TRATER TRATTAMENTI TERMICI

Un trattamento eseguito male, applicando metodologie errate e senza un controllo efficace della temperatura sull’intero manufatto, può comportare deformazioni geometriche macroscopiche (curvatura dei tubi, deformazione delle piastre, avvitamento e flessione dei fasci tubieri), rotture delle saldature tubi piastra/piastre e, anche se non immediatamente riscontrabili, può creare uno stato tensionale di trazione in corrispondenza di specifiche geometrie dei manufatti (piastre tubiere, saldature tubi-piastre, sezioni dei tubi) di valore sufficientemente elevato da esporre l’apparecchio ai fenomeni di stress corrosion crackig e infragilimento da Idrogeno, in particolari condizioni operative.

Temperature non sufficienti possono determinare il non completo rinvenimento delle saldature e il non sufficiente rilassamento dello stato tensionale residuo generatosi durante i processi di saldatura, calandratura o prelavorazione meccanica, infragilendo i giunti, riducendo la resistenza a creep del materiale ed esponendo l’apparecchio ai fenomeni precedentemente citati di stres corrosion cracking.

Non sono da sottovalutare, inoltre, le conseguenze derivanti dai processi ossidativi della superficie dei tubi (interna ed esterna) per l’influenza nell’esercizio dello scambiatore (inquinamento dei prodotti di processo e riduzione dello scambio termico) e per la generazione di calore esotermico proprio dei fenomeni ossidazione.

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Il trattamento termico degli scambiatori a piastre fisse

Durante il trattamento, il mantello degli scambiatori si riscalda e raffredda agevolmente perché lambito dai gas turbolenti, generati dai bruciatori, mentre il fascio tubiero, racchiuso nell’apparecchio (in un ambiente fermo, senza apporto diretto di calore se non per convezione naturale che determina stratificazione dell’aria), si riscalda e raffredda molto più lentamente determinando forti differenze di temperatura nel manufatto.

In particolare, il naturale allungamento del mantello durante la fase di riscaldamento, non essendo accompagnato dai tubi, può comportare la deformazione delle piastre tubiere, il cedimento delle saldature tubo-piastra e/o lo stiramento dei tubi; le ricalcature locali del materiale corrisponderanno sicuramente a zone sollecitate a trazione dopo trattamento termico.

In raffreddamento, invece, in relazione alla massa e geometria dei tubi, il fascio tubiero dell’apparecchio si raffredda con gradienti inferiori rispetto al mantello e possono determinarsi sforzi di compressione oltre il limite elastico del materiale (in temperatura) con ricalcature, deformazioni e generazione di stati di tensione residua di trazione, che possono esporre l’apparecchio in esercizio, come già accennato, ai noti problemi di tensocorrosione, fatica e infragilimento da idrogeno.

Nell’ambito della complessa geometria di uno scambiatore a piastre fisse, inoltre, il mancato raggiungimento della corretta temperatura di stasi su tutto l'apparecchio, determinerà zone in cui non avviene la distensione e il rinvenimento delle saldature e le durezze elevate, fungendo da punti di concentrazione degli sforzi, potranno generare cricche in esercizio.

Vari studi hanno dimostrato che valori di durezza della zona fusa e della zona termicamente alterata delle saldature al di sotto dei 200HB (per gli acciai al carbonio) e di 240HB (per gli acciai bassolegati o legati) sono ottimali per l’esercizio di questi apparecchi anche quando soggetti ad attacco corrosivo, come indicato dalle direttive NACE.

 

Il trattamento dei fasci tubieri

In molti casi è necessario trattare l’intero fascio tubiero di uno scambiatore con tubi a “U” o piastra flottante.

Le problematiche sono analoghe a quelle descritte per gli scambiatori a piastre fisse.

In relazione alle dimensioni del fascio, al numero di tubi, al loro diametro, spessore, alla geometria e numero dei diaframmi presenti, i tubi più esterni dell’apparecchio si riscaldano e raffreddano con maggiore rapidità di quelli interni determinando, per differenza di temperatura e conseguente differenza di dilatazione, deformazioni di notevoli entità e nuovi stati di tensione residua dovuti a vincoli che si vengono a creare con i diaframmi e con le piastre tubiere.

Le distorsioni geometriche possono rendere impossibile l’infilaggio del fascio nel mantello e ridurre l’efficienza termica dello scambiatore mentre le tensioni residue possono esporre l’apparecchio a gravi danni durante l’esercizio.

 

 

 

Metodo di trattamento degli scambiatori

Trater negli anni 90 ha messo a punto tecnologie di trattamento degli scambiatori di calore precedentemente descritti in grado di ridurre e, nelle maggior parte dei casi, di annullare tutti i problemi indicati.

All’intuizione iniziale di forzare gas caldi a volume e temperatura controllata all’interno dei tubi con lo scopo di uniformare la temperatura degli apparecchi, Trater ha sviluppato tecniche più sofisticate di riscaldamento e raffreddamento dei manufatti per trattare gli scambiatori e i fasci tubieri geometricamente più complessi, in acciaio al carbonio, in acciaio basso legato e legato, leghe ad alto tenore di nichel, titanio, rame e con particolari problemi di ossidazione.

Trater ha messo a punto inoltre metodi molto validi ed efficienti per il controllo della temperatura in tutte le parti più critiche degli apparecchi, utilizzando in alcuni casi fino a 140 termocoppie applicate a diretto contatto del pezzo; con un software appositamente realizzato in grado di calcolare in tempo reale le temperature medie e gli scostamenti tra le varie parti dello scambiatore e un monitoraggio del ciclo termico 24 ore su 24 con nostro personale altamente specializzato, è in grado di garantire il miglior risultato del trattamento.

Trater negli anni in Italia e all’estero, si è guadagnata il titolo di azienda strategica di supporto alle

più importanti realtà industriali del nostro paese, specializzate nella costruzione di scambiatori di calore favorendo l’acquisizione di importanti commesse in un settore dell'industria che non conosce crisi e che è da sempre un traino dell'economia, che sta evolvendo alla pari delle tecnologie per il recupero energetico.

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Cicli termici

Per ogni tipo di materiale, per ottenere la sua migliore distensione evitando di ridurne le caratteristiche meccaniche, in Trater sono adottate le opportune temperature di stasi.

Come noto infatti per tutti i materiali, all’aumentare della temperatura, risultano molto accelerati i fenomeni di diffusione atomica dovuti alla ricristallizzazione, la precipitazione dei carburi e, in genere, a variazioni microstrutturali che possono variare il comportamento in esercizio del materiale.

 

Ad esempio:

 

Per gli acciai al carbonio manganese (C max 0,24% - Mn 1,7%  max) è applicabile una temperatura di distensione e PWHT compresa tra 550°C e 630°C ottenendo un buon grado di distensione, il rinvenimento delle strutture instabili della zona termicamente alterata (soprattutto per giunti di alto spessore) per trasformazione e precipitazione di carburi, con conseguente incremento delle caratteristiche di duttilità e tenacità del materiale e riduzione della durezza. Temperature superiori i 650°C sono dannose e tempi di permanenza troppo lunghi provocano un eccessivo ingrossamento dei carburi, a bordo grano.

 

Gli acciai microlegati (forniti con trattamento di laminazione controllata - di normalizzazione o termomeccanica) presentano strutture metallurgiche più complesse e temono in particolare il decadimento delle caratteristiche meccaniche in ZTA e nel materiale base, a causa dell’interazione con il trattamento di fornitura del materiale.

 

Gli acciai bonificati, invece, possono essere soggetti a rischi di evidente perdita di duttilità se non addirittura di formazione di difetti, pur essendo il trattamento necessario qualora al completamento delle operazioni di saldatura siano ancora presenti strutture fuori equilibrio.

 

Gli acciai al nichel per impiego a bassa temperatura hanno un comportamento molto variabile in funzione della composizione chimica, del trattamento di fabbricazione e dell’accoppiamento con il metallo d’apporto; la temperatura del trattamento di distensione deve essere oggetto di accurate valutazioni.

 

Appare pertanto evidente che l’esecuzione del trattamento termico debba essere oggetto di accurate valutazioni e, ove applicato, eseguito con attenzione particolare e soltanto con di dati certi per i parametri di trattamento  relativamente ai tempi e le  temperature di stasi, ai gradienti di riscaldamento e raffreddamento.

Tutti i cicli che vengono adottati in Trater sono comunque concordati con i Clienti e in conformità ai Codici di costruzione degli apparecchi, nonché con le qualifiche dei procedimenti di saldatura.

 

Modalità di esecuzione dei trattamenti

Ogni ciclo termico è composto da tre fasi distinte: una prima fase di riscaldamento; una successiva di stasi per un tempo più o meno lungo; un raffreddamento.

In ognuna di queste fasi possono venirsi a determinare situazioni in grado di pregiudicare l’esito del trattamento o l’integrità del manufatto in lavorazione.

 

Il riscaldamento

Durante il riscaldamento i gradienti di incremento della temperatura sono stabiliti in relazione al tipo di materiale, alla geometria del manufatto, al suo spessore e alle caratteristiche dell’impianto utilizzato per il trattamento.

Un valido riferimento, quando applicabile, è costituito dalle Normative di costruzione degli apparecchi a pressione che indicano le modalità di riscaldamento, prendendo a riferimento gli spessori massimi dei pezzi.

In questa fase possono facilmente determinarsi differenze di temperatura a causa di un riscaldamento troppo rapido del manufatto, alla sua complessità geometrica o a scambi termici non adeguati tra l’ambiente del forno e l’oggetto in trattamento. Quando le differenze superano determinati valori, in relazione alla geometria locale del pezzo, possono venirsi a generare stati  di plasticizzazione in aree circoscritte del materiale per il superamento del suo valore di snervamento in temperatura, con un aumento dello stato tensionale del pezzo e il rischio dell’insorgenza di cricche e/o deformazioni permanenti del manufatto.

Differenze di temperatura, anche di entità limitata, inoltre, possono dar luogo nello svolgimento di trattamenti con trasformazioni metallurgiche ad ingrossamento del grano del materiale o ad altri fenomeni indesiderati, per il protrarsi del tempo della successiva fase di stasi, necessario per uniformare completamente la temperatura sul pezzo.

Per evitare i problemi citati, in questa fase sarà necessario minimizzare le differenze di temperatura a partire dall’inizio del ciclo, applicando appropriati gradienti di riscaldamento in relazione agli spessori, alla geometria del manufatto e alle caratteristiche dell’impianto di riscaldamento. Dovranno essere utilizzati forni che diano le massime garanzie di uniformità e determinino le minime differenze di temperatura sul pezzo e dovranno essere correttamente posizionate le termocoppie  di misura della temperatura ed evitati, compatibilmente con le caratteristiche del materiale, gli inserimenti a forno caldo dei manufatti.

 

La stasi

Come visto in precedenza, alla temperature di stasi avvengono la maggior parte dei processi di tipo fisico e metallurgico che determinano l’effetto finale del trattamento.

Nei PWHT e nei trattamenti di distensione si ha il rinvenimento delle strutture martensitiche determinatesi durante la saldatura, lo scorrimento e l’annichilimento delle dislocazioni.

Come per la fase di riscaldamento, anche durante la stasi potrebbero verificarsi situazioni per cui viene a pregiudicarsi l’effetto del trattamento o l’integrità del pezzo.

In Trater, la fase di permanenza dei cicli termici  è  condotta fin dal suo inizio nel corretto range di temperatura (stabilito in relazione al tipo di materiale e al tipo di trattamento), affinché le trasformazioni avvengano in tutto il manufatto con contemporaneità e, come per la fase di riscaldamento, le differenze di temperatura non determinino situazioni di plasticizzazione locale del materiale, con la conseguente generazione di nuove tensioni residue, distorsioni o rotture.

 

Il raffreddamento

I parametri di raffreddamento sono stabiliti in relazione alle caratteristiche metallurgiche del materiale, sono influenzati dalla geometria del manufatto, dal suo spessore e dalle performance dell’impianto per il trattamento, comprendendo in questo caso anche i mezzi di raffreddamento.

Sono, in genere,  necessari raffreddamenti lenti e particolarmente controllati nei trattamenti di distensione.

Come per le precedenti fasi del trattamento è importante che, indipendentemente dalla velocità di raffreddamento, sia sempre ricercata la massima uniformità di temperatura sul manufatto, anche attraverso il suo spessore, per evitare distorsioni e la generazione di stati di plasticizzazione locale, con generazione di nuove tensioni residue.

Nel caso di trattamenti di distensione, in Trater, si evita  l’estrazione del manufatto dal forno a temperatura elevata; studi da noi condotti su pezzi anche geometricamente molto complessi, non hanno manifestato l’insorgenza di stati di sforzo residuo se estratti dal forno una temperatura inferiore ai 150°C.

 

La geometria del manufatto

Come già più volte accennato, la geometria del manufatto influisce in modo determinante sulle modalità di esecuzione di un trattamento termico.

Sono ad esempio da considerarsi semplici i pezzi geometricamente riconducibili a virole aperte sui lati, con spessore costante o con poche differenze, oppure apparecchi cilindrici, chiusi da fondi  a basso spessore.

Sono invece da annoverare tra le geometrie complesse gli apparecchi cilindrici con alto spessore (per le differenze di temperatura tra la parete interna e quella esterna), chiusi da fondi, strutture saldate di carpenteria con parti a forte differenza di spessore, apparecchi cilindrici con bocchelli e flangie,  fasci tubieri di scambiatori, scambiatori di calore con tubi saldati alle piastre.

Una struttura definibile come “complessa” in Trater è sempre oggetto di studio approfondito da parte del nostro Ufficio Tecnico, ed è applicata la massima cura nell’esecuzione del lavoro.

 

Le dimensioni e il peso

Anche le dimensioni e il peso dei manufatti influenzano in modo determinante la conduzione e il risultato di un trattamento:

• pezzi di peso elevato sono difficili da riscaldare e soprattutto da raffreddare.

• pezzi di grandi dimensioni necessitano di grandi impianti di trattamento, opportunamente dimensionati affinché il manufatto sia correttamente posizionato al loro interno.

Trater, disponendo di impianti molto grandi e opportune attrezzature di riscaldamento e raffreddamento, può trattare apparecchi a pressione con dimensioni fino a 30 metri di lunghezza e pesi fino a 300 tonnellate.

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Il posizionamento del manufatto in forno

Il posizionamento del manufatto in forno è anch’esso importantissimo per ottenere i risultati dal trattamento ed evitare danni al pezzo. Quando sono utilizzati forni con bruciatori a fiamma diretta, in Trater, il manufatto o i manufatti sono posizionati in forno, lontani dalle fonti di calore per evitare il contatto delle fiamme che generano pericolosissimi surriscaldamenti, con danneggiamento e plasticizzazione locale del materiale.

Nel caso di inserimento di più pezzi in forno, la carica è normalmente approntata in modo che in tutti i casi si abbia la migliore circolazione dei gas caldi sulla superficie dei pezzi, e quindi la migliore uniformità di temperatura.

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La supportazione del manufatto in forno

La supportazione del manufatto è oggetto di un approfondito studio da parte del nostro Ufficio Tecnico per evitare deformazioni e agevolare il suo riscaldamento.

Sono sempre adottati un numero adeguato di supporti per evitare distorsioni dovute all’appoggio ed è garantita la libera dilatazione del pezzo sotto l’effetto del calore.

 

Il manufatto in fase progettuale, inoltre, dovrà essere sufficientemente irrigidito per evitare che ad alta temperatura si verifichino cedimenti strutturali, in seguito al collasso per peso proprio della struttura.

A questo proposito, i nostri tecnici sono a disposizione dei nostri Clienti per studiare le migliori soluzioni di irrigidimento adottabili sui pezzi.

 

Al termine del trattamento possono tuttavia rilevarsi deformazioni sui pezzi da attribuire:

• nell’ordine dei mm o addirittura cm, per i manufatti soggetti a raffreddamenti rapidi (aria forzata, acqua, ecc, tipici dei trattamenti di solubilizzazione o di normalizzazione);

• nell’ordine dei decimi di millimetro  e dei mm, per il rilassamento delle tensioni residue, in pezzi particolarmente tensionati durante la fase di costruzione.

Anche in questo caso possiamo essere di aiuto al Cliente per valutare, nel limite del possibile, le eventuali deformazioni che potrebbero manifestarsi sui pezzi.

 

Controllo e misura della temperatura

Il metodo più valido per il controllo e la misura della temperatura durante i trattamenti termici  effettuati in forno si basa sull’utilizzo delle termocoppie. Altri sistemi, sicuramente validi per altri processi, possono facilmente introdurre errori di rilevamento di entità sufficientemente elevata da pregiudicare il risultato del trattamento stesso.

E’ poco indicata, per esempio, la misura della temperatura mediante misuratori ad infrarossi per i problemi connessi con la riflettività dei materiali trattati, dipendenti dalle condizioni della superficie del manufatto, variabili durante il ciclo termico.

Sono utilizzabili vari tipi di termocoppie  che si differenziano per la loro geometria, temperatura di utilizzo e metodo di fissaggio ai pezzi. La scelta della corretta tipologia a seconda del tipo di trattamento termico che si andrà ad eseguire, la corretta applicazione dei sensori, la qualità del materiale utilizzato e la qualità di tutti gli elementi della catena di misura, sono fondamentali per evitare falsi segnali, che porterebbero ad errori di esecuzione del trattamento termico, pregiudicando la qualità e gli anni di vita dei componenti in trattamento.

Per maggiori dettagli si faccia riferimento allo specifico paragrafo nella sezione "Società di ingegneria".

 

 

Controllo qualità - I collaudi dopo trattamento termico

Al termine dei trattamenti e, in alcuni casi, prima dell’esecuzione del trattamento, il reparto Controllo Qualità esegue una serie di collaudi sui pezzi.

Detti collaudi sono finalizzati a determinare se il trattamento ha raggiunto gli scopi per cui è stato effettuato e, pertanto, sono condotti con i metodi che risultano più idonei a questo obiettivo.

Sono eseguiti:

• collaudi di tipo documentale

• collaudi sui manufatti

 

Collaudi documentali

Al termine del trattamento, il collaudo di tipo documentale riguarda il diagramma.

Il controllo è effettuato analizzando il tracciato della registrazione delle temperature per verificare che tutte le fasi del ciclo siano state condotte secondo le disposizioni e le specifiche di riferimento.

 

Collaudi sui manufatti

I collaudi possibili sui manufatti sono condotti mediante le misure di durezza, analisi micrografiche per replica e le misure di tensione residua. Se concordato con il cliente, Trater, con proprio personale qualificato, può svolgere anche Prove non Distruttive coi metodi UT, MT e PT.

Oltre alle prove precedentemente elencate è effettuato un controllo geometrico dei manufatti per il rilevamento di eventuali distorsioni che possono essersi manifestate durante il trattamento.

 

Le misure di durezza

Salvo quando concordato diversamente o nel caso dell’applicazione di procedure e specifiche di riferimento del Cliente, in Trater, per eseguire un efficace rilevamento delle durezze si individuano:

• per i giunti, i diversi procedimenti adottati nei processi di saldatura;

• per il materiale base, i componenti del manufatto con diverso stato di fornitura  (laminati, forgiati, fusi o trattati, in precedenza, termicamente).

 

Sono, inoltre, identificate nell’ambito del pezzo:

• le zone più significative relative alla geometria del manufatto e alla sua posizione in forno;

• le superfici a contatto con i liquidi o i gas aggressivi.

 

Le misure di durezza sono eseguite sui cordoni di saldatura, nella zona termicamente alterata e materiale base di ciascun procedimento e stato di fornitura.

Il numero è stabilito in base alle dimensioni del manufatto ed è rappresentativo delle varie zone del pezzo con almeno n°1 rilevamento sul suo massimo spessore, n°1 rilevamento sul suo minimo spessore e  n°1 rilevamento sulla sua parte superiore e inferiore, rispetto al posizionamento in forno, per ciascun materiale, stato di fornitura e procedimento.

Le apparecchiature da utilizzate sono tarate ed idonee ad eseguire i rilievi, in relazione alla geometria del pezzo e delle saldature da misurare.

Per gli acciai legati e basso-legati, utilizzati nella costruzione degli apparecchi a pressione, dopo trattamento termico, i valori di durezza ammissibili variano in relazione ai materiali, in un campo compreso tra 200–250HB mentre, per gli acciai al carbonio utilizzati per la costruzione di apparecchi soggetti ad attacco corrosivo e Stress Corrosion Cracking (SCC), il valore di durezza massimo accettatile è di 200HB.

 

La misura delle tensioni residue

Trater è l'unica azienda di trattamenti termici che può certificare l'avvenuta distensione delle saldature, garantendo quindi la stabilità geometrica delle carpenterie e la resistenza allo Stress Corrosion Cracking (SCC) e o l'H2S Service dei componenti per impianti chimici e petrolchimici.

Dispone di un reparto di diffrattometria, oltre alla possibilità di eseguire le classiche misure con sistemi estensimetrici o con rumore di barkhausen.

Si veda il capitolo "Misura tensioni residue"​ nella sezione "Società di ingegneria".

 

Impianti di trattamento della Trater

Trater dispone di 12 forni per trattamento termico. Tutti sono qualificati secondo la norma ASTM A991/A991M e secondo la ISO 17663. Per lo svolgimento di certe commesse, alcuni sono qualificati anche API 6A, ISO 10423, GE P28D-AL-0001 o NORSOK M-650.

I forni Trater più grandi (21.5m x 8m x h5m) hanno un errore di uniformità in tutto il volume di carica di massimo 10°C rispetto al riferimento. Nei forni più piccoli questo scostamento scende sotto i 5°C.

La possibilità di Trater usufruire di un numero elevato di impianti e le loro dimensioni ci consentono di condurre cicli della  durata anche di molti giorni, e cicli più brevi, in tempi ragionevolmente rapidi, sulla base di una buona programmazione con il Cliente, per garantire la qualità richiesta in tutte le lavorazioni affidateci.

 

Organico

L'organico Trater conta più di 40 dipendenti. Il cuore dell'azienda è l'ufficio tecnico con 12 persone tra specialisti, ingegneri e addetti alla qualità.

Un reparto di 9 persone, divise in tre turni, che operano 24 ore su 24, si occupa esclusivamente della sorveglianza dei cicli termici. Gli addetti sono formati con corsi specifici di metallurgia, tecnologie di saldatura, modellistica dei sistemi termici, sistemi di combustione, elettrotecnica e misure; seguono un programma continuo di formazione e aggiornamento. Ogni squadra è formata da uno specialista in elettronica/informatica, un elettricista ed un meccanico, per risolvere tempestivamente tutte le possibile anomalie dei 12 impianti.

Interagendo con i sistemi automatici dei forni i trattamentisti intervengono sulla programmazione delle apparecchiature per ottimizzare i parametri di trattamento, controllano costantemente che tutti i pezzi raggiungano la temperatura di permanenza e vi rimangano per il tempo prescritto, in tutte le loro parti.

L’automazione installata sugli impianti negli ultimi anni ha determinato, sicuramente, un incremento della qualità dei trattamenti svolti, ma se non si dispone di personale 24 ore su 24 non è possibile garantire che tutti i pezzi e varie parti degli stessi raggiungano, uniformemente, la temperatura di stasi prevista, e si raffreddino con le modalità necessarie per non determinare nuove tensioni residue.

I sistemi automatici iniziano a contare il tempo di permanenza quando l'aria del forno è arrivata alla temperatura voluta, ma in quel momento sicuramente la temperatura dei pezzi con spessori alti è lontana da tale valore e probabilmente nemmeno ci arriverà prima dell'inizio del raffreddamento. Inoltre non esistono forni automatici capaci di impostare automaticamente, in funzione del comportamento della carica, i gradienti di riscaldamento e raffreddamento, ne di discriminare errate misure di temperatura e intervenire tempestivamente in caso di guasto.

In un mondo in cui le richieste prestazionali e di precisione dei macchinari e degli impianti costruiti sono sempre più elevate, è importante che i clienti possano contare su un fornitore strutturato e affidabile come Trater, che ha a disposizione personale e mezzi per eseguire al meglio i cicli termici.