Tubazioni per il raffreddamento ad acqua di mare negli impianti LNG: perché l’acciaio super austenitico al 6% di molibdeno viene talvolta scelto invece del duplex 2507

Tubazioni per il raffreddamento ad acqua di mare negli impianti LNG: perché l’acciaio super austenitico al 6% di molibdeno viene talvolta scelto invece del duplex 2507

Quando si progetta il sistema di raffreddamento con acqua di mare per un impianto di gas naturale liquefatto (LNG) – sia di tipo base (onshore) che galleggiante (FLNG) – la scelta del materiale per le tubazioni è fondamentale. L'ambiente è estremamente aggressivo: acqua di mare calda, clorurata e ad alta velocità, spesso con periodi di ristagno, bioincrostazioni e occasionali operazioni di pulizia chimica.

Per decenni, l'upgrade predefinito rispetto all'acciaio inossidabile 316L è stato l'acciaio duplex super 2507 (UNS S32750). La sua elevata resistenza, il suo valore PREN >40 e la sua resistenza alla corrosione da tensione in presenza di cloruri ne hanno fatto lo standard. Tuttavia, negli ultimi anni molti progetti LNG – in particolare nel Medio Oriente e nell'Asia sud-orientale – hanno adottato acciai inossidabili austenitici super con il 6% di molibdeno (ad esempio UNS S31254, S31266, S32654) per le tubazioni critiche di raffreddamento ad acqua di mare. Perché?

Questo articolo illustra le motivazioni ingegneristiche: corrosione da fessura in acqua di mare calda, affidabilità nella fabbricazione e costo complessivo del ciclo di vita a lungo termine. Confronteremo direttamente il 2507 e le leghe al 6% Mo, evidenziando quando – e perché – l’acciaio austenitico super risulta la scelta migliore.

1. L’ambiente di raffreddamento ad acqua di mare negli impianti LNG

Gli impianti LNG utilizzano enormi volumi di acqua di mare per il raffreddamento – condensatori, interrefrigeratori e sistemi ausiliari. Le condizioni tipiche sono:

• Temperatura dell’acqua di mare: 25–40 °C (impianti tropicali), talvolta fino a 45 °C nelle vicinanze degli scarichi.

• Clorazione: Continua o intermittente (0,1–0,5 ppm di cloro libero) per controllare l’insediamento biologico.

• Velocità: 2–4 m/s nelle tubazioni; fino a 6 m/s alle uscite delle pompe.

• Stazionamento: Fermi periodici (manutenzione, fermo impianto) – l’acqua di mare stagnante si deaera e può generare condizioni riducenti sotto i depositi.

• Detriti e limo: Sabbia, conchiglie e crescita marina creano interstizi e depositi.

A queste temperature elevate, la resistenza alla corrosione localizzata (pitting) e alla corrosione da fessura richiesta è estrema. Anche gli acciai super duplex 2507 (PREN ~42) possono subire attacco da fessura sotto guarnizioni strette o spessi biofilm se la temperatura supera i 35–40 °C.

2. Acciaio super duplex 2507: punti di forza e limiti

Punti di forza

• Alto valore PREN (40–43) da 25% Cr, 7% Mo, 0,3% N.

• Alta resistenza a trazione (≥550 MPa) – consente pareti più sottili e tubazioni più leggere.

• Buona resistenza alla corrosione sotto tensione da cloruri – molto migliore rispetto a 316L o 2205.

• Contenuto inferiore di nichel (~7%) rispetto agli acciai austenitici – minore volatilità dei prezzi.

Limitazioni in acqua di mare tiepida

• Temperatura critica di corrosione da fessurazione – La temperatura critica di corrosione da fessurazione (CCT) per l’acciaio 2507 in acqua di mare è di circa 35–45 °C (a seconda del tenore di cloruri e della geometria delle fessure). Al di sopra di tale valore, inizia un attacco localizzato sotto guarnizioni, flange o depositi marini.

• Suscettibilità della fase ferritica – L'acciaio 2507 ha una percentuale di ferrite pari a circa il 40–50%. In acqua di mare stagnante e disossigenata (ad es. durante l’arresto dell’impianto), la fase ferritica può subire corrosione preferenziale (attacco selettivo).

• Sensibilità alla saldatura – Richiede un rigoroso controllo dell’apporto termico e, spesso, un trattamento di ricottura in soluzione post-saldatura per ottenere la massima resistenza alla corrosione. Le riparazioni in cantiere sono più complesse.

• Rischio di Fragilità da Idrogeno – In presenza di protezione catodica (ad es. se nello stesso impianto sono presenti scambiatori di calore in lega di rame), l’acciaio 2507 può assorbire idrogeno.

Guasto riscontrato nella pratica: Un impianto LNG nel Qatar ha segnalato corrosione da fessura sotto guarnizioni in PTFE su tubazioni in acciaio 2507 per acqua di mare dopo 5 anni di servizio. La temperatura dell’acqua di mare era di 38 °C, con clorazione. La profondità dell’attacco ha raggiunto 0,5 mm in alcuni punti, rendendo necessaria la sostituzione delle flange.

3. Acciai superaustenitici al 6 % di molibdeno: l’alternativa

Gli acciai superaustenitici al 6 % di molibdeno (ad es. 254 SMO® – UNS S31254, 6Mo – S31266, AL-6XN® – N08367 e S32654 ad alto contenuto di azoto) sono completamente austenitici. La loro composizione tipica è:

Principali vantaggi rispetto al 2507:

• Temperatura critica di corrosione da fessura più elevata – S31254 pari o leggermente superiore al 2507; S31266 e S32654 sono significativamente migliori (CCT >50 °C).

• Struttura completamente austenitica – Assenza di ferrite, quindi nessun attacco selettivo di fase in acqua di mare stagnante.

• Assenza di fragilità indotta dall’idrogeno – Assenza di ferrite → nessuna preoccupazione per la HISC.

• Saldatura più tollerante – Minore rischio di formazione di fasi intermetalliche. Può essere saldato in cantiere senza ricottura di soluzione post-saldatura per la maggior parte delle applicazioni.

• Migliore prestazione a temperature elevate – Mantiene resistenza e resistenza alla corrosione fino a 300 °C (non rilevante per l’acqua di mare, ma utile per i flussi di processo caldi a monte).

Svantaggi rispetto al 2507:

• Minore resistenza allo snervamento (300–350 MPa contro 550 MPa) – richiede pareti più spesse per la stessa pressione.

• Contenuto più elevato di nichel (18–24%) – più costoso, soggetto a bruschi aumenti del prezzo del nichel.

• Più pesante (per la stessa classe di pressione) – parete più spessa = maggiore peso, costo di trasporto più elevato.

4. Perché scegliere il 6% Mo invece del 2507? I fattori decisionali

Fattore decisionale n. 1: Acqua di mare calda (superiore a 35 °C)

Per gli impianti LNG nel Golfo Arabico, nel Mar Rosso o nel Sud-Est asiatico, le temperature dell’acqua di mare in aspirazione possono raggiungere i 35–40 °C e quelle in scarico possono essere superiori di 10 °C. A 40–45 °C, la temperatura critica di incipiente corrosione (CCT) del 2507 è al limite. Molti proprietari hanno riscontrato fenomeni di corrosione da fessurazione in corrispondenza di flange, valvole e raccordi per sonde termiche. Le leghe al 6% Mo, come S31266 o S32654, offrono un chiaro margine di sicurezza.

Regola empirica: Temperatura progettuale dell’acqua di mare >35 °C → valutare seriamente l’impiego del 6% Mo. Temperatura >40 °C → il 6% Mo è fortemente preferito.

Fattore decisionale n. 2: Stagnazione frequente (fermi impianto, portata ridotta)

Durante le fermate programmate dell’impianto, le tubazioni per l’acqua di mare rimangono riempite con acqua stagnante e disossigenata. Batteri e microrganismi solfato-riduttori possono proliferare, generando condizioni sulfidiche a basso pH. La fase ferritica del 2507 può subire corrosione preferenziale (attacco alla ferrite) in tali condizioni. Le leghe austenitiche al 6% Mo non contengono ferrite e sono quindi immuni a questo tipo di attacco selettivo.

Conducente #3: Difficoltà di accesso per saldatura e riparazione

Per tubazioni di grande diametro (24–48 pollici) in strutture affollate di tubazioni, la saldatura in cantiere con trattamento termico post-saldatura è impraticabile. L’acciaio 2507 richiede un attento controllo dell’apporto termico (temperatura interpassaggio <150 °C) e, idealmente, un ricottura completa dopo la saldatura per massimizzare la resistenza alla corrosione da fessurazione; tale operazione è quasi impossibile in sito. Le superaustenitiche al 6% Mo possono essere saldate con materiale d’apporto abbinato (ad es. ERNiCrMo‑3 o -10) e utilizzate così come saldate, con una leggera riduzione della temperatura critica di precipitazione (CCT), tipicamente di 5–10 °C in meno. Tale riduzione lascia comunque la CCT al di sopra di quella dell’2507 nella condizione così saldata.

Conducente #4: Resistenza ai sottoprodotti della clorazione

La clorazione continua o intermittente produce acido ipocloroso e altri ossidanti. L’2507, a causa della sua fase ferritica, può subire un attacco selettivo della ferrite in presenza di elevati livelli di ossidanti. Le austenitiche al 6% Mo sono più stabili.

Conducente #5: Affidabilità a lungo termine con bassa frequenza di ispezione

Gli impianti per LNG sono progettati per un funzionamento di 25–40 anni con manutenzione minima. I guasti dovuti alla corrosione da fessura sono costosi da riparare (arresto dell’impianto, svuotamento, rimozione delle flange). Il costo iniziale più elevato dell’acciaio con il 6% di molibdeno è spesso giustificato dall’evitare la sostituzione delle flange a metà vita.

5. Tabella di confronto diretto: 2507 vs. 6% Mo (S31266 come rappresentativo)

6. Quando scegliere la lega 2507 (e risparmiare)

Nonostante i vantaggi della lega con il 6% di molibdeno, la 2507 rimane una scelta valida – e lo standard – per molti impianti ad acqua di mare. Scegliere la 2507 quando:

• La temperatura dell'acqua di mare è costantemente inferiore a 30–32 °C (ad es. Mare del Nord, Canada Atlantico, Tasmania).

• Le tubazioni sono per lo più interrate o poste all'ombra , evitando il riscaldamento solare.

• Il sistema funziona ininterrottamente (pochi periodi di stagnazione).

• I flangiature e le fessure sono ridotte al minimo – utilizzare giunti a testa a testa saldati senza guarnizioni, ove possibile.

• Il risparmio di peso è fondamentale (ad esempio, strutture sopraelevate di impianti FLNG, dove pareti più sottili riducono la quantità di acciaio strutturale della piattaforma).

• Il budget è limitato – l’acciaio 2507 costa circa il 20–30% in meno al metro installato rispetto all’acciaio con il 6% di molibdeno.

Esempio: Un impianto LNG in Norvegia con presa d’acqua di mare a una temperatura compresa tra 5 e 15 °C può utilizzare in tutta sicurezza l’acciaio 2507, senza preoccupazioni relative alla corrosione da fessura.

7. Caso di studio: Impianto LNG nel Medio Oriente – Passaggio dall’acciaio 2507 all’acciaio con il 6% di molibdeno

Un grande impianto LNG a carico di base a Ras Laffan, Qatar, aveva inizialmente specificato l’acciaio 2507 per tutta la tubazione di raffreddamento ad acqua di mare. Dopo 8 anni di funzionamento, le ispezioni hanno rivelato:

• Corrosione da fessura sotto le guarnizioni delle flange in diversi punti, con profondità delle fossette fino a 1 mm.

• Attacco selettivo della ferrite in zone stagnanti (tratti di tubazione esclusi dal flusso), che ha generato un prodotto di corrosione in polvere.

• Due piccole perdite ai giunti saldati, dove il contenuto di ferrite nella zona termicamente alterata (HAZ) era elevato.

L’impianto ha deciso di sostituire i collettori più critici da 36 pollici con acciaio al 6% Mo (S31266) durante un fermo programmato di ampie dimensioni. Dopo ulteriori 5 anni, non è stata riscontrata alcuna corrosione sulle sezioni in acciaio al 6% Mo, mentre le rimanenti sezioni in 2507 hanno continuato a mostrare un lento degrado. Tutti gli ampliamenti successivi sono stati specificati con acciaio al 6% Mo.

Analisi dei Costi: Il costo della tubazione al 6% Mo era superiore del 35% al metro rispetto a quella in 2507. Tuttavia, i ripristini evitati e la maggiore durata utile (stimata in 40 anni contro i 20 anni previsti per l’2507) hanno determinato un risparmio del valore attuale netto di 8 milioni di dollari statunitensi sull’intero ciclo di vita dell’impianto.

8. Linee guida pratiche per la selezione delle tubazioni per acqua di mare negli impianti LNG

Utilizzare questo diagramma di flusso decisionale:

1. Determinare la temperatura massima dell'acqua di mare (temperatura di presa + margine di 10 °C per lo scarico, più riscaldamento solare nei supporti per tubazioni).

2. Se T_max < 32 °C: l'acciaio inossidabile 2507 è accettabile. Valutare l'impiego di acciaio con il 6 % di molibdeno solo se vi sono condizioni severe di ristagno o arresti frequenti.

3. Se T_max compresa tra 32 e 38 °C: Entrambe le soluzioni sono possibili. Valutare:

   • Numero di flange/interstizi (un numero maggiore di interstizi orienta verso l'impiego di acciaio con il 6 % di molibdeno).

   • Frequenza del ristagno (ristagno frequente → acciaio con il 6 % di molibdeno).

   • Vincoli di peso/spazio (preferire 2507 per FLNG).

   • Capacità di saldatura interna (preferire 6% Mo per giunti di campo complessi).

4. Se T_max > 38 °C: si raccomanda fortemente l’impiego di acciaio con 6% Mo. Per temperature superiori a 45 °C, utilizzare gradi ad alte prestazioni come S31266 o S32654.

5. Per FLNG (galleggiante): Il peso è un fattore critico. L’acciaio 2507, con una progettazione accurata (eliminazione delle zone di ristagno, utilizzo di raccordi ramificati saldati), viene spesso scelto. Tuttavia, per acque calde (ad es. FLNG al largo dell’Africa occidentale), il 6% Mo può comunque essere specificato per sezioni critiche.

9. Considerazioni relative alla fabbricazione e ai costi

Saldatura

• 2507:Richiede un materiale d’apporto duplex (ER2594), un apporto termico ≤ 1,5 kJ/mm, una temperatura tra i passaggi < 150 °C e, spesso, un trattamento di ricottura di soluzione post-saldatura per massimizzare la resistenza alla corrosione da fessurazione. Molti committenti accettano la saldatura nello stato as-welded, applicando una riduzione della temperatura critica di precipitazione (CCT) di 10 °C.

• 6% Mo: Utilizzare materiale d’apporto ERNiCrMo‑3 (625) o ERNiCrMo‑10 (C22). Non è richiesta alcuna ricottura post-saldatura. La temperatura tra i passaggi può raggiungere i 200 °C. È molto più tollerante.

Flange e raccordi

• Per il 2507, utilizzare flange integrali con collo saldato e gas di protezione per prevenire l'ossidazione della radice. Le guarnizioni devono essere in PTFE o non conduttive per evitare interstizi.

• Per il 6% Mo, pratiche analoghe, ma con rischio inferiore.

Modellazione dei costi (esempio: tubo da 30 pollici, pressione di progetto di 40 bar, lunghezza di 20 km)

Il molibdeno al 6% è circa il 60% più costoso inizialmente. Tuttavia, se evita anche solo due interventi di riparazione importanti nel corso di 30 anni (ciascuno dei quali comporta costi di decine di milioni di dollari per i tempi di fermo), la convenienza economica si ribalta.

10. Riepilogo: Quale scegliere per il vostro impianto LNG?

Parere Finale

Il super duplex 2507 è un eccellente materiale per tubazioni in acqua di mare: resistente, anticorrosivo ed economico. Tuttavia, non rappresenta una soluzione universale. In acqua di mare calda superiore ai 35 °C, specialmente in presenza di interstizi, stagnazione o clorazione, la sua resistenza alla corrosione da fessura e all’attacco selettivo di fase diventa marginale.

Gli acciai inossidabili austenitici superaustenitici al 6% di molibdeno offrono un livello superiore di resistenza alla corrosione localizzata, non presentano rischi legati alla ferrite e consentono una fabbricazione più tollerante. Per gli impianti LNG nelle regioni tropicali, il costo aggiuntivo iniziale si ripaga spesso grazie a una maggiore durata operativa e a minori costi di manutenzione.