sotto della temperatura di transizione dell'impatto crea un rischio di frattura fragile catastrofica che deve essere evitata a tutti i costi.

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