Cosa fa la zincatura a caldo su un tubo di acciaio
La zincatura è l'applicazione di un rivestimento di zinco sull'acciaio e il rivestimento protegge l'acciaio in due modi diversi contemporaneamente. Come barriera sigilla la superficie dall'umidità e dall'ossigeno. Come anodo sacrificale si corrode preferibilmente rispetto all'acciaio in caso di graffi, estremità tagliate e filettature danneggiate, perché lo zinco è meno nobile del ferro. Questo secondo meccanismo è ciò che separa la zincatura dalla verniciatura: un rivestimento verniciato si rompe dal primo foro stenopeico verso l’esterno, mentre un rivestimento di zinco continua a proteggere una piccola area esposta finché lo zinco circostante non si consuma.
Il processo utilizzato per il tubo è la zincatura a caldo. Il tubo viene sgrassato, decapato, flussato e quindi immerso nello zinco fuso a circa 445-465 gradi Celsius, come specificato nella norma ISO 1461 e nella norma ASTM A123/A123M. Il risultato è un rivestimento legato metallurgicamente costituito da una sequenza di strati di lega di zinco-ferro, dallo strato eta di zinco quasi puro sulla superficie esterna attraverso gli strati zeta, delta e gamma fino all'interfaccia in acciaio. Gli strati di lega sono duri e moderatamente fragili, il che spiega perché i tubi zincati vengono maneggiati con cura sui bordi tagliati e perché i rivestimenti molto spessi non sono automaticamente migliori sulle parti che verranno piegate o filettate.
Massa, spessore e standard del rivestimento
Lo spessore del rivestimento è il miglior indicatore della durata del tubo zincato ed è controllato da due fattori: la massa di zinco applicata per unità di superficie e il contenuto di silicio e fosforo dell'acciaio di base, che influisce sulla velocità di reazione nel bagno. La pratica di reporting differisce tra i mercati. La massa del rivestimento è espressa in grammi per metro quadrato e la conversione è fissata dalla densità dello zinco, circa 7,14 grammi per centimetro cubo, quindi 1 micrometro di rivestimento equivale a circa 7,1 grammi per metro quadrato. Un rivestimento da 300 grammi per metro quadrato misura quindi circa 42 micrometri e un rivestimento da 600 grammi per metro quadrato circa 84 micrometri.
| Standard | Ambito | Modello dei requisiti di rivestimento | Metodo di prova |
|---|---|---|---|
| ASTM A123/A123M | Rivestimento di zinco su prodotti siderurgici | Spessore medio minimo che aumenta da circa 45 a 85 micrometri con spessore del metallo base | Massa del rivestimento secondo ASTM A90/A90M, calibro magnetico secondo ASTM E376 |
| ISO 1461 | Rivestimenti zincati a caldo su ferro e acciaio fabbricati | Bande di spessore locale e medio da circa 55 a 85 micrometri a seconda dello spessore dell'acciaio | Metodi gravimetrici e magnetici, definizione delle aree di riferimento |
| ASTM A53/A53M | Tubo zincato saldato e senza saldatura | Rivestimento minimo indicato dalla norma sui tubi, rivestimento più pesante previo accordo | Massa e spessore del rivestimento, più test idrostatico |
| ASTM A153/A153M | Rivestimento di zinco su ferramenta e raccordi filettati | Massa di rivestimento basata sulla classe per componenti filettati | Gravimetrico, con regole di tolleranza del filo |
| EN10240 | Rivestimenti interni ed esterni su tubo d'acciaio saldato | Classi di rivestimento in massa areica, interno ed esterno dichiarate separatamente | Gravimetrico su provini definiti |
Da questa tabella seguono due abitudini di accettazione. Innanzitutto, i requisiti del rivestimento devono essere citati con la relativa base di prova, perché un risultato gravimetrico su un campione disciolto e una lettura del misuratore magnetico su una superficie curva non concordano fino all'ultimo micrometro, e le controversie durante l'ispezione solitamente derivano dalla miscelazione dei due. In secondo luogo, i rivestimenti esterni ed interni sono requisiti separati per i tubi. Un tubo con un rivestimento esterno pesante e un rivestimento interno nominale si corroderà a causa del foro nel servizio idrico e l'ordine dovrebbe indicare esplicitamente la massa del rivestimento interno.
Tasso di corrosione in base all'ambiente e come stimare la durata di servizio
Lo zinco si corrode a una velocità stabilita dall'ambiente e la velocità è ben caratterizzata dalle categorie di corrosività di ISO 9223 e ISO 12944, che pubblicano bande di perdita di massa dello zinco nel primo anno per i tipi di atmosfera. Combinando lo spessore del rivestimento misurato con il tasso di categoria si ottiene una stima della durata difendibile e tale stima è molto più utile di un singolo numero generico citato in un catalogo.
| Categoria di corrosività | Ambiente tipico | Tasso di corrosione dello zinco (micrometri all'anno) | Vita indicativa a 85 micrometri |
|---|---|---|---|
| C1 | Interni riscaldati e asciutti | 0,1 o meno | Ben più di 50 anni |
| C2 | Rurale, poco inquinato, interni non riscaldati | da 0,1 a 0,7 | Circa 50 anni e oltre |
| C3 | Urbano, industriale con moderata anidride solforosa | 0,7-2,1 | Circa 40-120 anni |
| C4 | Industriale, costiero con moderata salinità | da 2.1 a 4.2 | Circa 20-40 anni |
| C5 | Zona industriale pesante o costiera ad alta salinità | da 4.2 a 8.4 | Circa 10-20 anni |
| CX | Industriale o offshore estremo | 8,4-25 | Circa 3-10 anni |
Il servizio sepolto è un caso speciale. Lo zinco nel suolo dipende dalla resistività, dal pH, dal cloruro e dalla presenza di corrente vagante, e il rivestimento da solo raramente è la base di progettazione per una linea interrata: rivestimento più pesante più avvolgimento, o rivestimento più protezione catodica, è la combinazione normale. Se il tubo deve essere rivestito dopo la zincatura, i due sistemi devono essere compatibili, poiché una superficie di zinco passivata o verniciata può impedire l'adesione del rivestimento esterno.
Standard dei tubi, metallo di base e condizioni di consegna
Il tubo zincato viene ordinato in base a uno standard per tubi che definisce l'acciaio, le dimensioni e la prova di pressione, con la zincatura aggiunta come requisito di rivestimento a uno standard separato. ASTM A53/A53M copre tubi neri saldati e senza saldatura e zincati a caldo di grado A e B, con saldatura continua di tipo F, saldatura a resistenza elettrica di tipo E e saldatura di tipo S senza saldatura e dimensioni riferite ad ASME B36.10M. I tubi zincati saldati secondo GB/T 3091 sono ampiamente ordinati per applicazioni idriche e di costruzione, con una massa di rivestimento comunemente specificata a 300 grammi per metro quadrato o superiore. Il tipo di acciaio e lo standard del tubo non sono intercambiabili con una specifica arbitraria del tubo, poiché il valore nominale di pressione e la tolleranza della parete appartengono allo standard del tubo, non allo standard del rivestimento.
Un dettaglio nella A53 spesso viene trascurato: i tubi destinati alla zincatura devono essere adatti al processo e la norma affronta le condizioni di saldatura e la preparazione della superficie prima del rivestimento. Una superficie fortemente oliata o arrugginita produrrà un rivestimento con scarsa adesione o con strati di zinco-ferro spessi e fragili e nessuno dei due difetti sarà visibile in una fotografia. Gli acquirenti devono richiedere che il certificato dello stabilimento indichi la massa di rivestimento ottenuta, insieme allo standard del tubo, al grado e al numero di colata, su un documento EN 10204 3.1.
Infilare, tagliare e unire senza perdere il rivestimento
Il tubo zincato viene normalmente raccordato con raccordi filettati perché la filettatura è veloce, smontabile e non brucia il rivestimento su un'ampia area. Le filettature vengono tagliate secondo la forma conica e filettata di ASTM B1.20.1 e la filettatura rimuove inevitabilmente il rivestimento dalla superficie della filettatura, motivo per cui l'approccio delle specifiche è quello di proteggere la filettatura esposta con un composto per giunti approvato e di fare affidamento su raccordi zincati conformi a ASTM A153/A153M anziché su raccordi nudi.
La saldatura è possibile ma cambia la situazione della corrosione. Lo zinco viene bruciato accanto alla saldatura, lasciando una fascia nuda che deve essere ricoperta, e i fumi di ossido di zinco generati durante la saldatura richiedono l'aspirazione e la protezione respiratoria secondo le norme applicabili sull'esposizione professionale; il processo dovrebbe pertanto essere pianificato come un'operazione di riparazione controllata piuttosto che trattato come una normale saldatura di tubi. Tutte le estremità tagliate, le aree danneggiate e le zone interessate dalle saldature necessitano di riparazione con un rivestimento ricco di zinco e la pratica di riparazione è coperta da ASTM A780. Una riparazione applicata su ruggine o su una superficie scarsamente pulita fallirà entro una stagione, quindi la preparazione della superficie prima della riparazione fa parte del criterio di accettazione.
È possibile piegare il tubo zincato per raggi moderati, ma un rivestimento spesso e fragile potrebbe screpolarsi all'esterno della curvatura ed esporre l'acciaio. Nel caso in cui le curve facciano parte del progetto, l'ordine dovrà specificare il raggio di curvatura, oppure il tubo dovrà essere piegato prima della zincatura. Anche la lavorazione a freddo dell'acciaio fortemente zincato solleva la questione dell'infragilimento da deformazione e ASTM A143 stabilisce le misure di sicurezza da concordare laddove la formatura a freddo e la zincatura siano combinate.
Ruggine bianca, stoccaggio e chimica dell'acqua in servizio
La ruggine bianca è il prodotto pallido e polveroso di idrossido di zinco e carbonato di zinco che si forma quando le superfici appena zincate vengono conservate in condizioni umide e scarsamente ventilate e la pellicola protettiva di ossido non può svilupparsi. Si tratta di un difetto di conservazione e trasporto, non di corrosione, ma consuma il rivestimento ed è un motivo comune di rifiuto al ricevimento della merce. La prevenzione è procedurale: tenere i fasci sollevati da terra, distanziarli in modo che l'aria possa circolare tra i tubi, evitare cicli di condensa in un contenitore e richiedere un'adeguata asciugatura prima dell'imballaggio o un trattamento di passivazione concordato al momento dell'ordine.
Nel servizio idrico il rivestimento è sensibile anche all'acqua stessa. Lo zinco passiva e funziona bene nell'intervallo di pH quasi neutro, circa da 6 a 12, e si corrode rapidamente in acqua dolce e acida con bassa alcalinità. Le acque con un elevato contenuto di cloruro, un elevato contenuto di ossigeno disciolto e una temperatura elevata aumentano il tasso di dissoluzione dello zinco e le prime settimane di servizio sono quelle in cui si forma la maggior parte del film protettivo, pertanto la messa in servizio dovrebbe evitare una lunga stagnazione. Il tubo zincato è anche catodico rispetto al rame e alla maggior parte degli ottoni, quindi il collegamento diretto ai componenti in rame favorisce la corrosione dello zinco in corrispondenza del giunto; un accoppiamento dielettrico alla transizione è una pratica standard. L'idoneità per l'acqua potabile dipende dalle norme locali sulla qualità dell'acqua e dai limiti per lo zinco e qualsiasi residuo di piombo o cadmio nel rivestimento, che devono essere confermati rispetto alla normativa applicabile sull'acqua potabile prima che il tubo venga rilasciato a tale servizio.
Ispezione, campionamento e accettazione dei documenti
L'accettazione di un lotto di tubi zincati si basa su tre controlli abbastanza semplici da eseguire al ricevimento della merce. Il primo è la massa o spessore del rivestimento, misurata su aree di riferimento definite mediante il metodo gravimetrico ASTM A90/A90M o con un calibro magnetico conforme a ASTM E376, con un numero dichiarato di letture per lunghezza e un valore medio minimo e minimo individuale dichiarati. Il secondo è l'aspetto e la continuità: la superficie deve essere continua, priva di punti scoperti, bolle, grumi ed eccessiva cenere di zinco, e le aree filettate devono avere il rivestimento specificato con il profilo del filo ancora entro la tolleranza dopo il rivestimento. Il terzo è l'integrità dimensionale e di pressione, verificata rispetto allo standard dei tubi attraverso il registro dei test idrostatici o il percorso di test non distruttivo consentito dallo standard.
I documenti dovrebbero consentire di collegare la tubazione in loco ai risultati dei test. Ciò significa un certificato EN 10204 3.1 che mostra lo standard del tubo, il grado, le dimensioni, il numero di colata e il risultato del rivestimento, nonché una marcatura sul tubo o sul fascio che porta gli stessi identificatori. Laddove sia richiesta un'ispezione da parte di terzi, il rilascio dell'ispezione dovrebbe essere rilasciato a fronte del rapporto di prova vero e proprio piuttosto che a fronte di una generica dichiarazione di conformità.
Errori nelle specifiche che vale la pena evitare
La maggior parte dei reclami relativi ai tubi zincati risalgono a un ordine di acquisto incompleto. Quelli ricorrenti sono: quotare uno spessore di rivestimento senza un metodo di prova o un piano di campionamento, affinché il risultato non possa essere contestato o difeso; specificando solo il rivestimento esterno e lasciando il foro al mulino; ordinare il tubo A53 ma accettare uno standard di tubo con tolleranza della parete diversa; acquistare tubi zincati per un servizio superiore alla categoria ambientale che il rivestimento può supportare, come l'interramento diretto senza fasciatura; e accettare il taglio della filettatura dopo la zincatura senza una procedura di riparazione per la filettatura esposta. Ciascuno di questi è risolto da una o due linee aggiuntive nella richiesta e nessuno di essi può essere riparato dopo l'installazione del tubo.
Domande frequenti
D: Quanto deve essere spesso il rivestimento di zinco sui tubi in acciaio zincato?
Per il servizio atmosferico generale, secondo ISO 1461 e ASTM A123/A123M è tipico un rivestimento medio di circa 55-85 micrometri, equivalente a circa 390-600 grammi per metro quadrato. I rivestimenti più spessi sono specificati per impieghi costieri, industriali o interrati, dove il tasso di corrosione è più elevato.
D: Quanto dura il tubo in acciaio zincato?
La vita dipende principalmente dall'ambiente. Si prevedono 50 anni o più in servizio interno asciutto, da 20 a 40 anni in atmosfere costiere o industriali a 85 micrometri e circa da 10 a 20 anni in condizioni di elevata salinità o di industria pesante. Il servizio interrato di solito necessita di un rivestimento più pesante con avvolgimento o protezione catodica.
D: È possibile saldare il tubo zincato?
Può, ma lo zinco deve essere rimosso dall'area del giunto, è necessaria l'estrazione dei fumi perché i fumi di ossido di zinco sono pericolosi e la zona di saldatura e interessata dal calore deve essere ricoperta con un prodotto ricco di zinco conforme a ASTM A780. I giunti filettati sono preferiti laddove il design lo consente.
D: Cos'è la ruggine bianca ed è un difetto?
La ruggine bianca è costituita da idrossido di zinco e carbonato di zinco che si formano per condensazione su superfici appena zincate in un luogo umido e non ventilato. Consuma il rivestimento ed è un legittimo punto di rifiuto, ma è una condizione di conservazione piuttosto che un fallimento del processo di rivestimento ed è impedito dalla ventilazione, dall'essiccazione e dalla passivazione.
D: Perché i tubi zincati si corrodono in corrispondenza dei collegamenti con raccordi in ottone o rame?
Lo zinco è anodico rispetto alle leghe di rame, quindi nella transizione si forma una coppia galvanica e il rivestimento di zinco si corrode preferenzialmente. Il rimedio più comune è un raccordo dielettrico o una connessione isolante rivestita in corrispondenza della transizione.
D: Quali standard si applicano ai tubi in acciaio zincato?
Il tubo stesso è conforme a ASTM A53/A53M o GB/T 3091 con dimensioni conformi a ASME B36.10M, il rivestimento è conforme a ASTM A123/A123M, ISO 1461 o EN 10240, i raccordi filettati rivestiti sono conformi a ASTM A153/A153M, le filettature sono conformi a ASTM B1.20.1 e la riparazione dell'area danneggiata è conforme a ASTM A780.
