Acciaio inossidabile duplex nelle cisterne per prodotti chimici: selezione dei materiali delle cisterne di carico e conformità IMO

Quali gradi di acciaio inossidabile vengono utilizzati oggi nei serbatoi di carico delle navi cisterna per prodotti chimici?

Prevalgono due famiglie di qualità: l'austenitico 316L (e la sua variante-legata all'azoto 316LN) e l'acciaio inossidabile duplex UNS S31803/S32205, venduto commercialmente come "2205".Entrambi sono gradi lavorati, saldabili e resistenti alla corrosione-utilizzati come rivestimento-a contatto con il carico di cisterne indipendenti o integrali, e la scelta tra loro è la decisione centrale sulla selezione del materiale-per qualsiasi nuova cisterna chimica.

Il 316L è da decenni il tradizionale cavallo di battaglia per le cisterne di carico delle navi cisterna per prodotti chimici: è ampiamente disponibile, ben compreso dai cantieri navali e resistente a un'ampia gamma di prodotti chimici organici, oli commestibili e acidi delicati. L'acciaio inossidabile duplex, con una microstruttura a due fasi di austenite e ferrite, è entrato successivamente nella flotta di navi cisterna per prodotti chimici, ma da allora si è affermato come materiale standard per le cisterne di carico sulle navi cisterna per pacchi di nuova costruzione, in particolare UNS S31803 e la sua controparte chimica più strettaUNS S32205. Entrambe le denominazioni duplex offrono robustezza e resistenza al cloruro materialmente più elevate rispetto al 316L, che è la combinazione che ne ha guidato l'adozione.

Un numero minore di navi specifica gradi austenitici super duplex (UNS S32750/S32760) o leghe austenitiche superiori- (254 SMO, lega 20) per specifici traffici di carico aggressivi-, ma questi rimangono l'eccezione piuttosto che lo standard della flotta trattato in questo articolo.

Perché l'acciaio inossidabile duplex è diventato l'aggiornamento preferito rispetto al 316L per i nuovi serbatoi di carico?

L'acciaio inossidabile duplex in genere riduce il peso del sistema di cisterne del carico di circa il 10% rispetto a un design equivalente in 316L, aumentando contemporaneamente la resistenza alla vaiolatura e alla -corrosione-dalla fessurazione - una combinazione che aumenta direttamente il peso morto utilizzabile di una cisterna.Il risparmio deriva dal limite di snervamento quasi doppio del duplex, che consente ai progettisti di ridurre lo spessore delle piastre pur rispettando le regole strutturali della società di classificazione.

Fonte: PREN calcolato in base ai limiti di composizione ASTM A240; minimi di resistenza allo snervamento secondo ASTM A240; cifra di risparmio di peso-per casi di studio di ingegneria navale in acciaio inossidabile duplex pubblicati (letteratura del manuale duplex Outokumpu/IMOA).

In un caso di studio documentato relativo alla riprogettazione del serbatoio di un carico di una nave cisterna per prodotti chimici, una sezione cilindrica del serbatoio costruita in AISI 316L pesava circa 33.900 kg; il serbatoio equivalente integratoDuplex UNS S31803pesava circa 22.300 kg - con un risparmio di circa 11,6 tonnellate su un singolo serbatoio. Considerando un set completo di cisterne di carico, i dati pubblicati stimano il risparmio di peso totale a circa 30-250 tonnellate per nave, a seconda delle dimensioni della nave. Per un'autocisterna con una dozzina o più di serbatoi separati, il risparmio di peso si traduce direttamente in un carico aggiuntivo-che trasporta portata lorda o in una riduzione dei costi di acciaio e di fabbricazione, senza sacrificare le prestazioni contro la corrosione.

In che modo il codice IBC dell'IMO regola la selezione dei materiali delle cisterne di carico?

Il codice IBC non prescrive un grado obbligatorio di acciaio inossidabile; stabilisce invece lo standard di contenimento del-tipo di nave e del tipo di cisterna-per ogni carico nel Capitolo 17 e affida l'onere di abbinare un materiale specifico a quel carico sul cantiere navale e sullo spedizioniere.Ciò rende la conformità IMO un esercizio di documentazione e ingegneria tanto quanto un esercizio sui materiali.

Il nome formale del codice è Codice internazionale per la costruzione e l'equipaggiamento delle navi che trasportano sostanze chimiche pericolose alla rinfusa. È reso obbligatorio per le navi cisterna per prodotti chimici costruiti a partire dal 1 luglio 1986 attraverso il Capitolo VII della SOLAS (Trasporto di merci pericolose) e l'Allegato II della MARPOL (Norme per il controllo dell'inquinamento causato da sostanze liquide nocive trasportate alla rinfusa). Il Codice classifica le navi in ​​tre tipi di navi in ​​base alla gravità dei carichi che sono progettate per trasportare.

Fonte: IMO, Codice internazionale per la costruzione e l'equipaggiamento delle navi che trasportano sostanze chimiche pericolose alla rinfusa (codice IBC), definizioni dei tipi di navi 1–3.

Il capitolo 17 del Codice, il "Riepilogo dei requisiti minimi", elenca migliaia di singoli prodotti chimici rispetto al tipo di nave richiesto, al tipo di serbatoio e ad altri parametri di progettazione, e ne contrassegna alcuni con speciali note di costruzione. Il capitolo 6 affronta i materiali di costruzione e la progettazione-di contenimento del carico in modo più ampio.

A seguito della revisione globale del Codice del 2007, la vecchia pratica di elencare codici di materiali generici specifici per ciascun carico è stata ridimensionata; La responsabilità di confermare che un dato materiale della cisterna è chimicamente compatibile con un carico specifico spetta ora congiuntamente al cantiere navale, che deve fornire i dati di compatibilità prima della consegna, e allo spedizioniere, che deve fornire informazioni sulla compatibilità del carico prima di ogni spedizione. In pratica, ciò significa che un appaltatore o un armatore EPC seleziona 316L, duplex 2205 o un altro grado qualificante in base al modello commerciale previsto e all'elenco del carico della nave, quindi documenta tale selezione rispetto ai requisiti di compatibilità del capitolo 17 e all'elenco del carico approvato dalla nave - anziché leggere un singolo grado dal Codice stesso.

Quali limiti di compatibilità del carico si applicano all'acciaio inossidabile duplex nel servizio chimico?

L'acciaio inossidabile duplex non è un aggiornamento universale rispetto al 316L - ha prestazioni peggiori dei gradi austenitici in alcuni acidi riducenti e perde tenacità oltre i 300 gradi circa, quindi il controllo della compatibilità carico-per-carico rimane obbligatorio anche su una cisterna interamente-duplex.La robustezza del materiale e la resistenza al cloruro non eliminano la necessità della stessa documentazione di compatibilità già richiesta dal Codice IBC.

L'acido cloridrico concentrato e altri acidi fortemente riducenti contenenti cloruro- possono attaccare la fase ferritica nel duplex più velocemente di quanto attaccanoaustenitico 316L, quindi i gradi austenitici o di leghe superiori-potrebbero essere preferiti per questi carichi nonostante il PREN più elevato del duplex.

Temperature sostenute di pulizia del carico o del serbatoio-superiori a circa 300 gradi di rischio sigma-fase e altre precipitazioni intermetalliche nel duplex, degradano la tenacità e la resistenza alla corrosione. - 316L tollera una più ampia finestra di servizio ad alta-temperatura.

Al di sotto di circa -50 gradi, la fase di ferrite del duplex si avvicina alla transizione da duttile-a-fragile, mentre l'acciaio 316L austenitico mantiene la tenacità a temperature criogeniche, favorendo l'acciaio 316L per carichi a temperature-molto basse.

Gli acidi altamente ossidanti ad alta concentrazione (ad esempio, acido nitrico concentrato) richiedono una valutazione caso-per-caso per entrambi i gradi, poiché nessuno dei due è universalmente resistente a tutte le concentrazioni e temperature.

Questi limiti sono esattamente il tipo di dati specifici del carico-che il codice IBC richiede che il cantiere navale e lo spedizioniere si scambino. Un serbatoio costruito interamente in duplex 2205 necessita ancora della stessa approvazione di compatibilità-, carico-per-carico, poiché un serbatoio da 316 litri - duplex amplia l'involucro di carico compatibile per carichi-ricchi di cloruro e carichi-ad alta resistenza-richiesti, ma non sostituisce il controllo di compatibilità.

In che modo l'approvazione della società di classificazione influisce sulla progettazione del serbatoio di carico duplex?

Una società di classificazione - come DNV, ABS, Lloyd's Register, Bureau Veritas o ClassNK - deve approvare la progettazione strutturale, le procedure di saldatura e la certificazione dei materiali della cisterna del carico prima che possa essere rilasciato il certificato di idoneità per il trasporto di sostanze chimiche pericolose alla rinfusa, indipendentemente dal fatto che la cisterna sia 316L o duplex.Nello specifico, per il duplex, le società di classe applicano un controllo aggiuntivo al bilanciamento della ferrite e alla qualificazione della saldatura perché la resistenza alla corrosione del duplex dipende dal mantenimento della sua microstruttura a due fasi attraverso la fabbricazione.

Le società di classificazione sono gli organismi delegati che verificano che una nave cisterna chimica soddisfi sia gli obblighi SOLAS/MARPOL dello stato di bandiera sia i requisiti strutturali e materiali del codice IBC, operando secondo il quadro armonizzato mantenuto dall'Associazione internazionale delle società di classificazione (IACS). Per l'approvazione dei materiali delle cisterne di carico, i periti di classe in genere esaminano il certificato di prova del mulino (EN 10204 Tipo 3.1) per la composizione chimica e le proprietà meccaniche, le specifiche della procedura di saldatura (WPS) e il record di qualificazione della procedura (PQR) per ciascun tipo di giunto e i record dei test non-distruttivi per le saldature completate. Per i serbatoi duplex, la maggior parte delle società richiede inoltre la verifica del contenuto di ferrite - mediante esame metallografico o misurazione al ferritescopio - sulle saldature di produzione, poiché un rapporto sbilanciato di ferrite-austenite è la causa principale più comune di guasti per corrosione duplex in-servizio sulle navi.

Quali controlli di saldatura e fabbricazione sono richiesti per i serbatoi di carico duplex?

La saldatura di cisterne di carico duplex richiede un controllo-dell'ingresso di calore e della temperatura-di interpassaggio più stretto rispetto al 316L, poiché il metallo saldato e la zona-influenzata dal calore devono mantenere un equilibrio di ferrite-austenite compreso tra il 35 e il 65% circa per preservare la resistenza alla corrosione.I cantieri navali esperti solo nella fabbricazione austenitica in genere necessitano di una qualifica separata della procedura di saldatura con certificazione di classe-prima di tagliare la lamiera duplex.

Fonte: I parametri di saldatura riflettono la pratica consolidata di fabbricazione dell'acciaio inossidabile duplex secondo le linee guida del manuale duplex IMOA/Outokumpu e i requisiti di qualificazione delle procedure di saldatura standard delle società di classificazione (ad esempio, DNV, ABS, regole del Lloyd's Register per le navi cisterna per prodotti chimici).

Qual è il confronto del costo totale di proprietà tra i serbatoi di carico 316L e Duplex?

I serbatoi di carico duplex costano di più per tonnellata di materia prima, ma in genere costano meno per nave se si tiene conto dello spessore ridotto delle piastre, del peso strutturale inferiore e della durata di servizio prolungata.La motivazione economica si rafforza ulteriormente per le navi che operano su rotte calde e ricche di cloruro-dove il 316L è più soggetto a vaiolatura e-corrosione da stress.

Prezzo del materiale: il duplex 2205 comporta generalmente un sovrapprezzo per-chilogrammo rispetto al 316L, dovuto principalmente al suo contenuto più elevato di cromo e molibdeno e al contenuto di nichel inferiore rispetto ai gradi austenitici.

Peso di fabbricazione: il maggiore carico di snervamento del duplex consente piastre più sottili del 30–40% per lo stesso carico strutturale, il che può ampiamente compensare il premio per-chilogrammo su base per-serbatoio.

Aumento di portata lorda: un sistema di cisterne più leggero libera capacità di portata lorda che può essere venduta come capacità di trasporto di merci-addizionale durante la vita operativa della nave.

Tempi di inattività-correlati alla corrosione: il PREN più elevato del duplex riduce la probabilità di riparazioni dei serbatoi-causate da vaiolatura e di-tempo di noleggio sulle rotte commerciali-esposte al cloruro o con acqua calda-.

Costo di fabbricazione: la saldatura duplex richiede un controllo più disciplinato dell'apporto di calore-e un'ulteriore verifica della ferrite, che può aumentare il costo di fabbricazione per giunto rispetto al 316L.

Nessuno di questi fattori opera in modo isolato - un armatore che gestisce un traffico marittimo fisso a corto-mare di carichi benigni potrebbe scoprire che la minore complessità di fabbricazione del 316L supera il risparmio di peso del duplex, mentre un proprietario che costruisce per un commercio globale di pacchi chimici con carichi variabili, esposti al cloruro- ha maggiori probabilità di recuperare il premio del duplex attraverso risparmi di portata lorda e di manutenzione nel corso di oltre 20 anni di vita progettuale della nave.

Quale grado dovresti specificare per la costruzione di una nuova cisterna per prodotti chimici?

Specificare il duplex 2205 per le navi cisterna per pacchi di nuova costruzione che commerciano a livello globale in carichi-esposti o corrosivi al cloruro, dove la portata lorda e la resistenza alla corrosione-a lungo termine contano di più; Il 316L rimane una scelta valida e di minore-complessità per le navi che operano in attività commerciali benigne e ben-definite.La decisione finale dovrebbe sempre essere confrontata con la lista di carico specifica della nave ai sensi del codice IBC piuttosto che presa esclusivamente in base al costo o alla forza.

Autocisterne globali per pacchi chimici che trasportano un elenco di carichi ampio e variabile, compresi prodotti chimici contenenti cloruro-→ duplex 2205, soggette a revisione di compatibilità carico-per-carico.

Navi con un elenco di carico fisso e ben-caratterizzato di sostanze organiche, oli vegetali o acidi deboli → 316L è generalmente adeguato e semplifica la fabbricazione e la riparazione.

Commerci che coinvolgono carichi sostenuti o temperature di pulizia superiori a circa 300 gradi → preferire il 316L o un altro grado-adatto alle alte temperature-rispetto al duplex.

Le operazioni che enfatizzano l'ottimizzazione del peso morto su rotte a lungo-raggio e ricche di cloruro-→ il risparmio di peso del duplex 2205 e il vantaggio PREN in genere giustificano il premio.

Qualsiasi specifica di nuova costruzione, indipendentemente dal grado scelto → confermare la qualificazione della procedura di saldatura della società di classificazione e la documentazione di compatibilità del codice IBC capitolo 17 prima di finalizzare la scheda dei materiali.

Domande frequenti

D: L'acciaio inossidabile duplex è approvato per le cisterne di carico delle navi cisterna per prodotti chimici secondo il codice IBC?

A: SÌ. Il codice IBC non nomina gradi specifici; stabilisce gli standard di contenimento e-tipo di nave e richiede la documentazione sulla compatibilità del carico. L'acciaio inossidabile duplex, una volta verificato compatibile con la lista di carico prevista e approvato dalla società di classificazione della nave, è un materiale accettato per le cisterne di carico ed è già standard su molte navi cisterna per pacchi di nuova costruzione.

D: L'acciaio inossidabile duplex può sostituire i serbatoi di carico 316L su una cisterna esistente?

A: Solo attraverso un progetto formale di conversione o riparazione esaminato dalla società di classificazione della nave, poiché comporta la qualificazione di una nuova procedura di saldatura, la documentazione aggiornata sulla compatibilità del carico e la verifica rispetto al certificato di idoneità approvato della nave. È molto più comune specificare il duplex nella fase di nuova costruzione piuttosto che adattarlo.

D: Quali carichi non devono essere trasportati in cisterne duplex in acciaio inossidabile?

A: L'acido cloridrico concentrato e altri acidi fortemente riducenti contenenti cloruro-, insieme ai carichi che richiedono una movimentazione prolungata o temperature di pulizia superiori a circa 300 gradi, sono casi in cui il 316L austenitico o un altro grado può surclassare il duplex. La compatibilità deve essere sempre verificata carico per carico.

D: Quali società di classificazione approvano la fabbricazione di cisterne di carico duplex?

A: Tutte le principali società che operano nell'ambito del quadro IACS - tra cui DNV, ABS, Lloyd's Register, Bureau Veritas e ClassNK - approvano i progetti di cisterne di carico in acciaio inossidabile duplex, a condizione che il cantiere navale dimostri una procedura di saldatura qualificata e verifichi il bilanciamento della ferrite sulle saldature di produzione.

D: Il codice IBC specifica un esatto grado di acciaio inossidabile per una determinata sostanza chimica?

A: Non direttamente per la maggior parte dei prodotti. Il Codice stabilisce il tipo di nave e il tipo di cisterna richiesti nel Capitolo 17 e richiede che il cantiere navale e lo spedizioniere si scambino i dati sulla compatibilità dei materiali del carico-; il grado specifico di acciaio inossidabile viene quindi selezionato dal progettista rispetto al record di compatibilità e verificato durante l'approvazione della classe.

D: Quanto peso può risparmiare una cisterna chimica utilizzando i serbatoi duplex anziché quelli da 316 litri?

A: I casi di studio pubblicati riportano una riduzione di circa il 10% nel peso del sistema di cisterne del carico, corrispondente a circa 30-250 tonnellate su una nave piena, a seconda delle dimensioni della nave e della configurazione del serbatoio.