I materiali tungsteno-molibdeno sono resistenti alle alte temperature e alla corrosione, risultando idonei a condizioni estreme nell'industria petrolchimica. Tre casi dimostrano che essi possono prolungare la durata delle attrezzature da 3 a 8 volte, con un investimento per la ristrutturazione pari soltanto a 1/5 di quello necessario per l’acquisto di nuovi impianti, garantendo efficacemente un funzionamento sicuro a lungo termine degli impianti.
L'industria petrolchimica comprende tutti i processi, dall'estrazione del petrolio, al raffinamento del greggio, alla rottura dell'etilene, al trattamento idrogenativo e alla cattura del carbonio CCUS. Da tempo affronta condizioni estreme quali alte temperature (superiori a 1000 °C), alta pressione (superiore a 15 MPa), forte corrosione (H₂S, CO₂, ioni cloruro, ecc.) e usura elevata. L'acciaio inossidabile ordinario e le leghe a base di nichel sono soggetti, in tali condizioni, a deformazione da fluage ad alta temperatura, a fessurazione per ossidazione, a perforazione per pitting e a fragilità da idrogeno, con conseguenti arresti frequenti degli impianti e persino incidenti di sicurezza.
Il tungsteno e il molibdeno, essendo metalli refrattari con punto di fusione elevato, presentano rispettivamente punti di fusione di 3422 °C e 2622 °C, nonché caratteristiche quali resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, basso coefficiente di espansione termica e resistenza all’usura. Nel settore petrolchimico si sono sviluppate quattro principali direzioni applicative: componenti strutturali refrattari ad alta temperatura, parti in lega dura e resistente all’usura, rivestimenti anticorrosivi/additivi per leghe e materie prime chimiche catalitiche. Di seguito vengono illustrati i risultati applicativi effettivi dei materiali a base di tungsteno e molibdeno attraverso tre casi di studio.
Caso 1: Sfida legata alle condizioni di riscaldamento per il pozzo CCUS del giacimento petrolifero di scisto di Shengli: Il pozzo petrolifero di scisto Liye 1HF del giacimento di Shengli utilizza l’iniezione di CO₂ per l’estrazione; il laminaggio ad alta pressione del CO₂ liquido provoca un rapido raffreddamento e il congelamento della tubazione. Il fluido prodotto contiene CO₂, acqua di formazione e solfuro di idrogeno, generando un ambiente corrosivo composto. I tradizionali tubi riscaldanti in acciaio inossidabile subiscono corrosione e perforazione entro 3 mesi, causando arresti operativi. Soluzione: Tubi riscaldanti compositi personalizzati in lega di tungsteno (base riscaldante in lega di tungsteno + strato isolante in nitruro di alluminio).
Efficienza di conversione del riscaldamento elettrico pari al 99%, velocità di riscaldamento aumentata di 4 volte
Funzionamento continuo per 24 mesi, senza danni da corrosione o erosione
Risoluzione completa del congelamento e dell’ostruzione della tubazione, riducendo di 12 volte gli arresti per manutenzione su un singolo pozzo
Basso coefficiente di espansione termica, assenza di crepe saldature durante le alternanze di temperatura
Conclusione: I tubi riscaldanti in lega di tungsteno sono adatti per le applicazioni CCUS e per l'estrazione non convenzionale caratterizzate da forti differenze di temperatura.
Caso 2: Sfida relativa alle condizioni dei componenti di supporto nel forno di cracking dell'etilene della Lanzhou Petrochemical: i componenti di supporto del forno di cracking operano a 1100 °C per lunghi periodi e il materiale in lega di cromo-nichel subisce deformazione per fluage dopo circa 1 anno, richiedendo arresti frequenti per la sostituzione, con un impatto significativo sull'efficienza produttiva. Soluzione: tutti i componenti di supporto sono stati sostituiti con componenti in lega di molibdeno TZM (lega titanio-zirconio-molibdeno).
Nessuna deformazione a 1100 °C per lunghi periodi
Durata prolungata da 1 anno a 6 anni (incremento di 6 volte)
Riduzione significativa della frequenza degli arresti per sostituzione, con evidenti benefici economici complessivi
Conclusione: La lega di molibdeno TZM è il materiale standard preferito per i componenti strutturali dei forni ad alta temperatura nel settore petrolchimico.
Caso 3: Sfida della ristrutturazione del rivestimento interno del reattore di idrogenazione della Shandong Hengyuan Petrochemical: il reattore di idrogenazione (diametro interno di 3 metri, 430 °C, 15 MPa, mezzo contenente H₂S, ammoniaca e ioni cloruro) presentava un rivestimento interno in acciaio inossidabile 316L che, dopo 3 anni di funzionamento, aveva sviluppato pitting localizzato e blistering da idrogeno, costituendo un rischio di esplosione. Soluzione: saldatura della parete interna con una lega nichel-base composita molibdeno-tungsteno (C276, 13% molibdeno, 3% tungsteno) dello spessore di 10 mm.
Funzionamento sicuro continuo per 25 anni, senza fratture da corrosione sotto sforzo né fenomeni di fragilità indotta dall’idrogeno; l’usura annuale per corrosione è pari soltanto a 0,1 mm
Rispetta gli standard API per la sicurezza delle apparecchiature a pressione nel settore del refining e dei prodotti petrolchimici
L’investimento per la ristrutturazione mediante saldatura ammonta a soltanto 1/5 del costo di sostituzione con un nuovo impianto
Conclusione: la tecnologia di saldatura con lega nichel-base molibdeno-tungsteno coniuga sicurezza ed economicità ed è una soluzione consolidata per la ristrutturazione anticorrosiva dei reattori di idrogenazione.
Il valore fondamentale dei materiali a base di tungsteno e molibdeno nel settore petrolchimico si riflette in tre aspetti:
1. Sicurezza e affidabilità – mantenimento dell’integrità strutturale in condizioni estreme ed eliminazione dei rischi per la sicurezza;
2. Efficienza economica – prolungamento della vita utile delle attrezzature da 3 a 8 volte, con costi di rinnovamento molto inferiori rispetto al costo di sostituzione delle attrezzature; 3. Adattamento industriale – copertura dell’intera catena del valore, dall’estrazione del petrolio alla raffinazione e alla lavorazione chimica, che supporta il potenziamento del settore petrolchimico verso cicli operativi più lunghi e livelli di sicurezza più elevati.
Con l’aumento delle dimensioni e della complessità degli impianti petrolchimici, i materiali a base di tungsteno e molibdeno assumeranno un ruolo sempre più importante nelle attrezzature critiche soggette a condizioni estreme.
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