Tubi API 5L, A106 e A333: gradi, valori di pressione e test

Tre standard, tre lavori diversi

Gli acquirenti nuovi ai tubi in acciaio al carbonio spesso trattano API 5L, ASTM A106 e ASTM A333 come descrizioni intercambiabili dello stesso prodotto, perché a colpo d'occhio ognuno copre tubi in acciaio al carbonio senza saldatura in una gamma di dimensioni simili. Non sono intercambiabili. Ciascuno standard è stato scritto per una diversa condizione di servizio e ciascuno disciplina la chimica, il trattamento termico e i test in modo adatto a quel servizio. API 5L è una specifica per tubi di linea scritta sulla trasmissione di petrolio e gas e organizzata per grado di resistenza con due livelli di specifiche di prodotto. ASTM A106 è una specifica di servizio ad alta temperatura per tubi in acciaio al carbonio senza saldatura utilizzati nelle tubazioni di processo, in cui le proprietà di controllo sono la resistenza alla trazione a temperatura ambiente più i valori di sollecitazione ammissibili assegnati da ASME B31.3 a temperatura elevata. ASTM A333 è una specifica di servizio a bassa temperatura, in cui l'intero design della serie di qualità è guidato dalla tenacità all'intaglio a temperature inferiori allo zero.

Ottenere la famiglia giusta è importante perché i tre standard accettano diversi limiti di carbonio e manganese, diverse pratiche di disossidazione, diverse frequenze di test e diversi esami non distruttivi. Un tubo che ne soddisfa uno non ne soddisferà automaticamente un altro, e un tubo con doppia certificazione deve soddisfarli entrambi contemporaneamente. Le sezioni seguenti illustrano come ciascuno standard definisce il proprio prodotto, come viene calcolato il contenimento della pressione e cosa dovrebbe verificare un acquirente prima di accettare un lotto.

Contenimento della pressione: il calcolo che lega diametro, parete e pendenza

Il contenimento della pressione interna viene calcolato con la relazione di Barlow, che esprime la sollecitazione circolare in un cilindro a pareti sottili come la pressione interna moltiplicata per il diametro e divisa per il doppio dello spessore della parete. Riorganizzata per la progettazione, la pressione ammissibile è pari al doppio della sollecitazione ammissibile moltiplicata per lo spessore della parete diviso per il diametro esterno. Ogni codice relativo a tubazioni e condutture aggiunge modificatori oltre a tale espressione di base: ASME B31.8 applica un fattore di progettazione che dipende dalla densità di popolazione lungo la corsia di passaggio più un fattore di giunzione e un fattore di declassamento della temperatura, mentre ASME B31.3 applica un fattore di codice e utilizza sollecitazioni ammissibili tabellate che includono già una riduzione dipendente dalla temperatura.

La conseguenza per l'approvvigionamento è che lo stesso grado nominale fornisce capacità di pressione molto diverse a seconda della normativa e del fattore di progettazione in vigore. Un tubo con diametro esterno di 323,9 mm con una parete di 8 mm in API 5L X52 conterrà una pressione di progetto sostanzialmente più elevata in base a un codice di linea di trasmissione con un fattore di progettazione basso rispetto allo stesso tubo utilizzato come tubazione di processo in base a un codice di raffineria che applica un fattore diverso e una temperatura elevata consentita inferiore. Gli acquirenti dovrebbero quindi ricevere per iscritto la pressione di progetto, la temperatura di progetto, la normativa vigente e la base di sollecitazione ammissibile, poiché lo spessore della parete non può essere verificato rispetto a un solo grado.

Seguono due punti pratici. Innanzitutto, lo spessore della parete specificato è un valore nominale con una tolleranza negativa consentita e i calcoli della pressione dovrebbero utilizzare la parete minima anziché quella nominale; API 5L consente una tolleranza negativa sullo spessore della parete che varia in base al percorso di produzione e alle dimensioni. In secondo luogo, la tolleranza di corrosione viene aggiunta alla parete calcolata, non sottratta da essa, quindi un ordine scritto sulla parete calcolata senza tolleranza avrà uno spessore inferiore per la durata di progetto in qualsiasi servizio umido o acido.

API 5L: tubi con classificazione di resistenza con due livelli di qualità

L'API 5L organizza il prodotto in base alla designazione del grado, che va da L175/A25 fino a L830/X120, e in base al livello delle specifiche del prodotto. PSL1 è il livello base: una tabella chimica definita, prove di trazione, una prova idrostatica e un esame non distruttivo limitato. PSL2 è il livello più alto e le differenze sono sostanziali piuttosto che estetiche. PSL2 aggiunge un limite di snervamento massimo insieme a quello minimo, impone prove di impatto Charpy con intaglio a V del corpo, della saldatura e della zona interessata dal calore, stringe il fosforo e lo zolfo, blocca l'equivalente del carbonio e richiede l'ispezione non distruttiva del cordone di saldatura per il prodotto saldato.

Per un acquirente, PSL2 è la scelta corretta ovunque la linea sia progettata secondo un codice di trasmissione con un piano di controllo della frattura, ovunque la temperatura di progetto scenda sotto lo zero o ovunque il tubo trasporterà idrocarburi umidi o acidi. PSL1 rimane economico e del tutto adeguato per linee idriche, linee di liquame, servizi di pubblica utilità a bassa pressione e applicazioni strutturali. Mescolare i due in un unico progetto è una comune fonte di confusione, perché lo stesso nome di qualità, ad esempio L245/B, comporta un carico di snervamento minimo diverso a seconda del livello: minimo 245 MPa sotto PSL1 e una fascia da 241 a 448 MPa sotto PSL2.

ASTM A106: Acciaio al carbonio senza saldatura per servizio a temperature elevate

ASTM A106 copre tubi in acciaio al carbonio senza saldatura per servizi ad alta temperatura in tre gradi, A, B e C, ed è la specifica di punta per tubazioni di processo, linee di alimentazione di caldaie, collettori di vapore e circuiti di olio caldo. La specifica è volutamente semplice nella struttura delle classi ed esigente nei requisiti di qualità: il tubo deve essere realizzato in acciaio calmato, deve essere senza giunture e deve superare una prova di trazione, una prova di piegatura o di appiattimento, una prova idrostatica e un controllo dell'analisi del prodotto rispetto all'analisi termica.

Il grado B domina il mercato perché offre un buon equilibrio tra resistenza e saldabilità. Il Grado A viene utilizzato laddove la formatura e la saldatura sono severe e una resistenza inferiore è accettabile, mentre il Grado C viene scelto laddove la maggiore resistenza alla trazione giustifica la ridotta saldabilità e la necessità di procedure qualificate e preriscaldamento controllato. Poiché A106 è una specifica per alte temperature, le proprietà che contano di più non sono semplicemente i valori di trazione a temperatura ambiente ma la sollecitazione ammissibile assegnata dalla normativa di progettazione nell'intervallo di temperature, insieme al controllo della dimensione dei grani che mantiene prevedibile il comportamento allo scorrimento viscoso a lungo termine.

A106 non richiede test di impatto per impostazione predefinita. Questa è una distinzione fondamentale rispetto all'API 5L PSL2 e all'A333: se le tubazioni di processo funzioneranno a bassa temperatura o se le specifiche del proprietario richiedono requisiti di impatto a bassa temperatura come requisito supplementare, l'acquirente deve dichiararlo. Supporre che un tubo A106 Grado B sia sottoposto a prova di impatto perché porta un certificato di prova di fabbrica è un malinteso frequente e costoso.

ASTM A333: la serie di gradi per basse temperature

ASTM A333 copre tubi saldati e senza saldatura in acciaio al carbonio e legato destinati al servizio a bassa temperatura e la sua struttura di grado è costruita attorno alla temperatura della prova di impatto. Il grado 1 è il grado di base dell'acciaio al carbonio, il grado 6 è il grado a basso tenore di carbonio più ampiamente utilizzato nelle tubazioni di gas liquefatto e per climi freddi, mentre il grado 3 contiene nominalmente il 3,5% di nichel per un servizio fino a circa -100 gradi C. I gradi più alti della serie estendono ulteriormente la gamma nel territorio criogenico con un contenuto di nichel crescente.

Ogni tubo A333 deve essere trattato termicamente e le specifiche richiedono prove di impatto di ciascun lotto alla temperatura designata per il grado, con risultati riportati come energia assorbita ed espansione laterale. Il trattamento termico è normalmente una normalizzazione completa, oppure una normalizzazione e rinvenimento, oppure un tempra e rinvenimento ove concordato. Questa è la differenza strutturale tra A333 e A106: A106 fornisce un materiale ad alta temperatura, A333 offre un pavimento con tenacità garantita a una temperatura bassa specificata e i due non possono essere sostituiti senza una valutazione ingegneristica documentata.

L'errore sul campo più comune in questa famiglia è ordinare A333 Grado 6 per un servizio a -45 gradi C e poi accettare A106 Grado B perché lo stabilimento lo aveva in magazzino e le proprietà di trazione a temperatura ambiente sembrano equivalenti. Non sono equivalenti per quel servizio: A106 Grado B non ha requisiti Charpy, quindi il suo comportamento sul ripiano inferiore è sconosciuto, e una frattura fragile in una linea di gas liquefatto freddo è una modalità di guasto catastrofico piuttosto che progressivo.

Confronto chimico e meccanico

La tabella seguente illustra le proprietà più spesso confrontate nella valutazione di un'offerta. I valori sono i requisiti standard per il grado base; requisiti supplementari, specifiche di progetto e norme dipendenti dallo spessore possono inasprirli ulteriormente.

La lettura attraverso le righe rivela la logica del design. A106 Grado B e A333 Grado 6 hanno una chimica molto simile e un'identica resistenza alla trazione minima, ma solo uno trasporta un'energia d'impatto garantita a bassa temperatura. A106 Grado C acquista 70 MPa di resistenza alla trazione extra al costo di un tetto di carbonio dello 0,35%, motivo per cui le procedure di saldatura per il Grado C richiedono un maggiore controllo del preriscaldamento rispetto al Grado B. La riga API 5L X42 mostra cosa fa di diverso la specifica del line pipe: un soffitto di carbonio più basso, una finestra di manganese più ampia per la microlega e una fascia di resistenza anziché un singolo minimo.

Test di tenacità e regole di accettazione

La prova di impatto è l'elemento discriminante tra queste specifiche e dovrebbe essere specificata con la stessa cura del grado. I parametri essenziali sono la temperatura di prova, la dimensione e l'orientamento del campione, l'energia minima assorbita, l'espansione laterale minima e la frequenza di campionamento. Un errore comune nell'approvvigionamento è quello di specificare una temperatura di prova senza specificare se si applica al corpo del tubo, al metallo saldato e alla zona interessata dal calore, poiché una specifica del tubo la applica a tutti e tre mentre una specifica derivata dalla piastra può riguardare solo il corpo.

Per una tubazione in un clima freddo, la temperatura di prova è normalmente impostata pari o inferiore alla temperatura di servizio più bassa prevista con un margine, e i criteri di accettazione sono solitamente un'energia assorbita media minima per un set di tre provini più un limite inferiore per ogni singolo provino. Per impieghi critici, la specifica può aggiungere test di rottura del peso di caduta per confermare la resistenza alla frattura da taglio in corso, o test di spostamento dell'apertura della punta della fessura per supportare una valutazione tecnica critica dei difetti di saldatura. Gli acquirenti dovrebbero richiedere che i valori effettivi dei test siano stampati sul certificato; una dichiarazione che la pipa è conforme non sostituisce un numero.

Esame Non Distruttivo, Prova Idrostatica ed Efficienza dei Giunti

Tutte e tre le specifiche richiedono una prova idrostatica di ogni lunghezza, mantenuta per un periodo minimo definito dallo standard e condotta ad una pressione calcolata dallo spessore della parete e dal grado. Le pressioni di prova sono una verifica della tenuta alla pressione e dell'integrità strutturale, non un test di prova contro la distruzione, e lo standard definisce un limite in modo che il test stesso non danneggi il tubo. Le registrazioni dei ring test, le registrazioni del grafico della pressione e l'identificazione dell'operatore devono essere tutte conservate.

L'esame non distruttivo del cordone di saldatura è il punto in cui le specifiche divergono più nettamente. Il tubo senza saldatura viene esaminato per verificare la presenza di laminazioni e difetti longitudinali mediante metodi ad ultrasuoni o di perdita di flusso a seconda dei requisiti dell'ordine. I tubi saldati secondo PSL2 richiedono l'esame della giuntura e l'estensione e il metodo sono definiti dalla norma e da eventuali requisiti supplementari invocati dall'acquirente. Le tubazioni di processo con un codice come ASME B31.3 possono richiedere un esame radiografico o ultrasonico delle saldature circonferenziali piuttosto che della giuntura del tubo e l'efficienza del giunto utilizzata nel calcolo della pressione dipende dal livello di esame raggiunto. Un acquirente che accetta il tubo sulla base di un rapporto di ispezione interno del fornitore, senza che il rapporto identifichi il metodo, la norma di riferimento ed i criteri di accettazione, non ha modo di verificare l'efficienza del giunto assunta nella progettazione.

Per i tubi saldati, l'efficienza del giunto nel calcolo della pressione è normalmente considerata pari a 1,0 solo quando la giuntura è stata esaminata al livello richiesto dalla normativa in vigore. Tubo saldato a resistenza elettrica con una cucitura adeguatamente normalizzata e qualifica di esame completo; il tubo saldato di testa del forno no, e il suo fattore di giunzione inferiore deve riflettersi nello spessore della parete richiesto.

Rivestimento, protezione finale e integrità a lungo termine

Nessuna di queste tre specifiche copre la protezione dalla corrosione esterna, tuttavia la scelta del rivestimento determina la durata di servizio di una linea interrata tanto quanto la qualità dell'acciaio. Un sistema di polietilene a tre strati applicato su una superficie sabbiata, specificato dalla norma ISO 21809-1 o DIN 30670, insieme a un sistema di protezione catodica adeguatamente progettato secondo NACE SP0169, costituisce la base normale per una durata di progetto superiore a 50 anni su una tubazione interrata in acciaio al carbonio. La resina epossidica legata per fusione secondo ISO 21809-2 è la scelta abituale a strato singolo dove la temperatura operativa è moderata e il rischio di danni meccanici è basso.

Le estremità dei tubi meritano un'attenzione separata. Le fasce terminali nude vengono lasciate per la saldatura circonferenziale, il che significa che le estremità sono la parte del tubo più esposta a danni meccanici, ovalizzazione e umidità durante il trasporto e lo stoccaggio. Le pesanti protezioni per smusso, i cappucci terminali e gli involucri esterni prevengono le scheggiature e l'ovalizzazione che successivamente causano disallineamenti elevati e minimi e riparazioni delle saldature. Durante lo stoccaggio, i tubi devono poggiare su supporti in legno o gomma con il rivestimento lontano dal terreno e le imbracature devono essere di nylon largo anziché di catena.

Lista di controllo delle specifiche per gli acquirenti

Prima di emettere un ordine, confermare per iscritto quanto segue: il codice di progettazione e il fattore di progettazione in vigore, la pressione di progetto e la temperatura di progetto, la temperatura minima e massima del metallo per la valutazione della tenacità, la temperatura del test di impatto richiesta e i valori di accettazione per corpo, saldatura e zona interessata dal calore, il livello delle specifiche del prodotto per qualsiasi articolo API 5L, il metodo di esame non distruttivo richiesto e il livello di accettazione per la giuntura, se un ente di ispezione di terze parti assisterà al test, il sistema di rivestimento con il suo standard e classe di spessore, la finitura finale e i dettagli della smussatura e il pacchetto di documentazione che include il contenuto del certificato di prova del mulino e i registri del trattamento termico.

Al ricevimento, verificare che il grado e qualsiasi suffisso di condizione stampigliato sul tubo corrispondano al certificato, che i numeri di calore corrispondano, che i risultati chimici e meccanici rientrino nei requisiti standard anziché essere semplicemente riportati e che i valori di impatto siano stati ottenuti alla temperatura specificata con l'orientamento del provino specificato. Laddove venga offerto un tubo con doppia certificazione, ad esempio un tubo certificato sia API 5L che ASTM A106, verificare che la chimica soddisfi il più severo dei due limiti e che il regime di test copra i requisiti di entrambi, poiché la doppia certificazione aggiunge valore solo quando la prova è completa.

Domande frequenti

D: È possibile utilizzare un tubo ASTM A106 Grado B per una linea di gas a bassa temperatura?
Non senza una valutazione ingegneristica. A106 non richiede prove di impatto, quindi la sua tenacità all'intaglio a temperature inferiori allo zero non è caratterizzata. Una linea a bassa temperatura dovrebbe utilizzare il grado ASTM A333 grado 6 o un grado API 5L PSL2 con una temperatura di prova di impatto specificata inferiore alla temperatura minima del metallo di progettazione.

D: Il tubo API 5L PSL1 è di qualità inferiore rispetto a ASTM A106 Grado B?
Affrontano compiti diversi piuttosto che livelli di qualità diversi. Il tubo PSL1 verifica la resistenza e la tenuta alla pressione per il servizio di trasmissione, mentre A106 verifica le proprietà per il servizio di processo a temperatura elevata e richiede acciaio calmato. Quale sia la soluzione migliore dipende dal codice di progettazione, dalla temperatura e dai requisiti di tenacità.

D: Quali gradi ASTM A333 sono adatti alle temperature più basse?
La serie si estende verso il basso all’aumentare del contenuto di nichel. Il Grado 1 e il Grado 6 servono circa -45 gradi C, il Grado 3 con il 3,5% nominale di nichel raggiunge circa -100 gradi C, e i gradi di nichel più alti della serie vanno ancora più in basso, ciascuno con la propria temperatura di prova d'urto richiesta.

D: Come viene calcolata la pressione operativa massima consentita?
Dalla relazione di Barlow, utilizzando il diametro esterno e lo spessore minimo della parete, con una sollecitazione ammissibile o un fattore di progettazione fornito dalla normativa in vigore, oltre a fattori di declassamento del giunto e della temperatura. Il muro nominale non deve mai essere utilizzato al posto del muro minimo per il calcolo.

D: Perché la stessa qualità mostra un carico di snervamento diverso con PSL1 e PSL2?
PSL2 definisce una fascia di forza con sia un pavimento che un tetto, quindi il minimo nominale viene adeguato a un valore coerente con tale fascia, mentre PSL1 definisce solo un pavimento. Il tubo non è diverso nel tipo, ma la finestra di accettazione e i test associati sono diversi.

D: Queste specifiche richiedono prove di impatto della saldatura e della zona interessata dal calore?
API 5L PSL2 richiede prove di impatto su corpo, saldatura e zona interessata dal calore. ASTM A333 richiede prove di impatto del tubo come prodotto a bassa temperatura, con i dettagli stabiliti dalle specifiche. ASTM A106 non richiede prove di impatto a meno che l'acquirente non richieda un requisito supplementare, che dovrebbe quindi indicare le posizioni e i criteri di accettazione.