Characterization of metallic alloys for oil & gas applications

I componenti messi in esercizio nel settore dell’Oil & Gas lavorano, tipicamente, in condizioni severe: carichi elevati sollecitano il materiale in ambiente corrosivo, spesso a bassa temperatura. Non tutti i materiali sono percio adatti ad essere messi in opera in queste condizioni, ma solo quelli che offrono contemporaneamente resistenza meccanica e a corrosione elevate e tenacita a bassa temperatura, per evitare cedimenti improvvisi dovuti a fragilita indotta nel materiale dalla bassa temperatura d’esercizio. Tra tutte le leghe commerciali gli acciai inossidabili bifasici, noti anche come acciai duplex, e le superleghe di Nichel sono quelli maggiormente usati in molte applicazioni ingegneristiche e specialmente nel campo dell’Oil & Gas. Queste leghe rappresentano il miglior compromesso tra resistenza meccanica e a corrosione e sono caratterizzate da buona tenacita anche a bassa temperatura. Le molteplici potenzialita di queste leghe celano pero una grande complessita: composizioni chimiche opportunamente bilanciate, parametri di trattamento termico ristretti, opportuni processi di deformazione plastica a caldo sono elementi chiave per ottenere un componente con le proprieta desiderate. Questa ricerca di dottorato studia sia gli acciai inossidabili bifasici, sia le superleghe di Nichel. Gli acciai duplex rappresentano il principale campo di ricerca e le loro proprieta sono state studiate seguendo un approccio di ricerca classico, con il principale obiettivo di migliorare la tenacita a bassa temperatura di questa classe di acciai, considerata l’attuale tendenza del mercato di sfruttare tutte le risorse naturali disponibili, persino quelle ai Poli. La ricerca e stata effettuata su un acciaio duplex grado F55, ad alto Nichel, proveniente da una barra forgiata. Oltre a studiarne il comportamento meccanico, e stata effettuata una caratterizzazione piu ampia del materiale: in aggiunta all’indagine sugli effetti della composizione chimica, dei parametri di trattamento termico e della deformazione plastica a caldo sulla microstruttura e sulle proprieta tensili e di tenacita, sono stati caratterizzati anche alcuni dei principali fenomeni di precipitazione cui il materiale e soggetto. Nel dettaglio, il Capitolo 2 studia l’influenza del Nichel sul rapporto A/F e sulle proprieta meccaniche in caso di raffreddamento ideale. Il Capitolo 3 indaga l’influenza della velocita di raffreddamento sulla tenacita durante lo spegnimento dalla temperatura di solubilizzazione. I fenomeni di precipitazione ad alta temperatura, investigati tramite invecchiamenti isotermi in forno da laboratorio e tramite dilatometria, sono discussi nel Capitolo 4. I risultati delle analisi del cammino di cricca, delle superfici di frattura e delle tenacita a frattura del grado F55 sono riportati nel Capitolo 5. Inoltre, elaborando i risultati delle prove di resilienza, e stata individuata una relazione lineare della risposta all’urto del materiale sia con il rapporto A/F sia con la velocita di raffreddamento e sono stati proposti dei parametri per predire il comportamento all’urto del materiale senza effettuare prove sperimentali. Infine, considerando le relazioni presenti tra diametri di barra-velocita di raffreddamento, velocita di raffreddamento-percentuale di austenite in microstruttura e percentuale di austenite in microstruttura-temperatura di solubilizzazione, e stata individuata la temperatura a cui solubilizzare una barra di un dato diametro per soddisfare gli attuali requisiti di normativa di 45J a -46°C come energia assorbita all’urto, in una determinata posizione della barra. Le superleghe di Nichel rappresentano il campo di ricerca minore e sono state studiate a partire da una specifica applicazione: guarnizioni metalliche in lega 625, prodotte tramite forgiatura, il processo produttivo piu comune per questi componenti, e tramite processo di colata centrifuga, l’unico processo fusorio ammesso dalle normative API per produrre guarnizioni metalliche. Per assicurare un’adeguata condizione di serraggio, la massima durezza ammessa dagli standard per questi componenti e pari a 180HB. In questa ricerca, oltre a testare la durezza e la risposta a corrosione e ad indagare l’omogeneita del prodotto, e stato caratterizzato anche il comportamento a trazione e a compressione del materiale e le principali fasi secondarie individuate in microstruttura.