La convocatòria internacional de continguts POWERGEN ja està oberta! Busquem ponents de les indústries de serveis públics i generació d'energia. Els temes inclouen la generació d'energia convencional i renovable, la transformació digital de les centrals elèctriques, l'emmagatzematge d'energia, les microxarxes, l'optimització de plantes, l'energia in situ i més.
Els autors han revisat repetidament les especificacions de nous projectes d'energia, en què els dissenyadors de plantes solen triar acer inoxidable 304 o 316 per als tubs del condensador i l'intercanviador de calor auxiliar. Per a molts, el terme acer inoxidable evoca una aura de corrosió invencible, quan en realitat, els acers inoxidables de vegades poden ser la pitjor opció perquè són susceptibles a la corrosió localitzada. I, en aquesta era de disponibilitat reduïda d'aigua dolça per a la composició de l'aigua de refrigeració, juntament amb les torres de refrigeració que funcionen a cicles d'alta concentració, els possibles mecanismes de fallada de l'acer inoxidable es magnifiquen. En algunes aplicacions, l'acer inoxidable de la sèrie 300 només sobreviurà durant mesos, de vegades només setmanes, abans de fallar. Aquest article se centra almenys en els problemes que s'han de tenir en compte a l'hora de triar materials per a tubs de condensador des d'una perspectiva de tractament d'aigua. Altres factors que no es discuteixen en aquest document però que tenen un paper en la selecció del material inclouen la resistència del material, les propietats de transferència de calor i la resistència a les forces mecàniques, inclosa la fatiga i la corrosió per erosió.
Afegir un 12% o més de crom a l'acer fa que l'aliatge formi una capa d'òxid contínua que protegeix el metall base que hi ha a sota. D'aquí el terme acer inoxidable. En absència d'altres materials d'aliatge (especialment níquel), l'acer al carboni forma part del grup de la ferrita i la seva cel·la unitària té una estructura cúbica centrada en el cos (BCC).
Quan s'afegeix níquel a la barreja d'aliatge a una concentració del 8% o superior, fins i tot a temperatura ambient, la cel·la existirà en una estructura cúbica centrada en les cares (FCC) anomenada austenita.
Com es mostra a la Taula 1, els acers inoxidables de la sèrie 300 i altres acers inoxidables tenen un contingut de níquel que produeix una estructura austenítica.
Els acers austenítics han demostrat ser molt valuosos en moltes aplicacions, incloent-hi com a material per a tubs de sobreescalfador i reescalfador d'alta temperatura en calderes de potència. La sèrie 300, en particular, s'utilitza sovint com a material per a tubs d'intercanviador de calor de baixa temperatura, inclosos els condensadors de superfície de vapor. Tanmateix, és en aquestes aplicacions on molts passen per alt els possibles mecanismes de fallada.
La principal dificultat amb l'acer inoxidable, especialment els populars materials 304 i 316, és que la capa d'òxid protectora sovint es destrueix per les impureses de l'aigua de refrigeració i per les esquerdes i dipòsits que ajuden a concentrar les impureses. A més, en condicions d'aturada, l'aigua estancada pot provocar un creixement microbià, els subproductes metabòlics del qual poden ser molt perjudicials per als metalls.
Una impuresa comuna de l'aigua de refrigeració, i una de les més difícils d'eliminar econòmicament, és el clorur. Aquest ió pot causar molts problemes en els generadors de vapor, però en els condensadors i intercanviadors de calor auxiliars, la principal dificultat és que els clorurs en concentracions suficients poden penetrar i destruir la capa d'òxid protectora de l'acer inoxidable, causant corrosió localitzada, és a dir, picadura.
La picadura és una de les formes de corrosió més insidioses, ja que pot causar penetracions a la paret i fallades en els equips amb poca pèrdua de metall.
Les concentracions de clorur no han de ser gaire elevades per causar corrosió per picadura en acer inoxidable 304 i 316, i per a superfícies netes sense dipòsits ni esquerdes, les concentracions màximes de clorur recomanades ara es consideren:
Diversos factors poden produir fàcilment concentracions de clorur que superin aquestes directrius, tant en general com en llocs localitzats. S'ha tornat molt rar considerar primer la refrigeració d'un sol ús per a les noves centrals elèctriques. La majoria estan construïdes amb torres de refrigeració o, en alguns casos, condensadors refrigerats per aire (ACC). Per a aquells que tenen torres de refrigeració, la concentració d'impureses en els cosmètics pot "ciclar a l'alça". Per exemple, una columna amb una concentració de clorur a l'aigua de reposició de 50 mg/l funciona amb cinc cicles de concentració i el contingut de clorur de l'aigua circulant és de 250 mg/l. Només això hauria de descartar generalment l'acer inoxidable 304. A més, en plantes noves i existents, hi ha una necessitat creixent de substituir l'aigua dolça per a la recàrrega de la planta. Una alternativa comuna són les aigües residuals municipals. La Taula 2 compara l'anàlisi dels quatre subministraments d'aigua dolça amb els quatre subministraments d'aigües residuals.
Aneu amb compte amb l'augment dels nivells de clorur (i altres impureses, com el nitrogen i el fòsfor, que poden augmentar considerablement la contaminació microbiana en els sistemes de refrigeració). Per a pràcticament totes les aigües grises, qualsevol circulació a la torre de refrigeració superarà el límit de clorur recomanat per la norma 316 SS.
La discussió anterior es basa en el potencial de corrosió de les superfícies metàl·liques comunes. Les fractures i els sediments canvien dràsticament la història, ja que ambdós proporcionen llocs on es poden concentrar les impureses. Una ubicació típica per a les esquerdes mecàniques en condensadors i intercanviadors de calor similars és a les unions de la làmina del tub a la làmina del tub. Els sediments dins del tub poden crear esquerdes al límit del sediment, i el sediment en si pot servir com a lloc de contaminació. A més, com que l'acer inoxidable depèn d'una capa d'òxid contínua per a la protecció, els dipòsits poden formar llocs pobres en oxigen que converteixen la superfície d'acer restant en un ànode.
La discussió anterior descriu qüestions que els dissenyadors de plantes normalment no tenen en compte a l'hora d'especificar materials per a tubs de condensador i intercanviador de calor auxiliar per a nous projectes. La mentalitat respecte a l'acer inoxidable 304 i 316 de vegades encara sembla ser "això és el que sempre hem fet" sense tenir en compte les conseqüències d'aquestes accions. Hi ha materials alternatius disponibles per gestionar les condicions més dures de l'aigua de refrigeració a les quals s'enfronten moltes plantes actualment.
Abans de parlar de metalls alternatius, cal esmentar breument un altre punt. En molts casos, un acer inoxidable 316 o fins i tot un acer inoxidable 304 van funcionar bé durant el funcionament normal, però van fallar durant una apagada elèctrica. En la majoria dels casos, la fallada es deu a un mal drenatge del condensador o intercanviador de calor que provoca aigua estancada als tubs. Aquest entorn proporciona les condicions ideals per al creixement de microorganismes. Les colònies microbianes, al seu torn, produeixen compostos corrosius que corroeixen directament el metall tubular.
Aquest mecanisme, conegut com a corrosió induïda microbianament (MIC), és conegut per destruir les canonades d'acer inoxidable i altres metalls en qüestió de setmanes. Si no es pot drenar l'intercanviador de calor, s'ha de tenir en compte seriosament la possibilitat de fer circular aigua periòdicament a través de l'intercanviador de calor i afegir biocida durant el procés. (Per a més detalls sobre els procediments de col·locació adequats, vegeu D. Janikowski, "Layering Up Condenser and BOP Exchangers - Considerations"; celebrat del 4 al 6 de juny de 2019 a Champaign, IL. Presentat al 39è Simposi de Química de Serveis Elèctrics.)
Per als entorns durs destacats anteriorment, així com per a entorns més durs com l'aigua salobre o l'aigua de mar, es poden utilitzar metalls alternatius per evitar impureses. Tres grups d'aliatges han demostrat ser eficaços: titani comercialment pur, acer inoxidable austenític amb un 6% de molibdè i acer inoxidable superferrític. Aquests aliatges també són resistents a la corrosió microcítica (MIC). Tot i que el titani es considera molt resistent a la corrosió, la seva estructura cristal·lina hexagonal compacta i el seu mòdul elàstic extremadament baix el fan susceptible a danys mecànics. Aquest aliatge és el més adequat per a noves instal·lacions amb estructures de suport de tubs resistents. Una alternativa excel·lent és l'acer inoxidable superferrític Sea-Cure®. La composició d'aquest material es mostra a continuació.
L'acer té un alt contingut de crom però un baix contingut de níquel, per la qual cosa és un acer inoxidable ferrític en lloc d'un acer inoxidable austenític. A causa del seu baix contingut de níquel, costa molt menys que altres aliatges. L'alta resistència i el mòdul elàstic de Sea-Cure permeten parets més primes que altres materials, la qual cosa resulta en una millor transferència de calor.
Les propietats millorades d'aquests metalls es mostren al gràfic "Nombre equivalent de resistència a la corrosió per picadura", que, com el seu nom indica, és un procediment de prova utilitzat per determinar la resistència de diversos metalls a la corrosió per picadura.
Una de les preguntes més freqüents és "Quin és el contingut màxim de clorur que pot tolerar un grau concret d'acer inoxidable?". Les respostes varien molt. Els factors inclouen el pH, la temperatura, la presència i el tipus de fractures i el potencial d'espècies biològiques actives. S'ha afegit una eina a l'eix dret de la Figura 5 per ajudar en aquesta decisió. Es basa en un pH neutre, aigua que flueix a 35 °C que es troba habitualment en moltes aplicacions de BOP i condensació (per evitar la formació de dipòsits i la formació d'esquerdes). Un cop seleccionat un aliatge amb una composició química específica, es pot determinar el PREn i després intersectar-lo amb la barra adequada. El nivell màxim de clorur recomanat es pot determinar dibuixant una línia horitzontal a l'eix dret. En general, si es vol considerar un aliatge per a aplicacions d'aigua salobre o marina, ha de tenir una CCT superior a 25 graus Celsius, mesurada per la prova G 48.
És evident que els aliatges superferrítics representats per Sea-Cure® són generalment adequats fins i tot per a aplicacions d'aigua de mar. Hi ha un altre avantatge d'aquests materials que cal destacar. S'han observat problemes de corrosió del manganès per a l'acer inoxidable 304 i 316 durant molts anys, fins i tot a les plantes del riu Ohio. Recentment, els intercanviadors de calor de les plantes dels rius Mississippi i Missouri han estat atacats. La corrosió del manganès també és un problema comú en els sistemes de reposició d'aigua de pou. El mecanisme de corrosió s'ha identificat com la reacció del diòxid de manganès (MnO2) amb un biocida oxidant per generar àcid clorhídric sota el dipòsit. El HCl és el que realment ataca els metalls. [WH Dickinson i RW Pick, "Corrosió dependent del manganès a la indústria de l'energia elèctrica"; presentat a la Conferència Anual de Corrosió de la NACE de 2002, Denver, CO.] Els acers ferrítics són resistents a aquest mecanisme de corrosió.
Seleccionar materials de més qualitat per als tubs del condensador i l'intercanviador de calor encara no substitueix un control químic adequat del tractament de l'aigua. Tal com ha descrit l'autor Buecker en un article anterior sobre enginyeria energètica, cal un programa de tractament químic correctament dissenyat i operat per minimitzar el potencial d'incrustació, corrosió i incrustació. La química dels polímers està emergint com una alternativa potent a la química més antiga de fosfat/fosfonat per controlar la corrosió i l'incrustació en els sistemes de torres de refrigeració. El control de la contaminació microbiana ha estat i continuarà sent un problema crític. Si bé la química oxidativa amb clor, lleixiu o compostos similars és la pedra angular del control microbià, els tractaments suplementaris sovint poden millorar l'eficiència dels programes de tractament. Un exemple és la química d'estabilització, que ajuda a augmentar la taxa d'alliberament i l'eficiència dels biocides oxidants a base de clor sense introduir cap compost nociu a l'aigua. A més, l'alimentació suplementària amb fungicides no oxidants pot ser molt beneficiosa per controlar el desenvolupament microbià. El resultat és que hi ha moltes maneres de millorar la sostenibilitat i la fiabilitat dels intercanviadors de calor de les centrals elèctriques, però cada sistema és diferent, per la qual cosa és important una planificació acurada i la consulta amb experts de la indústria per a l'elecció de materials i procediments químics. Gran part d'aquest article està escrit a partir de Des d'una perspectiva de tractament d'aigua, no participem en les decisions sobre materials, però se'ns demana que ajudem a gestionar l'impacte d'aquestes decisions un cop l'equip estigui en funcionament. La decisió final sobre la selecció de materials l'ha de prendre el personal de la planta en funció d'una sèrie de factors especificats per a cada aplicació.
Sobre l'autor: Brad Buecker és publicista tècnic sènior a ChemTreat. Té 36 anys d'experiència o hi està afiliat, principalment en química de generació de vapor, tractament d'aigua, control de la qualitat de l'aire i a City Water, Light & Power (Springfield, IL) i Kansas City Power & Light Company, ubicada a La Cygne Station, Kansas. També va passar dos anys com a supervisor interí d'aigua/aigües residuals en una planta química. Buecker és llicenciat en Química per la Universitat Estatal d'Iowa amb cursos addicionals de Mecànica de Fluids, Equilibri d'Energia i Materials i Química Inorgànica Avançada.
Dan Janikowski és el director tècnic de Plymouth Tube. Durant 35 anys, ha participat en el desenvolupament de metalls, la fabricació i les proves de productes tubulars, incloent-hi aliatges de coure, acer inoxidable, aliatges de níquel, titani i acer al carboni. Treballant a Plymouth Metro des del 2005, Janikowski va ocupar diversos càrrecs directius abans de convertir-se en director tècnic el 2010.