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Un’equazione saluterà tutti gli ingegneri marittimi e i responsabili della flotta nell’ambito delle attrezzature che specificano, ed eccola qui: per quanto riguarda la scelta dello scambiatore di calore raffreddato ad acqua di mare, il fattore principale da considerare è necessariamente il materiale. La verità è che l’acqua di mare è aggressiva: altamente corrosiva, ricca di cloruri e ossigeno disciolto, e popolata da organismi che si nutrono con grande avidità di qualsiasi materiale non adeguatamente specificato. SME completa oltre 500 retrofit e riparazioni ogni anno e risulta costantemente che la scelta del materiale influisce direttamente sulla durata utile e sul costo finale. In questo contesto, ci concentreremo su tre dei materiali più comunemente impiegati — titanio, acciaio inossidabile 316L e acciaio inossidabile super austenitico SMO 254 — analizzandoli sotto i profili della resistenza alla corrosione, delle proprietà meccaniche, del valore economico e dell’idoneità all’uso.
Resistenza alla Corrosione negli Ambienti Marini
La corrosione localizzata, nella forma di corrosione per pitting e corrosione da fessura, rappresenta la causa principale di guasto delle piastre degli scambiatori di calore impiegati con acqua di mare.
Il modello predefinito è acciaio inossidabile 316L. Il livello di resistenza all’attacco da cloruri del materiale è nella gamma moderata a causa della quantità di molibdeno presente (circa 2-3%). Tuttavia, in applicazioni con acqua di mare a bassa velocità o stagnante, il rischio è rappresentato dalla corrosione da fessura sotto i depositi biologici e sotto la guarnizione. Nella maggior parte dei casi, sostituiamo la piastra in 316L sulle imbarcazioni che operano in zone tropicali e in acque saline o salmastre, riscontrando che la piastra viene attaccata da pitting dopo circa 12-18 mesi.
SMO 254 è una lega super-austenitica che contiene una percentuale molto più elevata di nichel. Presenta un PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) superiore a 40, rendendola significativamente più immune al pitting indotto dai cloruri rispetto al comune materiale 316L. Funziona bene in acqua salata calda ed è resistente a brevi trattamenti di clorazione o a condizioni leggermente stagnanti. La durata di SMO 254 senza corrosioni rilevanti può variare ed è stata effettivamente osservata, in diversi progetti SME per la cantieristica navale in ambienti costieri, tra i 3 e i 5 anni.
Titanio (grado 1 o 2) ha sostanzialmente un'affidabilità illimitata quando utilizzato in acqua di mare. Il film ossidico passivo è molto stabile anche a temperature elevate (fino a 120 ℃) e in flussi ad alta velocità. A differenza degli acciai inossidabili, il titanio è resistente a problemi come la corrosione da fessura, la corrosione da erosione e la frattura da corrosione sotto sforzo. Quando il prezzo non è un fattore determinante e i tempi di fermo sono inaccettabili, il titanio è la scelta migliore.
Proprietà meccaniche e conducibilità termica
Oltre alla corrosione, le piastre degli scambiatori di calore devono resistere a differenze di pressione, vibrazioni e cicli termici.
La resistenza a snervamento del 316L è approssimativamente compresa tra 170 e 220 MPa. È duttile e facile da formare, ma è meno resistente e quindi richiede piastre più spesse per sistemi ad alta pressione, con conseguente minore efficienza termica.
Una resistenza a snervamento massima nell’ordine di 300 – 350 MPa è ottenibile con l’acciaio SMO 254, consentendo l’impiego di piastre più sottili ed efficienti rispetto al passato, senza compromettere l’integrità strutturale. Il rapporto elevato tra resistenza e peso spesso supera la bassa conducibilità termica, rendendolo una scelta ideale per strutture di piccole dimensioni.
Il titanio grado 2 presenta una resistenza a snervamento compresa tra 250 e 400 MPa ed è altresì un materiale eccellente per applicazioni che richiedono tenacità e resistenza alla fatica. In confronto, la conducibilità termica di questo materiale è inferiore al 50% di quella degli acciai inossidabili corrispondenti; pertanto, sono necessari spessori ridotti e flussi efficaci per raggiungere quantitativi equivalenti di trasferimento termico. Tale materiale comporta una caduta di temperatura considerevole nelle piastre; il nostro team tecnico raccomanda una corrugazione ottimale per compensare tale effetto durante gli interventi di retrofit.
Considerazioni relative alla saldabilità e alla riparabilità
Nella pratica, le piastre subiscono danni causati da sollecitazioni meccaniche, guasti delle guarnizioni ed erosione. La sostituzione o la riparazione in loco devono essere semplici da eseguire.
l'acciaio 316L può essere facilmente saldato con un sistema TIG ed è semplice da riparare. Sono numerosi gli esempi di utilizzo di 316L nei principali cantieri navali e le lastre di ricambio in 316L sono disponibili a magazzino. Tuttavia, la saldatura comporta una riduzione della resistenza alla corrosione nella zona termicamente alterata (HAZ), talvolta rendendo necessaria una decapaggio post-saldatura.
È fondamentale acquisire una notevole esperienza nella saldatura con bacchette di riempimento ad alto contenuto di nichel per applicare l'SMO 254, prestando particolare attenzione all'apporto termico durante le operazioni di saldatura. Il vantaggio anticorrosivo potrebbe andare perduto se una saldatura non corretta favorisse la precipitazione di fasi intermetalliche. I tecnici certificati SME sono addestrati alle procedure di saldatura superaustenitiche; tuttavia, molti cantieri di riparazione generalisti non dispongono di questa capacità.
La prevenzione dell’indurimento richiede una schermatura completa durante la saldatura del titanio, sia con argon che con elio. Non è un’operazione adatta a personale non qualificato. Tuttavia, poiché il titanio è molto resistente all’erosione, nel complesso sono necessari meno interventi di riparazione. SME afferma che, in caso di danni, è preferibile sostituire le piastre con una saldatura effettuata in fabbrica, piuttosto che eseguire riparazioni sul campo.
Costo e valore nel ciclo di vita
Il costo economico iniziale può spesso essere il fattore determinante nell’acquisto di un prodotto, ma per quanto riguarda l’analisi del ciclo di vita ciò non è vero.
Il materiale più economico in fase iniziale è l’acciaio inossidabile 316L. Tuttavia, la sua breve durata in acqua salata (tipicamente 2–3 anni) comporta costi aggiuntivi legati alle sostituzioni, al cambio delle guarnizioni e alle interruzioni operative, che possono triplicare il costo totale nel corso del decennio di funzionamento della nave.
L’acciaio SMO 254 costa due o tre volte di più rispetto al 316L, ma garantisce un’utilizzo di quattro o cinque anni in condizioni tipiche di acqua di mare. Il suo ritorno sull’investimento avviene solitamente in circa un anno e mezzo, rendendolo una scelta economica efficace per esigenze di prestazione di livello medio.
Il primo costo è il costo più elevato: le lastre di titanio originali presentano il primo costo, che può essere 5-8 volte superiore rispetto a quello dell'acciaio 316L. Poiché le lastre devono funzionare per 15/20 anni, le sostituzioni devono essere molto rare; se la nave richiede una lunga durata operativa o un'alta affidabilità, questo rappresenta quindi il costo totale di ciclo di vita più basso per tali navi. Fino ad oggi abbiamo fornito titanio a oltre 1000 navi, che negli ultimi 10+ anni non hanno riscontrato alcun guasto.
Conclusione: lascia che le PMI guidino la tua decisione
Siamo impegnati a ottenere risultati! In SME non esiste una singola soluzione. Non operiamo in questo modo. Il nostro team di oltre cento ingegneri e tecnici qualificati realizza in media più di cinquecento progetti completati ogni anno. Ogni anno, per ogni cantiere navale della Cina e per i fornitori di servizi di tutto il mondo, ciascuno dei vostri progetti è coperto da una garanzia di dodici mesi. E se così non fosse: «l’importante è intervenire fin da subito, anche fornendo il materiale idoneo per farvi partire». Per un’assistenza economica ed efficiente nel tempo per l’acciaio 316L, per prestazioni affidabili con l’acciaio SMO 254 e per consegne garantite dei vostri componenti in titanio, vi promettiamo un’assistenza tecnica tempestiva, servizi globali di installazione in loco e, naturalmente, tagli e lavorazioni su misura presso il nostro impianto di 5000 metri quadrati a Nantong. Ciò richiede una valutazione approfondita dell’operatività del servizio e del ciclo di vita della nave, oltre al budget del cliente, per formulare una proposta con garanzia che prevenga guasti e minimizzi i costi, ottimizzando le prestazioni.