Repliche estrattive e TEM: valutazione della vita residua degli acciai P91 e P92

Negli impianti di produzione energetica e dell'industria di processo ad alta temperatura, la gestione dell'integrità degli asset (Asset Integrity Management) rappresenta la sottile linea di demarcazione tra la continuità operativa e il rischio di gravi fermi impianto.

In questo scenario, gli acciai legati al 9% di cromo di grado P91 e P92 costituiscono materiali fondamentali per componenti critici operanti in regime di creep, come collettori, tubazioni di vapore surriscaldato e tubi di scambio ad alta pressione.

Acciai P91 e P92: caratteristiche microstrutturali e degrado da creep

Nelle condizioni finali di utilizzo, gli acciai P91 e P92 presentano una microstruttura completamente martensitica, ottenuta a seguito di trattamenti di normalizzazione e rinvenimento. Denominati CSEF (Creep Strength Enhanced Ferritic), devono la propria spiccata resistenza a creep alla precipitazione di carburi M₂₃C₆ lungo i bordi di grano e a una diffusa distribuzione di carbonitruri fini di vanadio e niobio del tipo MX.

Questa classe di acciai è progettata per vite in servizio molto lunghe, che possono superare le 100.000 ore a temperature comprese tra 540 e 610 °C.

Tuttavia, pur non essendo materiali dalla struttura particolarmente instabile, durante il servizio subiscono un'inevitabile evoluzione microstrutturale, con conseguente degradazione delle proprietà meccaniche. I principali meccanismi di invecchiamento microstrutturale sono la coalescenza dei carburi M₂₃C₆ e la nucleazione e crescita di fasi secondarie, come la fase di Laves e la fase Z.

Il ruolo delle repliche estrattive e della microscopia elettronica TEM

La necessità di garantire la sicurezza e stimare accuratamente la vita residua degli acciai P91 e P92 richiede un livello di indagine che va oltre le tradizionali tecniche di controllo non distruttivo (NDT). L'utilizzo combinato delle repliche estrattive e della microscopia elettronica a trasmissione (TEM) rappresenta attualmente uno strumento d'eccellenza per il monitoraggio del creep negli acciai P91 e P92.

La tecnica di prelievo della replica di tipo estrattivo consente il campionamento mirato di nanoparticelle e carburi dalla matrice metallica, per trasferirli su un supporto trasparente al fascio di elettroni, preservandone la distribuzione spaziale e l'orientamento originali. L'esame fornisce, per ciascuna categoria di precipitati, informazioni sulla quantità, sulla composizione chimica e sulle dimensioni. Il supporto su cui vengono estratte le particelle è normalmente costituito da una resina.

La fase di osservazione e documentazione è affidata a un laboratorio TEM esterno, dotato di microscopio elettronico a trasmissione con EDX e microdiffrazione. La valutazione finale avviene poi tramite adeguate curve di riferimento presso RTM Breda.

Mentre le repliche metallografiche superficiali standard (repliche a stampa in lucido per OM o SEM) forniscono indicazioni topografiche preliminari, la combinazione tra il prelievo di repliche estrattive e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) consente di effettuare indagini a livello nanometrico, rivelando l'evoluzione microstrutturale dell'acciaio prima che si manifestino cricche o cedimenti macroscopici.

Come si svolge l'analisi TEM su repliche estrattive

Il servizio specialistico di Donegani Anticorrosione per la diagnosi microstrutturale tramite repliche estrattive al TEM si articola in tre fasi operative.

Preparazione superficiale non distruttiva in cantiere

Attraverso una pulizia e una levigatura meccanica a gradazione progressiva della zona d'interesse (materiale base o saldatura), la superficie viene lucidata a specchio e attaccata chimicamente per mettere in risalto la microstruttura sottostante.

Deposizione della resina ed estrazione delle particelle

Si deposita un sottile film di supporto polimerico trasparente sopra la superficie attaccata, utilizzando acetato di cellulosa ammorbidito con acetone. Si effettua quindi un secondo attacco chimico, attraverso o al di sotto dello strato applicato, che discioglie leggermente la matrice metallica sottostante che tiene ancora ancorate le particelle, liberandole dal metallo di base ma lasciandole inglobate nel film.

Il film, con le particelle estratte, viene delicatamente rimosso dalla superficie metallica, spesso mediante immersione in alcol, e posizionato su un supporto portacampioni per la successiva analisi al microscopio elettronico (TEM).

Analisi al microscopio elettronico a trasmissione (TEM-EDS)

All'interno dei laboratori di caratterizzazione avanzata, le repliche estrattive vengono analizzate al TEM per:

• misurare la distribuzione dimensionale dei carburi: monitorare il loro ingrossamento, indice diretto del consumo di vita per creep;
• identificare la precipitazione delle fasi Z e Laves: caratterizzare stechiometricamente la dissoluzione dei carbonitruri a favore della fase Z, causa primaria della perdita di resistenza a lungo termine;
• mappare la composizione chimica dei precipitati: eseguire analisi microchimiche tramite spettrometria a dispersione di energia (EDS) su scala nanometrica, per discriminare fasi cristallografiche complesse.

Zona di prelievo della replica estrattiva su saldatura di composizione tra tubo e curva di una tubazione del vapore surriscaldato in P91.

Immagini TEM (replica per estrazione) dell'acciaio P91 dopo trattamento di normalizzazione e rinvenimento; sono evidenziati i carburi M₂₃C₆ e i carbonitruri MX.

Perché investire nelle analisi TEM su repliche estrattive?

L'acciaio P91 è stato introdotto su larga scala nelle centrali termoelettriche e negli impianti petrolchimici e nucleari per la sua eccellente resistenza alle alte temperature e pressioni. Tuttavia, l'esperienza industriale accumulata negli ultimi decenni ha evidenziato diverse vulnerabilità metallurgiche intrinseche, che hanno portato a fessurazioni e cedimenti prematuri in tutto il mondo, ben prima delle 100.000 ore teoriche stimate in fase di progetto.

Inoltre, la transizione energetica globale ha costretto molte centrali, originariamente progettate per operare in regime continuo, a funzionare in regime ciclico, con frequenti avvii, spegnimenti e variazioni di carico. Questo ha introdotto fenomeni severi di fatica termomeccanica. I transitori termici creano forti gradienti di sollecitazione che accelerano la nucleazione delle microcavità da creep, le quali possono connettersi tra loro formando reti di microfratture molto prima di quanto previsto dai modelli di puro creep stazionario.

Scegliere questo approccio diagnostico avanzato per la propria flotta di impianti significa passare da una manutenzione reattiva o semplicemente programmata a una strategia di manutenzione predittiva e di ispezione basata sul rischio.

I vantaggi delle analisi TEM

In particolare, questo approccio diagnostico offre diversi benefici:

• maggiore accuratezza nella valutazione della vita residua: fornisce dati utili a stimare i margini operativi rimanenti dei componenti soggetti a scorrimento viscoso, evitando la sostituzione prematura di tubazioni ancora integre;
• prevenzione dei guasti catastrofici: individua la degradazione microstrutturale (fase Z, ingrossamento dei precipitati) molto prima che compaiano microcavità o cricche rilevabili con ultrasuoni o controlli NDT convenzionali;
• metodologia non distruttiva e in situ: la preparazione e il prelievo delle repliche estrattive si eseguono direttamente sul componente in impianto durante i fermi programmati, senza necessità di prelevare campioni distruttivi o spezzoni di tubazione;
• conformità ai massimi standard internazionali: i report analitici forniscono dati quantitativi idonei alla validazione delle analisi di idoneità al servizio (Fitness for Service – FFS), in accordo alle norme API 579/ASME FFS-1 e BS 7910.

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