Rotture tubazioni con altissime pressioni

Impianti di polietilene

Negli impianti di polietilene le condizioni operative di macchinari, tubazioni ed altri componenti sono molto gravose. Il compressore alternativo, utilizzato nella parte finale, permette di raggiungere 300 MPa per poter ottenere il grado di conversione e la qualità richieste per il prodotto.

Il secondario genera una portata variabile che determina pulsazioni nelle tubazioni, in particolare in quelle di alta pressione, con conseguenti vibrazioni.

Controlli periodici sono perciò necessari per avere una situazione delle prestazioni reali ed anche del comportamento operativo. La possibilità di inconvenienti è notevole e pertanto l'attenzione deve essere al massimo livello e continua. Ad ogni fermata, particolarmente se programmata, controlli accurati vengono eseguiti ove possibile in modo da garantire la possibilità di marciare correttamente e in sicurezza, mantenendo o incrementando il MTBF realizzato in precedenza.

Aspetti progettuali

Durante la fase progettuale le pulsazioni vengono valutate con i mezzi disponibili in quel momento e così anche il livello di vibrazione, in modo da rientrare nei criteri di accettazione previsti.

Per evitare eccessive vibrazioni e ridurre il rischio di rotture i progettisti utilizzano guidelines che portano alla definizione delle posizioni ottimali degli staffaggi, considerando anche la presenza di valvole e quindi di masse concentrate.

Nella polimerizzazione dell'etilene le pressioni elevate e variabili portano a sollecitazioni di fatica che aggravano ulteriormente il rischio di inconvenienti.

Condizioni operative

In esercizio la pressione nel reattore raggiunge valori poco inferiori a 300 MPa con fluttuazioni dovute alla Let Down Valve e con temperature elevate di circa 300 °C. Quindi le tensioni nei vari punti delle tubazioni possono assumere valori elevati e critici.

Le tubazioni ad alta pressione del reattore e degli intercooler sono provviste di una camicia esterna per effettuare un raffreddamento ottimale dipendente dal livello termico necessario (circa 150°C).

È utilizzata acqua condizionata con Oxygen scavengers e neutralizzanti amminici.

Ispezioni tubazioni

Oltre ai componenti macchina come i cilindri e le incastellature dei compressori secondari e primari, anche le tubazioni necessitano di controlli visivi e particolari.

I controlli in esercizio del reattore non sono facilmente eseguibili, soprattutto per problemi di sicurezza. Centinaia di metri di tubi soggetti a vibrazioni con rischi di rottura e fughe di gas, che può incendiarsi al contatto con l'aria, sono racchiusi da un'adeguata struttura di protezione in cemento armato.

Quindi le reali opportunità di esami approfonditi vanno prese in occasione delle fermate programmate.

Fenomeni di corrosione sulle tubazioni ed in particolare nelle zone incamiciate non sono facili da evidenziare. La presenza dei collegamenti filettati, tra ciascuno tratto di tubazione rettilinea o curva, rappresenta un'ulteriore criticità da tenere sempre in adeguata considerazione.

Dopo un lungo periodo di esercizio sono stati notati dei difetti su una curva posizionata in prossimità di un valvola e del relativo supporto.

Analisi di laboratorio

Per ricercare le possibili cause delle cricche formatesi sulla curva sono stati utilizzati metodi classici e analisi al SEM.

Le tubazioni sono in acciaio al C basso-legato (AISI 4340), come confermato dalle analisi e pertanto in conformità al progetto ed alla fornitura iniziale. Le cricche sui fianchi della curva (Fig.1) sono partite da pits di corrosione, che hanno avuto origine sulle rigature conseguenti al processo originario di piegatura a caldo del tubo.

I prodotti della corrosione hanno aspetto e consistenza che indica che i pits non sono attivi. Potrebbero essersi formati in passato entro le lesioni della calamina. Il contatto con acqua non sufficientemente deossigenata oppure fermate prolungate dell'impianto potrebbero avere provocato questi danneggiamenti. Idrossidi di Fe originariamente gelatinosi, orientati nella direzione del flusso dell'acqua, costituiscono i prodotti di corrosione. Attualmente risultano più duri e scuri a causa dell'ambiente riducente e del passare del tempo. Le cricche hanno dimensioni notevoli.

Qualcuna arriva a metà spessore del tubo. Con l'esame metallografico viene evidenziato che le cricche sono attribuibili a fenomeni di fatica-corrosione innescatisi al fondo dei pits superficiali (Fig. 2).

Effetti di tenso-corrosione da alcali possono essere esclusi in quanto non sono presenti ramificazioni intergranulari apprezzabili.

Sono state eseguite analisi sulle incrostazioni prelevate in zona cricche. L'analisi XRPD (X-Ray Powder Diffraction) evidenzia la presenza di magnetite, con minima presenza di ematite. Le semiquantitative EDX (Energy Dispersive X-ray) alla microsonda SEM (Scanning Electron Microscope) non evidenziano quantità significative di Na e P.

Commenti

Le cricche hanno una penetrazione ragguardevole. Fenomeni di corrosione hanno avuto luogo nel tempo o durante le fermate dell'impianto in presenza di H2O non sufficientemente deossigenata.

Le cricche sono riconducibili a fenomeni di corrosion-fatigue, con inizio in prossimità della camicia di raffreddamento, sui pits di corrosione della superficie esterna della curva.

Sovrasollecitazioni affaticanti sono da ricondurre all'aumento delle vibrazioni.

Le tensioni conseguenti sono generalmente basse, ma la frequenza degli eccitanti può variare e essere influenzata dagli armonici di ordine superiore. Eventuali allentamenti degli staffaggi o delle interconnessioni dei vari tratti di tubi possono modificare la rigidezza del sistema, le frequenze naturali e far crescere il livello di vibrazione fino a raggiungere fenomeni di risonanza.

Conclusioni

La formazione nel tempo di cricche di fatica-corrosione sulla curva in oggetto è l'indice di potenziali analoghi fenomeni in atto su altri componenti.

È opportuno effettuare controlli più accurati, soprattutto per motivi di sicurezza, con rilievi di vibrazioni e possibili azioni per la riduzione del livello vibratorio, quali valutazioni teoriche avanzate. Importante e la qualità dell'acqua usata per il raffreddamento delle tubazioni.

Prima delle fermate con apertura all'aria del circuito di raffreddamento, è consigliabile di rimuovere l'acqua e provvedere all'essiccazione delle zone interessate con circolazione di azoto.

Ubaldo Grassini

Direttore tecnico Donegani anticorrosione