Differenze di Prestazione delle Flange Realizzate con Materiali Diversi in Ambienti ad Alta Temperatura

Le prestazioni delle flange in ambienti ad alta temperatura variano significativamente a seconda del materiale utilizzato, principalmente in termini di mantenimento della resistenza, resistenza all'ossidazione, resistenza allo scorrimento, stabilità termica e compatibilità con i fluidi. Di seguito è riportata un'analisi delle tipiche categorie di materiali:

1. Flange in acciaio al carbonio (ad es. Q235, acciaio 20#) – Scelta di base per temperature da basse a medie
Degradazione della resistenza ad alte temperature
Le flange in acciaio al carbonio sono tipicamente limitate a temperature inferiori a 425°C. Oltre i 350°C, il loro limite di snervamento diminuisce significativamente (ad es., il limite di snervamento dell'acciaio 20# diminuisce da 245 MPa a temperatura ambiente a 180 MPa a 400°C). Sopra i 450°C, si verifica la sferoidizzazione della perlite, che porta all'ingrossamento del grano e all'eventuale rottura per scorrimento.
Scarsa resistenza all'ossidazione
L'ossidazione rapida inizia sopra i 300°C, formando uno strato Fe₃O₄ allentato. A 500°C, la velocità di ossidazione è cinque volte superiore a quella a 300°C. L'esposizione a zolfo o vapore acqueo accelera ulteriormente la corrosione.

2. Flange in acciaio inossidabile austenitico (304/316, ecc.) – Preferite per la resistenza alla corrosione ad alta temperatura
Migliore resistenza alle alte temperature e resistenza all'ossidazione
L'acciaio inossidabile 304 può resistere fino a 870°C, mentre il 316L (con molibdeno) mantiene una buona resistenza (limite di snervamento ≥ 120 MPa) al di sotto dei 650°C.
Lo strato di ossido Cr₂O₃ (dal 18-20% di cromo) offre una resistenza all'ossidazione superiore (ad es., velocità di ossidazione inferiore del 90% rispetto all'acciaio al carbonio a 800°C).
Rischi ad alta temperatura
Sensibilizzazione (450-850°C): la precipitazione di carburi può causare corrosione intergranulare (mitigata da trattamenti di stabilizzazione, ad es., acciaio inossidabile 321 con titanio).
Limitazioni allo scorrimento: sopra i 650°C, la deformazione per scorrimento accelera, richiedendo una riduzione della sollecitazione ammissibile (ad es., il 316L a 700°C ha solo il 15% della sua resistenza a temperatura ambiente).

3. Flange in acciaio duplex (2205, 2507, ecc.) – Convenienti per la corrosione ad alta temperatura
Prestazioni intermedie ad alta temperatura
L'acciaio duplex 2205 è utilizzabile fino a 300°C, mentre il super duplex 2507 si estende fino a 350°C (limite di snervamento > 400 MPa a 300°C, il doppio di quello dell'acciaio inossidabile 304).
Oltre i 350°C, la degradazione della fase ferritica accelera, riducendo la resistenza allo scorrimento più velocemente degli acciai austenitici.

4. Flange in acciaio al cromo-molibdeno (15CrMo, P91, ecc.) – Ideali per condizioni di alta temperatura e alta pressione
Maggiore resistenza e resistenza allo scorrimento
Il 15CrMo (1-1,5% Cr, 0,5% Mo) opera fino a 550°C (limite di snervamento > 200 MPa a 500°C).
Il P91 (9% Cr, 1% Mo) resiste a 650°C a lungo termine, con una resistenza alla rottura per scorrimento doppia rispetto al 15CrMo (ad es., 100 MPa contro 40 MPa a 600°C per 100.000 ore).

5. Flange in lega a base di nichel (Inconel 625, Hastelloy C-276, ecc.) – Soluzione definitiva per condizioni estreme
Prestazioni senza pari ad alta temperatura
L'Inconel 625 mantiene una resistenza alla trazione > 100 MPa a 1093°C.
L'Hastelloy C-276 resiste all'ossidazione fino a 1200°C, con una durata di scorrimento superiore a 100.000 ore (ad es., 5 volte più resistente del 316L a 800°C).
Resistenza alla corrosione complessa
L'alto contenuto di nichel (≥50%), cromo (20-30%) e molibdeno (10-16%) consente la resistenza a:
Ossidazione, corrosione sotto tensione e attacco intergranulare in ambienti aggressivi (ad es., gassificatori a carbone a 650°C con H₂S/CO₂).
Adatto per oltre 20 anni di servizio in condizioni estreme come acido solforico ad alta temperatura o petrolio/gas ricco di zolfo.