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CCC/234

Acciai per alte temperature impiegati in camere di combustione per carbone polverizzato (CCC/234)

Kyle Nicol

Gli impianti che utilizzano carbone polverizzato come combustibile e operano in condizioni supercritiche sono ormai una realtà ben consolidata da circa 40 anni. Gli impianti invece che operano in condizioni ultrasupercritiche (USC) sono invece in esercizio da circa 20 anni.
L’esperienza maturata durante la vita di questi impianti è di fondamentale importanza per la caratterizzazione delle prestazioni degli acciai speciali ad alte temperature. Per esempio l’acciaio martensitico con il 9-12% di cromo ha avuto problemi di cracking e inoltre si è rivelato meno resistente ad alte temperature di quello che si era previsto in fase di progetto. Inoltre spesso gli impianti si trovano ad operare in condizioni off-design e questo provoca negli acciai ulteriori stress che possono determinare cedimenti precoci.
Grazie all’esperienza maturata è stato possibile valutare le prestazioni degli acciai speciali dislocati nelle varie parti dell’impianto, valutandone i problemi e i possibili rimedi per ovviare agli stessi.
Sviluppare nuove leghe speciali consentirebbe di aumentare le temperature massime d’esercizio e l’affidabilità dell’impianto, permettendo di raggiungere rendimenti più elevati, con il conseguente risparmio di combustibili e la riduzione delle emissioni inquinanti. Lo sviluppo di nuove leghe risulta però molto costoso, richiede molto tempo e comunque comporta anche dei rischi in quanto bisogna testarle realizzando prima impianti pilota, dimostrativi e in ultima fase impianti di taglia commerciale.
La ricerca sugli acciai speciali ha permesso di migliorare notevolmente il rendimento degli impianti passando da il 35-40% per gli impianti supercritici al 42-47% degli impianti USC. Gli impianti ultrasupercritici riescono a operare a temperature del vapore di circa 580-605°C e pressioni comprese tra 22-29 MPa, mediante l’utilizzo delle leghe ferritiche basso legate, leghe martensitiche con una percentuale del 9-12% di cromo e acciai austenitici.
Le principali problematiche dei metalli impiegati in questo tipo di impianti sono:
• Attacco chimico;
• Surriscaldamenti localizzati;
• Cricche da fatica;
• Saldature.
In ogni parte dell’impianto, le condizioni operative risultano essere differenti, di conseguenza è differente il peso che hanno le problematiche sopracitate.
L’attacco chimico è generalmente causato dallo sporcamento delle tubazioni in camera di combustione e dalla presenza di ceneri fuse. Le ceneri non hanno un comportamento neutro nei confronti della superficie della tubazione: l’attaccano, riducendo nel tempo la sezione resistente e provocandone una rottura precoce.
I surriscaldamenti localizzati sono una conseguenza dello sporcamento del tubo: ossidi e incrostazioni di varia natura riducono lo scambio termico provocando sovratemperature localizzate e riduzioni localizzate della resistenza del materiale.
Per tutti i componenti sottoposti a forti carichi termici e forti stress meccanici è necessario un adeguato sistema di gestione della manutenzione, in modo da limitare al minimo le fermate impreviste dell’impianto. Altro aspetto molto importante e particolarmente critico riguarda le saldature che se non correttamente eseguite possono portare alla rottura del componente per i seguenti motivi:
• rottura per fatica a causa di discontinuità presenti nella saldatura;
• perdita delle caratteristiche meccaniche acquisite mediante trattamenti termici;
• esecuzione della saldatura in atmosfera non protetta.
Allo stato attuale la tendenza è quella di sviluppare leghe in grado di operare a una temperatura maggiore dei 700°C. In questo modo si potranno conseguire rendimenti superiori al 50%; basti pensare che un aumento della temperatura massima del ciclo di 20°C comporta un aumento del rendimento tra 1-3,5 punti percentuali.
La lega su cui si sta lavorando e che si pensa possa consentire tali risultati è una lega martensitica con 11-12% di cromo; allo stadio di ricerca è lo sviluppo di leghe con percentuali di zinco che garantiscano ottime resistenze alla corrosione. L’inconveniente di quest’ultima lega è il costo: il prezzo dello zinco è molto caro e incide in modo consistente sul costo di investimento dell’impianto.
In conclusione, oltre alla ricerca su nuove leghe, si sta svolgendo un approfondito lavoro sullo sviluppo di una politica di manutenzione programmata al fine di migliorare la disponibilità e l’affidabilità dell’impianto. Inoltre il problema del trattamento chimico dell’acqua come fluido termovettore resta di primaria importanza. AP/PM

Il rapporto originale è consultabile gratuitamente, previa registrazione, all’indirizzo:
http://www.iea-coal.org.uk/site/2010/publications-section/reports