ITUA20163944A1

ITUA20163944A1 - Process for making a component of a turbomachine, a component obtainable thereby and turbomachine comprising the same / Processo per ottenere un componente di turbomacchina, componente da esso ottenibile e turbomacchina che lo comprende

Info

Publication number: ITUA20163944A1
Application number: ITUA2016A003944A
Authority: IT
Inventors: Filippo Cappuccini; Massimo Giannozzi; Massimiliano Buccioni; Pietro Domenico Di
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2017-11-30
Also published as: KR20230062881A; CN109195733A; JP2022130650A; WO2017207414A1; US11780010B2; RU2018141219A3; JP7153567B2; RU2730916C2; KR20190013981A; US20190201972A1; RU2018141219A; JP7545442B2; JP2019523822A

Description

Sezione Classe Sottoclasse Gruppo Sottogruppo

B 22 F 3 15

Sezione Classe Sottoclasse Gruppo Sottogruppo

B 22 F 3 22

Sezione Classe Sottoclasse Gruppo Sottogruppo

B 22 F 9 08

Titolo

Process for making a component of a turbomachine, a component obtainable thereby and turbomachine comprising the same / Processo per ottenere un componente di turbomacchina, componente da esso ottenibile e turbomacchina che lo comprende

TITOLO

Processo per ottenere un componente di turbomacchina, componente da esso ottenibile e turbomacchina che lo comprende

DESCRIZIONE

Campo

Le forme di realizzazione dell'oggetto qui divulgato riguardano componenti per turbomacchine e turbomacchine per applicazioni Oil & Gas.

Alcune forme di realizzazione riguardano compressori e pompe centrifughi (rotativi) nonché loro componenti, operanti nel settore della produzione e del trattamento di petrolio e gas contenenti, per esempio, idrocarburo più solfuro di idrogeno, diossido di carbonio, con o senza altri contaminanti. Questi materiali sono indicati come “gas sour". Tali apparecchiature hanno almeno un componente realizzato in una lega a elevata resistenza alla corrosione, in grado di resistere alla corrosione meglio degli acciai inossidabili martensitici dello stato dell'arte, e che si comporta in modo analogo alle leghe a base di nickel superiori.

Alcune forme di realizzazione riguardano turbine a gas o turbine a vapore (rotative) nonché i loro componenti. Tali apparecchiature hanno almeno un componente realizzato in una lega a elevata resistenza meccanica, in grado di resistere a fatica e/o a scorrimento meglio dei materiali dello stato dell'arte.

Stato dell'arte

Un compressore è una macchina in grado di aumentare la pressione di un fluido comprimibile (gas) tramite l'uso di energia meccanica. Nei compressori centrifughi, la compressione del fluido è effettuata da una o più giranti assemblate su un albero con un movimento di rotazione all'interno di una o più parti di statore (diaframma) impilate tra loro mediante bulloni. L'assieme descritto è denominato usualmente "fascio". Il fluido che deve essere compresso è attirato nel fascio attraverso uno o più condotti di introduzione, mentre il fluido compresso è espulso dal fascio verso uno o più condotti di espulsione.

Solitamente, i compressori centrifughi sono azionati da motori elettrici o altrimenti da motori a combustione interna, attraverso un accoppiamento per la trasmissione del movimento.

I compressori centrifughi che funzionano nel settore dei gas “sour” sono soggetti a un diverso tipo di interazione con l'ambiente (corrosione) che può provocare perdita di prestazioni e guasti prematuri dei componenti del compressore.

L'uso in ambiente “sour” è caratterizzato da idrocarburi con solfuro di idrogeno bagnato (H2S) in cui il pH2S è superiore a 0,0030 bar. Questo valore è valido per gli acciai al carbonio e bassolegati. NACE MR0175/ISO 15156-1 e NACE MR0175/ISO 15156-3 non definiscono un limite minimo di pH2S per le leghe resistenti a corrosione (CRA), dato che questo limite è una funzione anche dell'acidità della soluzione (pH) e i valori possono essere inferiori a quello definito per gli acciai al carbonio e bassolegati.

I fenomeni di corrosione sono molteplici e tra questi i più importanti sono i seguenti tipi:

- Corrosione generale – un attacco uniforme della superficie del materiale - Corrosione puntiforme – un attacco localizzato in modo non uniforme

- Formazione di cricche da tensocorrosione (SCC e CSCC)

Si fa notare che i fenomeni di corrosione elencati sopra possono verificarsi solo se è presente acqua condensata (gas umido) che agisce come elettrolita per il processo elettrochimico.

Il gas umido contenente idrocarburi, CO2, H2S, e cloruri (o altri alogenuri), eventualmente in presenza di zolfo elementare, costituisce un ambiente in cui possono verificarsi tutti i fenomeni elencati sopra. La resistenza del materiale a un singolo meccanismo di danneggiamento o a una combinazione di meccanismi di danneggiamento è quindi fondamentale per garantire l'affidabilità dei prodotti.

Tra i meccanismi di corrosione sopra elencati il più critico è la formazione di cricche da tensocorrosione o da H2S o cloruri umidi (o in generale alogenuri), poiché mette fuori uso l'unità.

In generale il meccanismo comporta la diffusione nel metallo di atomi di idrogeno generati da corrosione.

La SSC può verificarsi solo se si verificano le seguenti tre condizioni:

Tensione di trazione (residua e/o applicata)

H2S acqua condensata

Materiale soggetto a danneggiamento da SSC

Contaminanti come gli alogenuri, l'arsenico (As), l'antimonio (Sb) e i cianuri (CN-) agiscono come catalizzatori, aumentando la concentrazione di atomi di idrogeno sulla superficie e impedendo la loro ricombinazione in molecole di idrogeno, rendendo più accentuata la SSC.

In generale i componenti dei compressori centrifughi (giranti, alberi, diaframmi e bulloni) sono espositi a tensione di trazione e a condizioni di gas umido.

In base all'esperienza si è trovato che le giranti e i bulloni costituiscono i componenti più soggetti a SSC e CSCC. Ciò è dovuto al fatto che il livello di tensione è superiore a quello presente in altri componenti e al fatto che la tensione rimane applicata durante gli arresti del compressore (pressurizzato) in cui è presente un gas umido a pressione parziale superiore. Pertanto, per l'uso in ambienti “sour”, è indispensabile scegliere materiali che siano in grado di resistere alle condizioni ambientali severe.

La selezione dei materiali per tale uso si basa quindi su una tridimensionalità governata dalla pressione parziale di H2S (p(H2S)), dal pH (principalmente funzione di CO2), e dal contenuto di cloruri (e/o altri alogenuri), come rappresentato schematicamente in Figura 1.

Finora sono stati utilizzati diversi materiali con l'obiettivo di scegliere la soluzione più efficace per l'ambiente specificato.

Per semplificare le regole complesse alla base dell'approccio adatto allo scopo dei materiali, potrebbero essere considerati i seguenti principi:

- Per p(H2S) basso, qualsiasi pH e contenuto elevato di cloruri, le leghe duplex e superduplex costituiscono la classe di materiale di scelta;

- Per p(H2S) da medio a basso, qualsiasi pH e contenuto basso di cloruri, diverse classi di acciai inossidabili martensitici costituiscono la classe di materiale di scelta; - per qualsiasi p(H2S), qualsiasi pH e con contenuto elevato di cloruri, le leghe a base di nickel costituiscono la classe di materiale di scelta.

Rappresentando questi principi in uno spazio tridimensionale risulta evidente che è enorme lo spazio tra le leghe economicamente convenienti (per esempio acciai inossidabili duplex, superduplex e martensitici) e le leghe a base di nickel superiori che potrebbe essere occupato da nuove leghe.

Pertanto sussiste la necessità di componenti per compressori centrifughi, in particolare, ma non esclusivamente, i ti l tt d ll d i d l

trattamento di petrolio e gas contenenti idrocarburi più solfuro di idrogeno, con o senza altri contaminanti, in grado di migliorare l'affidabilità, aumentare la velocità (data la resistenza specifica superiore del materiale) e di fornire una lega economicamente conveniente riducendo gli elementi di lega costosi, principalmente il nickel.

Problemi analoghi devono essere affrontati nella progettazione e nelle condizioni d'uso delle pompe o in alcune applicazioni di turbine a vapore (cioè nei settori geotermici). Una turbina a gas è un tipo di motore a combustione interna. Ha un compressore rotante a monte accoppiato a una turbina a valle, e una camera di combustione tra questi. L'aria atmosferica fluisce attraverso un compressore ed è portata a pressione superiore in una camera a combustione dove viene miscelata e bruciata con combustibile (cioè liquido o gas) per aumentare la sua entalpia. Questo flusso a temperatura elevata e a pressione elevata entra in una turbina a espansione producendo un lavoro utile all'albero nel processo. Il lavoro utile all'albero è utilizzato per azionare il compressore e altri dispositivi come un generatore elettrico che può essere accoppiato all'albero.

Questo ambiente è caratterizzato da una combinazione di elevata temperatura, elevata tensione in condizioni costanti e di ciclo. I materiali per tale applicazione saranno progettati per resistere allo scorrimento, alla fatica a basso e ad alto numero di cicli, all'ossidazione e alla corrosione. Questo è solitamente ciò che fanno gli acciai ad alta resistenza o le leghe a base di nickel.

Problemi simili devono essere affrontati nella progettazione e nelle condizioni d'uso delle turbine a vapore.

I presenti inventori hanno tentato di ottenere uno o alcuni o tutti gli scopi di cui sopra.

Sommario

Secondo prime forme di realizzazione esemplificative, vi è un processo per realizzare un componente di una turbomacchina, detto processo comprendendo le fasi di:

a) fondere una composizione chimica di lega consistente in:

C 0,005-0,03 % in peso

Si 0,05-0,5 % in peso

Mn 0,1-1,0 % in peso

Cr 19,5-22,5 % in peso

Ni 34,0-38,0 % in peso

Mo 3,050 % i

Cu 1,0-2,0 % in peso

Co 0,0-1,0 % in peso

Al 0,01-0,5 % in peso

Ti 1,8-2,5 % in peso

Nb 0,2-1,0 % in peso

W 0,0-1,0 % in peso

sulla base del peso della composizione, il rimanente essendo Fe e impurità, dette impurità comprendendo S 0,0-0,01 % in peso e P 0,0-0,025 % in peso, attraverso fusione a induzione sotto vuoto (VIM) o forno elettrico ad arco, b) depurazione mediante decarburazione con argon ossigeno (A.O.D.), degassaggio a induzione sotto vuoto e versamento (V.I.D.P) o decarburazione con ossigeno sotto vuoto (V.O.D.),

c) ri-fusione attraverso ri-fusione sotto scoria elettroconduttrice (E.S.R.) o rifusione ad arco sotto vuoto (VAR),

d) trattamento termico della lega risultante dalla fase c) per indurre solubilizzazione attraverso almeno un ciclo di riscaldamento, a una temperatura di 1020-1150°C, e seguito da raffreddamento veloce in mezzo liquido o gassoso, e

e) invecchiamento mediante riscaldamento a una temperatura di 600-770°C per 2-20 h, e raffreddamento a temperatura ambiente.

Secondo seconde forme di realizzazione esemplificative, vi è un componente di una turbomacchina ottenibile mediante il processo di cui sopra, il componente essendo fatto di una lega avente una composizione chimica consistente in:

C 0,005-0,03 % in peso

Si 0,05-0,5 % in peso

Mn 0,1-1,0 % in peso

Cr 19,5-22,5 % in peso

Ni 34,0-38,0 % in peso

Mo 3,0-5,0 % in peso

Cu 1,0-2,0 % in peso

Co 0,0-1,0 % in peso

Al 0,0105 % i

Ti 1,8-2,5 % in peso

Nb 0,2-1,0 % in peso

W 0,0-1,0 % in peso

sulla base del peso della lega, il rimanente essendo Fe e impurità, dette impurità comprendendo S 0,0-0,01 % in peso e P 0,0-0,025 % in peso, e avente un valore di durezza di 29-33HRC.

Secondo terze forme di realizzazione esemplificative, vi è una turbomacchina comprendente almeno un componente come definito in generale sopra.

Breve descrizione dei disegni

La presente invenzione risulterà chiara dalla seguente descrizione di forme di realizzazione esemplificative da considerare unitamente ai disegni allegati, in cui: La Figura 1 mostra uno spazio tridimensionale governato da pressione parziale di H2S (p(H2S)), pH (principalmente funzione di CO2) e contenuto di cloruri (e/o altri alogenuri);

La Figura 2 mostra una sezione trasversale tipica di compressore centrifugo;

La Figura 3 mostra una sezione trasversale tipica di pompa centrifuga;

La Figura 4 mostra una sezione trasversale tipica di turbina a vapore;

La Figura 5 mostra una sezione trasversale tipica di turbina a gas;

La Figura 6A mostra l'equilibrio di fase rispetto alla temperatura della lega di Esempio 1 e la Figura 6B mostra l'equilibrio di fase rispetto alla temperatura dell'UNS N07718 comparativo;

La Figura 7A mostra le curve di Trasformazione Tempo Temperatura per la lega di Esempio 1 e la Figura 7B mostra le curve di Trasformazione Tempo Temperatura per l'UNS N07718; e

La Figura 8 mostra la capacità di trattamento di durezza per la lega di Esempio 1, in cui "ST" indica deviazione standard a breve termine, "LT’ indica deviazione standard a lungo termine, e "USL" indica il limite di specificazione superiore.

Descrizione

La seguente descrizione di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in diversi disegni identificano gli stessi elementi o elementi simili. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. La portata dell'invenzione è i d fi it d ll i di i i ll t

In tutta la descrizione brevettuale, i riferimenti a “una forma di realizzazione” indicano che una particolare caratteristica, struttura o peculiarità descritta in relazione a una forma di realizzazione è inclusa in almeno una forma di realizzazione dell'oggetto divulgato. Così, le occorrenze dell'espressione “in una forma di realizzazione” in vari punti della descrizione brevettuale non si riferiscono necessariamente alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o peculiarità possono essere combinate in qualsiasi maniera adeguata in una o più forme di realizzazione. L'espressione “temperatura ambiente”, secondo l'uso fattone qui, ha il suo significato usuale noto ai tecnici del ramo e può includere temperature entro l'intervallo da circa 16°C (60°F) a circa 32°C (90°F).

In relazione alla composizione della lega, l'espressione "elemento obbligatorio" si riferisce a un elemento che è presente nella lega e che, in combinazione con gli altri elementi obbligatori, permette di raggiungere gli scopi di cui sopra. Gli elementi obbligatori nella lega sono ferro (Fe), carbonio (C), silicio (Si), manganese (Mn), cromo (Cr), nickel (Ni), molibdeno (Mo), rame (Cu), alluminio (Al), titanio (Ti)e Niobio (Nb). L'espressione “elemento facoltativo" si riferisce a un elemento che è presente eventualmente oltre agli elementi obbligatori che definiscono la composizione chimica essenziale della lega. Gli elementi facoltativi nella lega sono: cobalto (Co) e tungsteno (W).

L'espressione “impurità” o “elemento di impurità”, invece, si riferisce a un elemento non previsto nella concezione della composizione della lega per raggiungere gli scopi suddetti. Tuttavia detto elemento può essere presente in quanto, a seconda del processo di produzione, la sua presenza può essere inevitabile. Le impurità nella lega comprendono fosforo (P), zolfo (S), boro (B), bismuto (Bi), calcio (Ca), magnesio (Mg), argento (Ag), piombo (Pb), azoto (N), stagno (Sn) e ossigeno (O).

In prime forme di realizzazione, un processo per realizzare un componente di una turbomacchina comprende le fasi di:

a) fondere una composizione chimica di lega consistente in:

C 0,005-0,03 % in peso

Si 0,05-0,5 % in peso

Mn 0,1-1,0 % in peso

Cr 19,5225 % i

Ni 34,0-38,0 % in peso

Mo 3,0-5,0 % in peso

Cu 1,0-2,0 % in peso

Co 0,0-1,0 % in peso

Al 0,01-0,5 % in peso

Ti 1,8-2,5 % in peso

Nb 0,2-1,0 % in peso

W 0,0-1,0 % in peso

In questo modo, la presenza di impurità, la loro separazione e le disomogeneità sono ridotte in modo significativo e al contempo sono ottenute migliorate caratteristiche meccaniche e resistenza alla corrosione della lega.

In particolare, le condizioni di invecchiamento scelte come stabilito in fase e) permettono di raggiungere miglioramenti molti considerevoli in termini di durezza, mantenendo al contempo vantaggiosamente altre caratteristiche molto buone quali la resistenza alla corrosione e la resistenza alla formazione di cricche da tensocorrosione. In realtà, come mostrato di seguito, il risultante componente di una turbomacchina ha raggiunto un valore di durezza di 29-33HRC.

Questi valori di durezza determinano un materiale molto tenace, con prestazione migliorata, in particolare in termini di resistenza alla formazione di cricche da tensocorrosione da solfuro. Invero, la resistenza a SSC delle CRA aumenta riducendo la durezza della lega. Il trattamento di invecchiamento descritto assicura un'elevata processabilità anche nel trattamento di prodotti di forgiatura di grandi dimensioni, puntando ai requisiti di durezza descritti in dettaglio in NACE MR0175/ISO15156-3. In forme di realizzazione preferite la fase e) di invecchiamento è eseguita riscaldando fino a una temperatura di 720-760°C per 5-10 h, e raffreddando a temperatura ambiente. In alcune forme di realizzazione, il processo comprende inoltre prima della fase d) una fase d’) di omogeneizzazione della lega che deriva dalla fase c), a una temperatura al di sopra di 1100°C per almeno 6 ore.

In altre forme di realizzazione, il processo comprende inoltre prima della fase d) e dopo la fase d’), una fase d”) di deformazione plastica a caldo o a freddo attraverso almeno un ciclo di deformazione plastica per raggiungere un rapporto di riduzione totale minimo di 2:1. Tali cicli di deformazione plastica includono la forgiatura (a stampo aperto o chiuso), la laminazione, l'estrusione, l'espansione a freddo, per produrre una forma di componente grezza, o più in generale una forma grezza, da lavorare in seguito a macchina per produrre un compressore, una pompa centrifughi, una turbina a gas e a vapore nonché loro componenti.

In altre forme di realizzazione, la fase d) di trattamento termico per indurre solubilizzazione attraverso almeno un ciclo di riscaldamento a una temperatura di 1020-1150°C, può essere eseguita all'interno di forni, con aria, atmosfera controllata o vuoto, e seguita da raffreddamento rapido in mezzo liquido o gassoso, per mettere e mantenere in soluzione gli elementi di lega (cioè rame, titanio, alluminio, niobio, ecc....) per la successiva fase di trattamento termico.

In altre forme di realizzazione, la lega è inoltre atomizzata per produrre polvere e poi trattata mediante metallurgia delle polveri. Preferibilmente, con l'espressione "metallurgia delle polveri" si indica che detta polvere è consolidata mediante pressatura isostatica a freddo (CIP), mediante stampaggio a iniezione di metallo (MIM), sinterizzazione, pressatura isostatica a caldo (HIP) o fabbricata mediante MIM ed esposta a un processo HIP. Fondamentalmente, le polveri sono alimentate in uno stampo, compattate in un f d id t L l t è i i t i t

sottoposta a processo HIP in un fondo in atmosfera controllata a pressione ambiente o elevata per produrre legami metallurgici tra le particelle di polvere. Operazioni postsinterizzazione facoltative quali forgiatura isotermica, infiltrazione, lavorazione a macchina di finitura o trattamento superficiale possono essere applicati in seguito per completare il componente.

In seconde forme di realizzazione, un componente di una turbomacchina è ottenibile mediante il processo descritto sopra, il componente essendo fatto di una lega avente una composizione chimica consistente in:

C 0,005-0,03 % in peso

Si 0,05-0,5 % in peso

Mn 0,1-1,0 % in peso

Cr 19,5-22,5 % in peso

Ni 34,0-38,0 % in peso

Mo 3,0-5,0 % in peso

Cu 1,0-2,0 % in peso

Co 0,0-1,0 % in peso

Al 0,01-0,5 % in peso

Ti 1,8-2,5 % in peso

Nb 0,2-1,0 % in peso

W 0,0-1,0 % in peso

Grazie alla sua elevata resistenza alla corrosione (anche ad alta temperatura) e/o alla sua elevata resistenza alla fatica e/o allo scorrimento, il componente è molto utile, in particolare è molto utile per componenti che vanno a contatto con il fluido agente della turbomacchina, presentando al contempo un valore di durezza molto vantaggioso. Infatti, detta lega ha elevata resistenza alla corrosione e alle alte temperature, è pertanto in grado di resistere alla corrosione e/o alla tensione a temperatura elevata meglio degli acciai martensitici dello stato dell'arte e si comporta in modo analogo alle leghe a base di nickel superiori come quelle che soddisfano i requisiti di UNS N07718 e UNS

N00625 ma, allo stesso tempo, il processo per realizzare il componente descritto sopra ha consentito che la lega raggiungesse un valore di durezza desiderabile di 29-33HRC. In forme di realizzazione preferite la lega ha una resistenza elevata alla corrosione ad una temperatura elevata, in particolare nell'intervallo di 200-250°C.

In altre forme di realizzazione preferite, la lega ha una resistenza elevata alla fatica e/o allo scorrimento a una temperatura elevata, in particolare nell'intervallo di 400-700°C. Preferibilmente, la lega ha una composizione chimica consistente in:

C 0,005-0,02 % in peso

Si 0,05-0,2 % in peso

Mn 0,1-0,6 % in peso

Cr 20,0-21,5 % in peso

Ni 35,0-37,0 % in peso

Mo 3,5-4,0 % in peso

Cu 1,2-2,0 % in peso

Co 0,0-0,2 % in peso

Al 0,05-0,4 % in peso

Ti 1,9-2,3 % in peso

Nb 0,2-0,5 % in peso

W 0,0-0,6 % in peso

Fe almeno il 30 % in peso

sulla base del peso della lega, il rimanente essendo impurità, dette impurità comprendendo S 0,0-0,001 % in peso e P 0,0-0,02 % in peso,

Più preferibilmente, la lega ha una composizione chimica consistente in:

C 0,005-0,02 % in peso

Si 0,06-0,15 % in peso

Mn 0,2-0,4 % in peso

Cr 20,2-21,0 % in peso

Ni 36,0-36,5 % in peso

Mo 3,6-3,8 % in peso

Cu 1,3-1,7 % in peso

Co 0,0-0,1 % in peso

Al 0,1-0,3 % i

Ti 2,0-2,2 % in peso

Nb 0,25-0,4 % in peso

W 0,01-0,4 % in peso

Fe almeno il 30 % in peso

sulla base del peso della lega, il rimanente essendo impurità, dette impurità comprendendo S 0,0-0,001 % in peso e P 0,0-0,015 % in peso.

La lega di cui sopra è vantaggiosamente una lega economicamente conveniente che al contempo include sorprendentemente una quantità ridotta di elementi di lega costosi, quali principalmente nickel, ma anche cromo, molibdeno e titanio, senza influenzare negativamente le proprietà meccaniche e anticorrosione. Detta lega presenta anche una significativa resistenza a temperature e pressioni elevate sicché i componenti realizzati con essa risultano essere vantaggiosamente adatti alle turbomacchine, in particolare ai compressori centrifughi.

Dette impurità sono P, S, B, Bi, Ca, Mg, Ag, Pb, N, Sn, O, o una loro combinazione. Preferibilmente dette impurità sono meno dello 0,5 % in peso; più preferibilmente meno dello 0,2 % in peso.

In forme di realizzazione dette impurità sono P fino allo 0,025 % in peso, S fino allo 0,01 % in peso, B, Bi, Ca, Mg, Ag, Pb, N, Sn e O.

In forme di realizzazione particolarmente preferite, la lega ha una composizione chimica consistente in:

C 0,015 % in peso

Si 0,09 % in peso

Mn 0,3 % in peso

Cr 20,4 % in peso

Ni 36,2 % in peso

Mo 3,7 % in peso

Cu 1,41 % in peso

Co 0,03 % in peso

Al 0,25 % in peso

Ti 2,04 % in peso

Nb 0,27 % in peso

W 0,1 % in pe

Fe bilancio

avente le seguenti impurità:

P fino allo 0,013 % in peso

S fino allo 0,0002 % in peso

B fino allo 0,003 % in peso

Bi fino a 0,3 ppm

Ca fino a 50 ppm

Mg fino a 30 ppm

Ag fino a 5 ppm

Pb fino a 5 ppm

N fino a 100 ppm

Sn fino a 50 ppm

O fino a 50 ppm

In alcune forme di realizzazione la lega ha una dimensione del grano inferiore alla piastra 3 come da ASTM E112.

Grazie alla composizione chimica sopra descritta, al livello di impurità, alla dimensione del grano risultante dalle condizioni di processo, la lega presenta vantaggiosamente le seguenti proprietà:

- proprietà superiori di durezza,

- caratteristiche anticorrosione superiori in termini di corrosione generale e localizzata, tensione di soglia nel metodo A soluzione A come secondo NACE MR0175, resistenza alla formazione di cricche da tensocorrosione (SCC), resistenza alla formazione di cricche da tensocorrosione da cloruro (CSCC), resistenza alla formazione di cricche da tensocorrosione da solfuro (SSC), resistenza alla formazione di cricche da tensocorrosione da idrogeno indotta galvanicamente (GHSC) superiori;

- proprietà di trazione a temperatura ambiente elevata superiori;

- proprietà di tenacità adeguate;

- proprietà superiori di resistenza a fatica a numero di cicli alto e basso;

- resistenza allo scorrimento superiore;

- resistenza all'ossidazione e alla corrosione a caldo superiore;

rispetto ad acciai inossidabili (martensitici, ferritici, austenitici e austenitici-ferritici) e similmente alle leghe a ba di i k l i i

In terze forme di realizzazione, una turbomacchina comprende almeno un componente come definito in generale sopra.

In forme di realizzazione preferite, la turbomacchina è un compressore centrifugo o una pompa centrifuga.

In altre forme di realizzazione preferite, la turbomacchina è una turbina a gas o una turbina a vapore.

Le Figure 2, 3, 4 e 5 mostrano diverse turbomacchine in cui possono essere utilizzati uno o più componenti come presentati sopra. La Figura 2 mostra una sezione trasversale tipica di compressore centrifugo, la Figura 3 mostra una sezione trasversale tipica di pompa centrifuga, la Figura 3 mostra una sezione trasversale tipica di una turbina a vapore e la Figura 5 mostra una sezione trasversale tipica di una turbina a gas.

È da intendersi che tutti gli aspetti identificati come preferiti e vantaggiosi per il componente della lega devono essere considerati analogamente preferiti e vantaggiosi anche per il suo processo di realizzazione, nonché per la turbomacchina che lo comprende.

È da intendersi inoltre che tutte le combinazioni di aspetti preferiti del componente della lega, e del processo per realizzarlo, nonché i loro usi in applicazioni di turbine a gas, come sopra riportato, sono da considerarsi divulgati con la presente.

ESEMPI

Esempio 1.

È stata preparata una lega avente la seguente composizione:

C 0,015 % in peso

Si 0,09 % in peso

Mn 0,3 % in peso

Cr 20,4 % in peso

Ni 36,2 % in peso

Mo 3,7 % in peso

Cu 1,41 % in peso

Co 0,03 % in peso

Al 0,25 % in peso

Ti 2,04 % in peso

Nb 0,27 % in p

W 0,1 % in peso

Fe bilancio

avente le seguenti impurità:

P fino allo 0,013 % in peso

S fino allo 0,0002 % in peso

B fino allo 0,003 % in peso

Bi fino a 0,3 ppm

Ca fino 50 ppm

Mg fino 30 ppm

Ag fino 5 ppm

Pb fino 5 ppm

N fino 100 ppm

Sn fino 50 ppm

O fino 50 ppm

La composizione chimica di cui sopra è stata fusa attraverso fusione a induzione sotto vuoto (VIM), depurata mediante decarburazione con argon ossigeno (A.O.D.), e rifusa ri-fondendo attraverso rifusione sotto scoria elettroconduttrice (E.S.R.).

La lega risultante è stata omogeneizzata a una temperatura superiore a 1100° C per almeno 6 ore.

La lega è stata poi sottoposta a due cicli di deformazione plastica a caldo.

Successivamente la lega è stata sottoposta a un trattamento termico per indurre solubilizzazione a una temperatura di 1020-1150°C, seguita da raffreddamento rapido in messo liquido o gassoso.

Infine la lega è stata sottoposta a un trattamento di invecchiamento mediante riscaldamento a una temperatura di circa 750°C per 6 h, e raffreddamento a temperatura ambiente.

La lega risultante è stata testata per valutare le proprietà meccaniche e anticorrosione. I risultati sono stati confrontati con un acciaio inossidabile martensitico (abbreviato con “SS martensitico”) nella seguente Tabella 1. Gli acciai inossidabili martensitici costituiscono una classe di acciai inossidabili caratterizzati da contenuto di cromo del 12-18% in peso, basso contenuto di nickel e una struttura cristallina definita come

martensite. Questa classe di leghe ha proprietà meccaniche medio-alte e una giusta resistenza alla corrosione.

Tabella 1.

Caratteristica di corrosione SS martensitico Lega di Esempio 1 tipico

Temperatura di corrosione puntiforme critica

(CPT) AST G48 metodo C [°C] 0÷5°C 30÷40°C Tensocorrosione da solfuro (SSC) 750÷800 Mpa Soglia in NACE TM0177 250÷300 MPa (>95%AYS) Soluzione A Metodo A [MPa] (<50%AYS)

Formazione di cricche da tensocorrosione da Danneggiamento Superato ≥ 1000 h cloruro ASTM G123 <300 h

Ulteriori proprietà di SSC verificate sono riportate in Tabella 2 e Tabella 3.

Tabella 2.

Metodo pH2S pH Cloruri Tensione Temperatura Risultato Lega di NACE 10

Esempio TM0177 bar 3 25%NaCl 750 MPa 25°C Superato (>720 h) 1 Metodo A 10

Soluzione C bar 3 25%NaCl 750 MPa 150°C Superato (>720 h)

Tabella 3.

Caratteristiche SS martensitico ad alta

temperatura Lega di Esempio 1 Rottura sotto carico 600°C, 240 Mpa, 140 h 600°C, 690 Mpa, 140 h Trazione a 600°C 430 MPa 550 Mpa Impatto Charpy con intaglio a V 27 J @ -15°C 27 J @ -101°C

La percentuale in peso degli elementi di lega è regolata in modo da evitare o ridurre al minimo fasi TCP (closed packed phases). Quantità eccessive di Cr, Mo, W favorirebbero la precipitazione di fasi intermedie che sono ricche di questi elementi. In generale le fasi TCP hanno formule chimiche AxBy. Per esempio la fase μ si basa sulla stechiometria ottimale A6B7 e ha una cella romboedrica contenente 13 atomi quali W6Co7 e Mo6Co7.

La fase σ si basa sulla stechiometria A2B e ha una cella tetragonale contenente 30 atomi quali Cr2Ru, Cr61Co39 e Re67Mo33.

La fase P, per esempio Cr18Mo42Ni40, è ortorombica primitiva, contenente 56 atomi a cella.

Come è mostrato nelle Figure 6A (equilibrio termodinamico) e 7A (stima della cinetica), solo la fase σ è termodinamicamente possibile e la cinetica di precipitazione è così lenta che non può verificarsi né durante la ricottura né durante l'invecchiamento. La composizione chimica di questa lega è ottimizzata in modo da ampliare la finestra di lavorabilità. Ciò si ottiene con un contenuto basso di nickel e riducendo la temperatura di precipitazione delle fasi secondarie di indurimento (gamma prime). Come si può vedere in Figura 6, l'intervallo di lavorabilità teorico in equilibrio è piuttosto ampio ed è tra 1020°C e 1280°C. Questo intervallo è più ampio di quelli forniti da UNS N07718 (Figure 6B e 7B).

Gli intervalli di equilibrio non tengono conto della cinetica e dei fenomeni viscoelastici, ma possono dare un'idea di come questa lega si comporti molto meglio delle altre leghe a base di nickel superiori, in commercio, ben note.

In pratica questa lega ha un intervallo di formatura a caldo tra 900° e 1200°C, riducendo quindi il rischio di danneggiamento durante la produzione e il tempo di ciclo.

La lega ha una combinazione di elementi chimici tale da fornire indurimento di fasi secondarie in modo da fornire una resistenza allo snervamento di 750 Mpa con un valore di durezza di 29-33HRC, potenziando così le proprietà di tensocorrosione. In realtà, con riferimento alla Figura 8, è mostrata la processabilità della durezza per la lega di Esempio 1, avendo testato 30 campioni della lega di cui sopra a 750°C per 6 h. Il diagramma di Figura 8 mostra la media del valore di durezza ottenuto in 30.86HRC. Il livello ridotto di durezza porta a una lavorazione a macchina migliore rispetto a leghe a base di nickel superiori come UNS N07718. Questo livello di durezza rende possibile la lavorazione a macchina dei componenti di turbomacchina in condizioni di invecchiamento in un'ottimizzazione del ciclo di produzione rispetto a leghe a base di nickel superiori come UNS N07718. La Figura 7A mostra le curve di Trasformazione Tempo Temperatura per la lega di Esempio 1 e la Figura 7B mostra le curve di Trasformazione Tempo Temperatura per UNS N07718. Si vede chiaramente come la precipitazione di fasi dannose (per esempio fase delta e fase sigma) è più lenta nella lega presentata rispetto a UNS N07718. Ciò permette di avere un'area di trattamento termico ampia e una microstruttura più pulita, meno sensibile a infragilimento e proprietà di tenacità bassa.

Questa lega è concepita in modo da essere saldata facilmente mediante i comuni processi di saldatura ad arco (SMAW e GTAW) con materiali di carica a base di nickel omologhi o diversi come UNS N06625, UNS N07725 o UNS N09925.

Traduzione delle diciture sulle figure

Figura 1

Natural gas = Gas naturale

Sweet & chlorides = Dolce e cloruri

Sweet = Dolce

Chlorides = Cloruri

Sour & Chlorides = Sour e cloruri

Figura 2

Gaskets = Guarnizioni

Casing = Carcassa

Diaphgragms = Diaframmi

Cover = Copertura

Inner casing = Carcassa interna

Shaft = Albero

Impellers = Giranti

Balance drum = Tamburo di bilanciamento

Figura 3

Casing = Carcassa

Impeller = Girante

Shaft = Albero

Figura 4

Casing = Carcassa

Blades = Lame

Shaft = Albero

Figura 5

Casings = Carcasse

Claims

Compressor blades = Lame di compressore Compressor wheels = Ruote di compressore Shaft = Albero Turbine wheels = Ruote di turbina Turbine buckets = Pale di turbina Figure 6A-6B Mole % Phase = Fase in % in moli Temperature = Temperatura Liquid = Liquido Figure 7A-7B Temperature = Temperatura Time = tempo RIVENDICAZIONI 1. Processo per realizzare un componente di una turbomacchina, detto processo comprendendo le fasi di: a) fondere una composizione chimica di lega consistente in: C 0,005-0,03 % in peso Si 0,05-0,5 % in peso Mn 0,1-1,0 % in peso Cr 19,5-22,5 % in peso Ni 34,0-38,0 % in peso Mo 3,0-5,0 % in peso Cu 1,0-2,0 % in peso Co 0,0-1,0 % in peso Al 0,01-0,5 % in peso Ti 1,8-2,5 % in peso Nb 0,2-1,0 % in peso W 0,0-1,0 % in peso sulla base del peso della composizione, il rimanente essendo Fe e impurità, dette impurità comprendendo S 0,0-0,01 % in peso e P 0,0-0,025 % in peso, attraverso fusione a induzione sotto vuoto (VIM) o forno elettrico ad arco, b) depurazione mediante decarburazione con argon ossigeno (A.O.D.), degassaggio a induzione sotto vuoto e versamento (V.I.D.P) o decarburazione con ossigeno sotto vuoto (V.O.D.), c) ri-fusione attraverso ri-fusione sotto scoria elettroconduttrice (E.S.R.) o rifusione ad arco sotto vuoto (VAR), d) trattamento termico della lega risultante dalla fase c) per indurre solubilizzazione attraverso almeno un ciclo di riscaldamento, a una temperatura di 1020-1150°C, e seguito da raffreddamento veloce in mezzo liquido o gassoso, e e) invecchiamento mediante riscaldamento a una temperatura di 600-770°C per 2-20 h, e raffreddamento a temperatura ambiente.
2. Il processo di rivendicazione 1, in cui la fase e) di invecchiamento è eseguita riscaldando fino a una temperatura di 720-760°C per 5-10 h, e raffreddando a temperatura ambiente.
3. Il processo di rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre, prima della fase d), una fase d’) di omogeneizzazione della lega che deriva dalla fase c), a una temperatura al di sopra di 1100°C per almeno 6 ore.
4. Il processo di rivendicazione 3, comprendente inoltre, prima della fase d) e dopo la fase d’), una fase d'') di deformazione plastica a caldo o a freddo attraverso almeno un ciclo di deformazione plastica.
5. Il processo di una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, in cui la lega risultante è inoltre atomizzata per produrre polvere e poi trattata mediante metallurgia delle polveri scelta tra pressatura isostatica a freddo (CIP), stampaggio a iniezione di metallo (MIM), sinterizzazione, pressatura isostatica a caldo (HIP) o MIM e processo HIP.
6. Componente di una turbomacchina ottenibile mediante il processo di una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, il componente essendo realizzato in una lega avente una composizione chimica consistente in: C 0,005-0,03 % in peso Si 0,05-0,5 % in peso Mn 0,1-1,0 % in peso Cr 19,5-22,5 % in peso Ni 34,0-38,0 % in peso Mo 3,0-5,0 % in peso Cu 1,0-2,0 % in peso Co 0,0-1,0 % in peso Al 0,01-0,5 % in peso Ti 1,8-2,5 % in peso Nb 0,2-1,0 % in peso W 0,0-1,0 % i sulla base del peso della lega, il rimanente essendo Fe e impurità, dette impurità comprendendo S 0,0-0,01 % in peso e P 0,0-0,025 % in peso, e avente un valore di durezza di 29-33HRC.
7. Il componente di rivendicazione 6, in cui la lega ha una resistenza elevata alla corrosione a una temperatura elevata, in particolare nell'intervallo di 200-250°C.
8. Il componente di rivendicazione 6 o 7, in cui la lega ha una resistenza elevata alla fatica e/o allo scorrimento a una temperatura elevata, in particolare nell'intervallo di 400-700°C.
9. Il componente di una qualsiasi delle rivendicazioni 6-8, in cui la lega ha una composizione chimica consistente in: C 0,005-0,02 % in peso Si 0,05-0,2 % in peso Mn 0,1-0,6 % in peso Cr 20,0-21,5 % in peso Ni 35,0-37,0 % in peso Mo 3,5-4,0 % in peso Cu 1,2-2,0 % in peso Co 0,0-0,2 % in peso Al 0,05-0,4 % in peso Ti 1,9-2,3 % in peso Nb 0,2-0,5 % in peso W 0,0-0,6 % in peso Fe almeno il 30 % in peso sulla base del peso della lega, il rimanente essendo impurità, dette impurità comprendendo S 0,0-0,001 % in peso e P 0,0-0,02 % in peso.
10. Il componente di rivendicazione 9, in cui la lega ha una composizione chimica consistente in: C 0,005-0,02 % i Si 0,06-0,15 % in peso Mn 0,2-0.4 % in peso Cr 20,2-21,0 % in peso Ni 36,0-36,5 % in peso Mo 3,6-3,8 % in peso Cu 1,3-1,7 % in peso Co 0,0-0,1 % in peso Al 0,1-0,3 % in peso Ti 2,0-2,2 % in peso Nb 0,25-0,4 % in peso W 0,01-0,4 % in peso Fe almeno il 30 % in peso sulla base del peso della lega, il rimanente essendo impurità, dette impurità comprendendo S 0,0-0,001 % in peso e P 0,0-0,015 % in peso.
11. Il componente di rivendicazione 10, in cui la lega ha una composizione chimica consistente in: C 0,015 % in peso Si 0,09 % in peso Mn 0,3 % in peso Cr 20,4 % in peso Ni 36,2 % in peso Mo 3,7 % in peso Cu 1,41 % in peso Co 0,03 % in peso Al 0,25 % in peso Ti 2,04 % in peso Nb 0,27 % in peso W 0,1 % in peso Fe bilancio avente le seguenti impurità: P fino allo 0,013 % i