Nel rapporto sono illustrate le attività svolte nel periodo di riferimento nell’ambito della task 1 del Progetto – “Co-combustione di biomasse in impianti a carbone”, inerenti allo studio di fattibilità e alla definizione di un progetto di massima di una macchina per prove di Fatica Oligociclica (LCF) condotte in ambienti aggressivi che simulano le condizioni di esercizio della co-combustione. Nell’ottica dell’applicazione dei processi di co-combustione con biomasse nei grandi impianti di generazione è infatti proseguita nel 2010 l’attività di caratterizzazione dei nuovi materiali per gli impianti a combustibili fossili con tecnologia USC (Ultra Super Critico) per impianti operanti in condizioni di più elevata temperatura e pressione e lo sviluppo di un rig innovativo che permetta l’esecuzione di prove di caratterizzazione meccanica in relazione all’impiego dei materiali in impianti di co-combustione con biomasse. Per quanto riguarda l’attività sperimentale di prove in laboratorio, in questo periodo, è proseguita l’attività di caratterizzazione di materiali destinati all’impiego nei futuri impianti USC operanti in condizioni di temperatura e pressione del vapore più elevate di quelle degli impianti finora realizzati in Europa. Le prove in corso riguardano essenzialmente due famiglie di materiali: nuovi acciai ferritico-martensitici non ancora disponibili come prodotti commerciali che dovrebbero permettere la realizzazione di impianti con vapore portato alla temperatura di circa 650°C e leghe di nichel già utilizzate nell’ambito dei turbogas, ma prodotte con nuovi procedimenti per la realizzazione di componenti operanti con vapore in pressione che dovrebbero trovare applicazione in impianti con vapore surriscaldato fino a 700°C. Le prove sugli acciai sono la continuazione dei test avviati nell’ambito della collaborazione europea dell’azione COST 536 ACCEPT[1] (Alloy development for Critical Components of Environmentally friendly Power planT) su acciai e saldature sviluppate dai partecipanti allo stesso progetto in forma di piccoli pezzi per test di laboratorio o di componenti prototipo. In particolare sono in corso tuttora nel laboratorio “Prove meccaniche e microscopia” di RSE le prove di scorrimento viscoso a caldo di lunga durata di una saldatura eterogenea tra P23 (acciaio basso legato al 2% circa di Cr) e P91 (acciaio con contenuto di Cr del 9% circa). Per quanto riguarda invece i materiali a base nichel nello stesso laboratorio “Prove meccaniche e microscopia” sono ancora in corso le prove di scorrimento viscoso di lunga durata di alcune delle leghe (sia come materiali base sia come saldature) che sono state individuate dal progetto di ricerca AD-700 finanziato da EC nell’ambito del IV e V Programma Quadro. Per quanto concerne la possibilità di eseguire test di caratterizzazione meccanica in ambiente corrosivo, simulante le condizioni di esposizione ai fumi che si possono avere nel caso di co-combustione con biomasse, a seguito dell’analisi preliminare svolta nello scorso anno si è deciso di avviare uno studio di un progetto di massima per la realizzazione di un rig che permetta l’esecuzione di prove di fatica oligociclica in gas corrosivi. Nel primo periodo dell’anno era stata programmata la partecipazione al workshop internazionale “HTMET Workshop – High Temperature Mechanical Testing Techniques in Controlled Environments”. L’evento organizzato da ESIS (European Structural Integrity Society) dal 20 al 21 aprile presso la sede di Warrington (UK) della ditta Serco aveva lo scopo di presentare lo stato dell’arte nello sviluppo di queste prove complesse sia dal punto di vista procedurale che dal punto di vista strumentale e avere uno scambio di informazioni tra gli istituti di ricerca che hanno avviato di recente attività di questo tipo. Tenendo conto anche di quanto documentato nelle presentazioni di questo workshop, si è quindi iniziata la progettazione del sistema di prove da realizzare in RSE che sarà composto da un opportuno circuito per la miscelazione del gas con la realizzazione di una camera di contatto attorno al provino montato su una macchina di trazione-compressione normalmente impiegata per le prove di fatica oligociclica. La presenza della camera di contatto e in particolare la criticità dei gas corrosivi, alcuni dei quali sono classificati come tossici in relazione alla loro percentuale di presenza in miscela, porta però a dover sviluppare soluzioni ad hoc ed una procedura di prova differenziata per alcuni aspetti rispetto allo standard di riferimento per la prova di fatica oligociclica, normato secondo ASTM E606. Le modifiche principali della procedura di prova e dell’apparecchiatura individuate come necessarie in prima battuta sono risultate essere:

– l’applicazione di una misura di deformazione del provino alternativa a quella standard di contatto dell’estensometro con il tratto utile del provino, – l’identificazione del forno di riscaldamento e delle termocoppie di controllo della temperatura più opportune rispetto alla presenza del circuito del gas corrosivo. In un primo momento era stata ipotizzata anche la necessità di dover ricorrere all’utilizzo di un provino sottodimensionato rispetto alle dimensioni suggerite dagli standard e abitualmente utilizzate nel laboratorio RSE, ma sono poi state individuate alcune soluzioni nell’ambito delle modifiche sopra elencate che permettono di poter ipotizzare il mantenimento delle dimensioni standard del provino. Per il controllo della deformazione in prova sono state condotte una serie di test preliminari di controllo alternativo utilizzando la misura di spostamento interna ai pistoni della macchina servo idraulica che afferrano i provini (prove in controllo di spostamento) in contemporanea al controllo convenzionale con estensometri della deformazione nel tratto utile (prove in controllo di deformazione); alcune prove sono state poi condotte in controllo di carico. Da questa serie di prove è emerso che il controllo della prova in spostamento rispetto al controllo in deformazione presenta un comportamento di non diretta proporzionalità. L’esecuzione della prova in controllo di spostamento o controllo di carico può essere fatta dopo una fase preliminare di calibrazione con test in controllo di deformazione. Queste prove sono applicabili per valutare una riduzione della resistenza del materiale in relazione all’inserimento in ambiente aggressivo confrontando i risultati delle prove con quelli del materiale non esposto, ma testato con la stessa modalità di controllo. Nel caso si vogliano ottenere dati di prove di fatica oligociclica conformi alle norme di riferimento risulta necessario ipotizzare l’utilizzo di estensometri basati su principi di ottica (anche con tecnologia laser) che evitano il contatto diretto con il campione. Una prima indagine conoscitiva sulle applicazioni degli estensometri ottici ha però evidenziato che i prodotti commerciali attualmente disponibili sono dichiarati dai costruttori applicabili in un intervallo di temperatura limitato (il sistema che permette applicazioni a temperatura massima è attualmente dichiarato come funzionante per prove fino a 480°C). Per quanto riguarda il sistema di riscaldamento è stata identificata come soluzione ottimale in questo primo progetto l’impiego di un forno a induzione che è già disponibile nei laboratori ed impiegato nel campo delle prove meccaniche in combinazione con le stesse macchine servo idrauliche per l’esecuzione delle prove di fatica termo meccanica (TMF). Per l’adattamento del forno esistente al rig di prove in ambiente sarà però necessario realizzare una spira di riscaldamento con diametro leggermente superiore a quella attualmente in dotazione; il leggero incremento del diametro spira non ha però alcuna ricaduta sull’effettiva capacità di riscaldamento dei campioni alle temperature ipotizzabili come effettive condizioni di prova. Il progetto di massima ha portato alla preparazione di uno schema complessivo del sistema, che dovrà essere realizzato e che risulta composto da: 1. un circuito di alimentazione e pre-miscelazione dei gas, 2. un sistema di preriscaldamento dei gas ed umidificazione controllata (in base alla portata gas ed alla temperatura di preriscaldo) 3. una camera di contenimento del gas a contatto con il campione di prova (operante in leggera depressione rispetto all’ambiente) 4. un sistema di trattamento del gas esausto 5. un sistema di aspirazione con circuito di abbattimento dei gas tossici e nocivi che prevenga da eventuali perdite del rig. Le parti del rig sopra indicate come punti 1, 2, 4 e 5 sono sistemi già applicati anche nei forni per prove di corrosione ad alta temperatura e, in base alla scelta dei gas che si vogliono effettivamente utilizzare nei test, possono essere realizzati da varie ditte fornitrici di gas ed impianti di distribuzione gas e controllo delle perdite. La camera di contenimento, che costituisce l’aspetto più innovativo della macchina, è stata invece interamente progettata da RSE nell’ambito del progetto di massima; gli schemi e i disegni d’assieme più significativi della camera sono riportati nel presente rapporto. Per rendere il sistema nel suo complesso compatibile con gli eventuali estensometri ottici si è ipotizzato di realizzare la camera di contenimento del gas con un tubo di quarzo che dovrà essere opportunamente lavorato alle estremità per garantire la buona adesione al sistema di tenuta, ma che rappresenti nelle dimensioni ipotizzate un prodotto commerciale facilmente disponibile e quindi anche facilmente sostituibile nel caso in cui il prolungato esercizio in contatto con gas particolari ne provochi una parziale opacizzazione. Come sviluppo successivo dell’attività nel 2011 si ritiene opportuno realizzare una camera di contenimento prototipale che potrà essere impiegata per una prima serie di prove di validazione delle tenute e della

compatibilità con la macchina di prova, operando anche con gas inerti o più semplicemente con aria. Con la stessa camera sarà poi possibile avviare anche una prima serie di indagini sull’applicabilità dell’estensimetria ottica ed individuare soluzioni innovative per poter operare a temperature superiori a quelle dei prodotti commercialmente disponibili