Fessurazione da corrosione sotto sforzo da cloruri: perché l’acciaio 316L si fessura e il duplex resiste

La fessurazione da corrosione sotto sforzo da cloruri (CSCC) si verifica quando coincidono tre condizioni: sollecitazione di trazione costante, presenza di cloruri e temperatura superiore a circa 60 gradi Celsius. In tali condizioni, acciai austenitici standard come 304L e 316L possono fessurarsi improvvisamente e in modo catastrofico, anche se la superficie mostra scarsa corrosione generale; al contrario, gli acciai duplex come 2205 e 2507, nonché gli acciai inossidabili completamente ferritici, resistono molto meglio alla fessurazione. La variabile determinante è la microstruttura: la fase austenitica continua del 316L è intrinsecamente suscettibile, mentre la struttura bifasica dei materiali duplex interrompe la propagazione delle fessure.

Il meccanismo a tre fattori
Il CSCC è spesso descritto come uno sgabello a tre gambe, e la rimozione di una qualsiasi di esse impedisce la formazione di crepe. La prima gamba è la tensione di trazione, sia dovuta a un carico operativo applicato, oppure – più spesso – a tensioni residue bloccate da saldatura, piegatura a freddo o formatura; le tensioni residue vicino a una saldatura possono avvicinarsi alla resistenza a snervamento del materiale, anche in assenza di alcun carico esterno. La seconda gamba è un ambiente contenente cloruri, il cui livello soglia può essere sorprendentemente basso, poiché i cloruri si concentrano sotto depositi, in fessure e sotto l’isolamento termico man mano che l’acqua evapora. La terza gamba è la temperatura: la suscettibilità aumenta bruscamente al di sopra di circa 60 gradi Celsius, motivo per cui tubazioni calde, linee riscaldate a vapore ed equipaggiamenti coperti da isolamento termico sono siti classici di rottura. Quando tutte e tre le condizioni sono presenti, le crepe iniziano da piccole cavità o difetti superficiali e si propagano come sottili reti ramificate, spesso transgranulari, capaci di perforare una parete in poche settimane. Poiché la superficie mostra quasi nessuna corrosione generale, il CSCC spesso non fornisce alcun segnale visibile prima di una fuoriuscita attraverso la parete o di una rottura improvvisa, ed è proprio questo che lo rende così pericoloso in servizio sotto pressione.

Perché i gradi austenitici sono suscettibili
La vulnerabilità di 304L e 316L deriva dalla loro struttura completamente austenitica a facce centrate e dal loro contenuto di nichel, compreso tra circa l’8 e il 12 per cento. L’esperienza e i dati di laboratorio dimostrano che gli acciai inossidabili austenitici sono particolarmente suscettibili alla corrosione sotto sforzo da cloruri (CSCC) proprio in questo intervallo intermedio di nichel, dove il film passivo si degrada localmente e una fessura trova un percorso austenitico continuo da seguire. Con una singola fase continua, una volta avviata la fessurazione non esiste alcun ostacolo metallurgico in grado di rallentarla, pertanto i guasti tendono a verificarsi rapidamente e con scarsissimi segnali premonitori. Il molibdeno, come presente in 316L, migliora la resistenza alla corrosione pitting e ritarda modestamente l’inizio della fessurazione, ma non modifica la suscettibilità intrinseca austenitica: è per questo che 316L continua a fessurarsi in servizio con cloruri a temperatura elevata.

Tabella: Comportamento relativo rispetto alla CSCC

Perché i duplex resistono
Gli acciai inossidabili duplex resistono alla corrosione sotto sforzo da cloruri (CSCC) perché circa la metà della loro struttura è costituita da ferrite, che ha una struttura cubica a corpo centrato e risulta intrinsecamente molto più resistente alla fessurazione da cloruri rispetto all’austenite. In una microstruttura duplex, una fessura che inizia in un’isola di austenite incontra presto un grano di ferrite che la arresta o ne devia il percorso; pertanto, il percorso continuo di propagazione che rende critico l’impiego del 316L semplicemente non esiste. La minore percentuale di nichel e la maggiore percentuale di cromo e molibdeno presenti negli acciai duplex generano inoltre un film passivo più stabile. Il risultato pratico è un notevole incremento della temperatura e della concentrazione di cloruri tollerabili prima che insorga il rischio di fessurazione: mentre il 316L può essere limitato a temperature modeste in servizi contenenti cloruri, i gradi 2205 e 2507 estendono l’intervallo di funzionamento sicuro ben oltre tali limiti, motivo per cui sono considerati l’upgrade standard per acqua di mare calda, acqua salmastra e tubazioni per processi contenenti cloruri. Tale resistenza non è illimitata: a temperature e concentrazioni di cloruri molto elevate, anche gli acciai duplex possono infine subire fessurazione, ma la soglia critica è innalzata di decine di gradi, solitamente sufficienti a spostare un’applicazione da una condizione di rischio cronico di guasto a un intervallo operativo sicuro.

Condizioni di soglia e riconoscimento del rischio
Non esiste una soglia universale unica, ma esistono linee guida utili. Per gli acciai inossidabili austenitici 304 e 316, il rischio di corrosione sotto sforzo da cloruri (CSCC) aumenta bruscamente al di sopra di circa 60 gradi Celsius quando sono contemporaneamente presenti cloruri e tensione di trazione; al di sotto di tale temperatura questi acciai vengono comunemente impiegati in ambienti contenenti cloruri con affidabilità accettabile. Un caso particolare notoriamente critico è la corrosione sotto isolamento: l’acqua piovana contenente cloruri penetra nell’isolamento di tubazioni calde, evapora e concentra i cloruri fino a valori molte volte superiori alla concentrazione media proprio sulla superficie metallica, provocando fessurazioni in tubazioni che, in base esclusivamente alla chimica del processo, verrebbero considerate sicure. Il riconoscimento di tali condizioni — superfici calde, isolamento, interstizi, concentrazione per evaporazione e tensioni residue da saldatura — costituisce il primo passo verso la prevenzione dei guasti.

Strategie di prevenzione
La prevenzione efficace mira uno o più elementi del meccanismo. La misura più affidabile è un miglioramento della qualità dell’acciaio: sostituire l’acciaio 316L con l’acciaio 2205 o 2507 elimina la suscettibilità metallurgica anziché limitarsi a controllare l’ambiente, ed è la soluzione standard per servizi ad alta temperatura in presenza di cloruri. Quando la qualità dell’acciaio è fissa, ridurre lo sforzo di trazione aiuta: un trattamento di ricottura in soluzione o di distensione dopo la saldatura abbassa le tensioni residue, mentre modifiche progettuali che evitano concentrazioni di tensione riducono la forza motrice. Il controllo dell’ambiente costituisce la terza via: mantenere basso il contenuto superficiale di cloruri, eliminare interstizi e zone stagnanti dove i cloruri si concentrano, scegliere sistemi di isolamento e rivestimenti che drenino l’acqua, e mantenere la temperatura al di sotto della soglia di suscettibilità, ove possibile. Anche i dettagli di fabbricazione sono fondamentali, poiché il ferro incorporato, gli schizzi di saldatura e le superfici ruvide creano siti di innesco; la passivazione e la decapaggio dopo la fabbricazione ripristinano un film passivo pulito e uniforme e rimuovono il ferro libero che altrimenti favorirebbe la formazione di pitting e fessurazioni. La verifica del materiale consegnato mediante identificazione positiva del materiale (PMI), analisi chimica e prove meccaniche e di corrosione conferma che la tubazione installata corrisponde effettivamente alla qualità resistente specificata. Combinando la qualità appropriata dell’acciaio, lo sforzo controllato e un ambiente gestito, la CSCC cessa di essere un rischio imprevedibile per diventare un modo di rottura ben compreso e facilmente evitabile.

Domande frequenti
D: A quale temperatura l’acciaio 316L diventa vulnerabile alla corrosione sotto sforzo da cloruri (SCC)?
R: Il rischio aumenta in modo significativo al di sopra di circa 60 gradi Celsius quando sono contemporaneamente presenti cloruri e sollecitazione di trazione; al di sotto di tale soglia, le ghise austenitiche sono ampiamente utilizzate in servizi contenenti cloruri.
D: Perché gli acciai duplex resistono meglio alla fessurazione rispetto all’316L?
R: La loro microstruttura è costituita per circa metà da ferrite, che è intrinsecamente resistente alla corrosione sotto sforzo da cloruri e interrompe il percorso continuo di austenite che consente la propagazione delle fessure nell’316L.

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