Il presente documento è stato redatto nell’ambito del progetto “Studi sulla produzione elettrica locale da biomasse e scarti – Sviluppo di tecnologie e impianti pilota” definito nell’Accordo Triennale tra il Ministero dello Sviluppo Economico e E.R.S.E. S.p.A. firmato il 29 Luglio 2009. Il rapporto descrive in particolare le attività relative alla caratterizzazione meccanica di materiali per possibile impiego in impianti di co-combustione operanti con cicli USC, che durante il periodo di svolgimento delle attività del PAR 2009 sono state sviluppate su due distinti temi: • continuazione delle prove sperimentali di caratterizzazione di nuovi materiali per impianti operanti in condizioni di più elevata temperatura e pressione; • indagine bibliografica sulle specificità di prove di caratterizzazione meccanica in relazione all’impiego dei materiali in impianti di co-combustione con biomasse. Per quanto riguarda le prove sperimentali, in questo periodo, è proseguita l’attività di caratterizzazione dei materiali sviluppati nell’ambito della collaborazione europea dell’azione COST 536 ACCEPT (Alloy development for Critical Components of Environmentally friendly Power planT). L’azione COST 536 è focalizzata sullo sviluppo di acciai ferritico-martensitici (9-12% Cr) che permettano di realizzare impianti USC ad elevate prestazioni senza ricorrere all’impiego delle più innovative e costose leghe di nichel, previste per gli impianti USC del tipo sviluppato dal progetto AD700. In quest’ambito nel laboratorio “Prove meccaniche e microscopia” di ERSE sono tuttora in corso alcune prove di creep su saldature eterogenee tra P23 e P91, che potrebbero trovare applicazione nei tubi di scambio termico in caldaia (banchi SH e/o RH). Nello stesso laboratorio è proseguita anche l’attività di caratterizzazione del nuovo acciaio PB2 (10% Cr), sviluppato in ambito COST 536 da un progetto del gruppo di lavoro italiano con la collaborazione di Tenaris Dalmine, Società delle Fucine e Centro Sviluppo Materiali. L’acciaio PB2 è stato prodotto come materiale per le tubazioni di linee vapore, con due diversi tipi di trattamento termico, a partire dal materiale FB2 di un rotore prototipo sviluppato nelle precedenti azioni COST e che è tuttora identificabile come l’acciaio sviluppato in Europa che permette l’applicazione nelle più gravose condizioni di lavoro (620-625°C). Per questo acciaio ERSE ha completato le prove di fatica oligociclica ad alta temperatura (550°C e 625°C) e ha svolto una prima serie di prove di fatica oligociclica con hold time a 625°C. I risultati conseguiti indicano ottime qualità per questo materiale e suggeriscono quindi di completarne la caratterizzazione, che prevede la determinazione della resistenza del materiale alla crescita di cricche per fatica, con test FCG, e la caratterizzazione della resistenza all’ossidazione a contatto con vapore in condizioni USC circolante a 650°C con pressione di 35 MPa con il circuito di test CORCHIM di ERSE. In relazione all’impiego in impianti con co-combustione di carbone-biomasse/rifiuti si ritiene inoltre importante completare la caratterizzazione di questo materiale con prove di corrosione ad alta temperatura. Tenendo conto del fatto che la maggiore problematica di resistenza dei materiali nel passaggio dalla combustione di combustibile fossile alla co-combustione con biomasse/rifiuti è legata all’ambiente corrosivo dei fumi, è stata svolta un’indagine conoscitiva sullo stato dell’arte delle prove mirate su campioni rivestiti e su prove meccaniche svolte direttamente in ambienti aggressivi. Relativamente ai campioni rivestiti, risulta che, sebbene la maggior parte degli studi sia tuttora focalizzata su prove specifiche di caratterizzazione del rivestimento e del suo degrado, sono tuttavia stati pubblicati lavori di caratterizzazione meccanica svolta comparativamente su campioni di solo materiale base e su campioni a cui viene applicato anche un rivestimento. In alcuni di questi lavori pubblicati non viene particolarmente sviluppato il tema di peculiarità del campione rivestito in termini di procedura di prova, ma si procede solo al raffronto dei risultati di prova (ad es. tempi a rottura per creep, o numero di cicli a rottura per prove di fatica); in altri viene invece evidenziata la necessità di sviluppo di procedure e strumenti specifici per poter eseguire la caratterizzazione del provino rivestito. In termini di resistenza complessiva del materiale, emerge

in questi lavori che, se da un lato dovrebbe verificarsi un effetto di protezione del materiale base dal fenomeno ossidativo da parte del rivestimento, dall’altro occorre valutare se e come il danneggiamento all’interfaccia rivestimento-materiale base possa contribuire a ridurre la resistenza complessiva del provino (ad es. presenza di piccoli difetti che possono innescare localmente sovrasollecitazioni a creep e diventare punti di innesco di processi di danneggiamento da fatica). Per quanto riguarda invece lo sviluppo di tecniche di prove meccaniche condotte in condizioni di simulazione di ambienti aggressivi (corrosione, ossidazione, erosione), la maggior parte delle attività pubblicate sono al momento sviluppate nell’ambito dei nuovi materiali per impianti nucleari. Le soluzioni tecnologiche più complesse sono quelle realizzate da pochi istituti di ricerca per l’esecuzione di prove meccaniche (ad es. trazione e creep) in situazione di contatto del campione con particolari sostanze ed irraggiamento neutronico durante la prova stessa. Un po’ più diffusi, ma comunque ancora molto limitati, sono i sistemi che escludono l’irraggiamento e sono dedicati all’esecuzione di prove meccaniche con campioni che durante la prova sono posti a contatto con metalli fusi o particolari miscele gassose ad alta temperatura. Questa tipologia di macchine è peraltro più simile all’esecuzione di prove che siano rappresentative anche dell’esposizione dei materiali ai fumi di processi di co-combustione oggetto dell’attività. Nel complesso risulta che ad oggi in Europa pochi laboratori sono attrezzati per l’esecuzione di prove di trazione, creep e fatica altociclica ed oligociclica, condotte direttamente in ambienti potenzialmente corrosivi, ed è stato anche presentato in una conferenza internazionale uno studio dove l’esposizione del campione è stata condotta in un’apparecchiatura di prova small punch. Si ritiene quindi importante lo sviluppo di analoghe capacità di prova nei laboratori ERSE, in relazione all’esposizione dei campioni sotto test a gas corrosivi ad alta temperatura, a partire dalla dotazione standard attualmente in dotazione. In particolare si devono affrontare i seguenti aspetti: • la realizzazione di contenitori o circuiti che permettano il contatto, in condizioni per quanto possibile controllate e stazionarie, delle sostanze con il campione; • la minimizzazione dell’interferenza di questi circuiti con la strumentazione di prova ed in particolare con accessori come estensimetri e termocoppie; • i problemi di sicurezza legati alle potenziali tossicità o pericolosità di alcune delle sostanze aggressive di cui si vuole valutare l’incidenza sulle proprietà meccaniche; • la resistenza dei materiali costruttivi della macchina di prova e degli accessori all’aggressione delle sostanze impiegate; • lo studio in alcuni casi di soluzioni alternative a quelle convenzionali per parti dell’attrezzatura di prova (ad es. sistemi di misura estensimetrica senza contatto diretto con il campione, sistemi di riscaldamento alternativi ai tradizionali forni).