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Los autores han revisado repetidamente las especificaciones de nuevos proyectos de energía, en las que los diseñadores de plantas suelen elegir acero inoxidable 304 o 316 para los tubos del condensador y del intercambiador de calor auxiliar. Para muchos, el término acero inoxidable evoca una imagen de corrosión invencible, cuando en realidad, los aceros inoxidables a veces pueden ser la peor opción porque son susceptibles a la corrosión localizada. Además, en esta era de menor disponibilidad de agua dulce para el suministro de agua de refrigeración, junto con torres de refrigeración que operan en ciclos de alta concentración, los posibles mecanismos de falla del acero inoxidable se magnifican. En algunas aplicaciones, el acero inoxidable de la serie 300 solo dura unos meses, a veces solo semanas, antes de fallar. Este artículo se centra al menos en los aspectos que deben considerarse al elegir los materiales de los tubos del condensador desde la perspectiva del tratamiento del agua. Otros factores no tratados en este documento, pero que influyen en la selección del material, incluyen la resistencia del material, las propiedades de transferencia de calor y la resistencia a las fuerzas mecánicas, incluyendo la fatiga y la corrosión por erosión.
La adición de un 12 % o más de cromo al acero provoca que la aleación forme una capa de óxido continua que protege el metal base subyacente. De ahí el término acero inoxidable. En ausencia de otros materiales de aleación (especialmente níquel), el acero al carbono forma parte del grupo de las ferritas, y su celda unitaria tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC).
Cuando se añade níquel a la mezcla de aleación en una concentración del 8% o superior, incluso a temperatura ambiente, la célula presentará una estructura cúbica centrada en las caras (FCC, por sus siglas en inglés) denominada austenita.
Como se muestra en la Tabla 1, los aceros inoxidables de la serie 300 y otros aceros inoxidables tienen un contenido de níquel que produce una estructura austenítica.
Los aceros austeníticos han demostrado ser muy valiosos en numerosas aplicaciones, incluyendo su uso como material para tubos de sobrecalentadores y recalentadores de alta temperatura en calderas de potencia. La serie 300, en particular, se utiliza a menudo como material para tubos de intercambiadores de calor de baja temperatura, incluyendo condensadores de superficie de vapor. Sin embargo, es precisamente en estas aplicaciones donde muchos pasan por alto los posibles mecanismos de fallo.
La principal dificultad con el acero inoxidable, especialmente con los populares materiales 304 y 316, es que la capa protectora de óxido suele destruirse por las impurezas del agua de refrigeración y por las grietas y depósitos que ayudan a concentrar dichas impurezas. Además, en condiciones de parada, el agua estancada puede provocar el crecimiento de microorganismos, cuyos subproductos metabólicos pueden ser muy dañinos para los metales.
Una impureza común en el agua de refrigeración, y una de las más difíciles de eliminar económicamente, es el cloruro. Este ion puede causar muchos problemas en los generadores de vapor, pero en los condensadores y los intercambiadores de calor auxiliares, la principal dificultad radica en que los cloruros en concentraciones suficientes pueden penetrar y destruir la capa protectora de óxido del acero inoxidable, provocando corrosión localizada, es decir, picaduras.
La corrosión por picaduras es una de las formas más insidiosas de corrosión, ya que puede provocar perforaciones en las paredes y fallos en los equipos con poca pérdida de metal.
Las concentraciones de cloruro no tienen que ser muy altas para causar corrosión por picaduras en el acero inoxidable 304 y 316, y para superficies limpias sin depósitos ni grietas, las concentraciones máximas de cloruro recomendadas ahora se consideran las siguientes:
Varios factores pueden producir fácilmente concentraciones de cloruro que superen estas directrices, tanto en general como en ubicaciones localizadas. Se ha vuelto muy raro considerar primero el enfriamiento de paso único para las nuevas centrales eléctricas. La mayoría se construyen con torres de enfriamiento o, en algunos casos, condensadores enfriados por aire (ACC). Para aquellos con torres de enfriamiento, la concentración de impurezas en cosméticos puede "aumentar cíclicamente". Por ejemplo, una columna con una concentración de cloruro en el agua de reposición de 50 mg/l opera con cinco ciclos de concentración, y el contenido de cloruro del agua circulante es de 250 mg/l. Esto por sí solo debería generalmente descartar el 304 SS. Además, en las plantas nuevas y existentes, hay una necesidad creciente de reemplazar el agua dulce para la recarga de la planta. Una alternativa común son las aguas residuales municipales. La Tabla 2 compara el análisis de los cuatro suministros de agua dulce con los cuatro suministros de aguas residuales.
Tenga cuidado con el aumento de los niveles de cloruro (y otras impurezas, como nitrógeno y fósforo, que pueden aumentar considerablemente la contaminación microbiana en los sistemas de refrigeración). En prácticamente todas las aguas grises, cualquier circulación en la torre de refrigeración superará el límite de cloruro recomendado por el acero inoxidable 316.
La discusión anterior se basa en el potencial de corrosión de las superficies metálicas comunes. Las fracturas y los sedimentos cambian drásticamente la situación, ya que ambos proporcionan lugares donde las impurezas pueden concentrarse. Un lugar típico para las grietas mecánicas en condensadores e intercambiadores de calor similares son las uniones entre el tubo y la placa tubular. Los sedimentos dentro del tubo pueden crear grietas en el límite de sedimentos, y los sedimentos mismos pueden servir como un sitio de contaminación. Además, debido a que el acero inoxidable depende de una capa continua de óxido para su protección, los depósitos pueden formar sitios con bajo contenido de oxígeno que convierten la superficie de acero restante en un ánodo.
El análisis anterior describe cuestiones que los diseñadores de plantas normalmente no consideran al especificar los materiales de los tubos del condensador y del intercambiador de calor auxiliar para nuevos proyectos. La mentalidad con respecto al acero inoxidable 304 y 316 a veces parece ser "eso es lo que siempre hemos hecho", sin considerar las consecuencias de tales acciones. Existen materiales alternativos disponibles para soportar las condiciones más severas del agua de refrigeración a las que se enfrentan muchas plantas actualmente.
Antes de hablar de metales alternativos, conviene mencionar brevemente otro punto. En muchos casos, un acero inoxidable 316 o incluso un acero inoxidable 304 funcionaron bien durante el funcionamiento normal, pero fallaron durante un corte de energía. En la mayoría de los casos, la falla se debe a un drenaje deficiente del condensador o del intercambiador de calor, lo que provoca el estancamiento del agua en los tubos. Este entorno proporciona las condiciones ideales para el crecimiento de microorganismos. A su vez, las colonias microbianas producen compuestos corrosivos que corroen directamente el metal tubular.
Este mecanismo, conocido como corrosión inducida por microorganismos (MIC), destruye tuberías de acero inoxidable y otros metales en cuestión de semanas. Si no es posible drenar el intercambiador de calor, se debe considerar seriamente la posibilidad de hacer circular agua periódicamente a través del mismo y añadir un biocida durante el proceso. (Para obtener más información sobre los procedimientos adecuados de almacenamiento, consulte D. Janikowski, “Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations”; presentado del 4 al 6 de junio de 2019 en Champaign, IL, en el 39.º Simposio de Química de Empresas Eléctricas).
Para los entornos adversos mencionados anteriormente, así como para entornos aún más adversos como el agua salobre o el agua de mar, se pueden utilizar metales alternativos para evitar la entrada de impurezas. Tres grupos de aleaciones han demostrado ser eficaces: titanio comercialmente puro, acero inoxidable austenítico con un 6 % de molibdeno y acero inoxidable superferrítico. Estas aleaciones también son resistentes a la corrosión inducida por microorganismos (MIC). Si bien el titanio se considera muy resistente a la corrosión, su estructura cristalina hexagonal compacta y su módulo elástico extremadamente bajo lo hacen susceptible a daños mecánicos. Esta aleación es la más adecuada para nuevas instalaciones con estructuras de soporte de tubos robustas. Una excelente alternativa es el acero inoxidable superferrítico Sea-Cure®. La composición de este material se muestra a continuación.
Este acero tiene un alto contenido de cromo pero bajo contenido de níquel, por lo que se trata de un acero inoxidable ferrítico en lugar de un acero inoxidable austenítico. Debido a su bajo contenido de níquel, cuesta mucho menos que otras aleaciones. La alta resistencia y el módulo elástico de Sea-Cure permiten paredes más delgadas que con otros materiales, lo que resulta en una mejor transferencia de calor.
Las propiedades mejoradas de estos metales se muestran en la tabla "Número Equivalente de Resistencia a la Corrosión por Picaduras", que, como su nombre indica, es un procedimiento de prueba utilizado para determinar la resistencia de varios metales a la corrosión por picaduras.
Una de las preguntas más comunes es "¿Cuál es el contenido máximo de cloruro que puede tolerar un grado particular de acero inoxidable?" Las respuestas varían ampliamente. Los factores incluyen pH, temperatura, presencia y tipo de fracturas, y el potencial de especies biológicas activas. Se ha agregado una herramienta en el eje derecho de la Figura 5 para ayudar con esta decisión. Se basa en agua corriente de pH neutro a 35 °C, que se encuentra comúnmente en muchas aplicaciones de BOP y condensación (para prevenir la formación de depósitos y grietas). Una vez que se ha seleccionado una aleación con una composición química específica, se puede determinar el PREn y luego intersectar con la barra correspondiente. El nivel máximo de cloruro recomendado se puede determinar dibujando una línea horizontal en el eje derecho. En general, si se va a considerar una aleación para aplicaciones en agua salobre o de mar, debe tener una CCT superior a 25 grados Celsius según lo medido por la prueba G 48.
Es evidente que las aleaciones superferríticas representadas por Sea-Cure® son generalmente adecuadas incluso para aplicaciones en agua de mar. Hay otro beneficio de estos materiales que debe enfatizarse. Se han observado problemas de corrosión por manganeso en aceros inoxidables 304 y 316 durante muchos años, incluso en plantas a lo largo del río Ohio. Recientemente, los intercambiadores de calor en plantas a lo largo de los ríos Mississippi y Missouri han sido atacados. La corrosión por manganeso también es un problema común en los sistemas de suministro de agua de pozo. El mecanismo de corrosión se ha identificado como dióxido de manganeso (MnO2) que reacciona con un biocida oxidante para generar ácido clorhídrico debajo del depósito. El HCl es lo que realmente ataca los metales. [WH Dickinson y RW Pick, "Corrosión dependiente del manganeso en la industria de la energía eléctrica"; presentado en la Conferencia Anual de Corrosión de NACE de 2002, Denver, CO.] Los aceros ferríticos son resistentes a este mecanismo de corrosión.
Seleccionar materiales de mayor calidad para los tubos del condensador y del intercambiador de calor no sustituye el control adecuado de la química del tratamiento del agua. Como el autor Buecker ha señalado en un artículo anterior sobre ingeniería de potencia, un programa de tratamiento químico diseñado y operado correctamente es necesario para minimizar el potencial de incrustaciones, corrosión y ensuciamiento. La química de polímeros está emergiendo como una alternativa poderosa a la química de fosfatos/fosfonatos más antigua para controlar la corrosión y las incrustaciones en los sistemas de torres de refrigeración. El control de la contaminación microbiana ha sido y seguirá siendo un problema crítico. Si bien la química oxidativa con cloro, lejía o compuestos similares es la piedra angular del control microbiano, los tratamientos suplementarios a menudo pueden mejorar la eficiencia de los programas de tratamiento. Un ejemplo de ello es la química de estabilización, que ayuda a aumentar la tasa de liberación y la eficiencia de los biocidas oxidantes a base de cloro sin introducir compuestos dañinos en el agua. Además, la alimentación suplementaria con fungicidas no oxidantes puede ser muy beneficiosa para controlar el desarrollo microbiano. El resultado es que hay muchas maneras de mejorar la sostenibilidad y la fiabilidad de los intercambiadores de calor de las centrales eléctricas, pero cada sistema es diferente, por lo que una planificación cuidadosa y la consulta con La opinión de expertos del sector es fundamental para la elección de materiales y procedimientos químicos. Gran parte de este artículo está escrito desde la perspectiva del tratamiento de agua; no participamos en las decisiones sobre materiales, pero se nos solicita que ayudemos a gestionar el impacto de dichas decisiones una vez que el equipo esté en funcionamiento. La decisión final sobre la selección de materiales debe ser tomada por el personal de la planta en función de una serie de factores específicos para cada aplicación.
Acerca del autor: Brad Buecker es publicista técnico sénior en ChemTreat. Cuenta con 36 años de experiencia en la industria energética o relacionada con ella, gran parte de ella en química de generación de vapor, tratamiento de agua, control de calidad del aire y en City Water, Light & Power (Springfield, IL) y Kansas City Power & Light Company, ubicada en la estación La Cygne, Kansas. También trabajó dos años como supervisor interino de agua/aguas residuales en una planta química. Buecker es licenciado en Química por la Universidad Estatal de Iowa, con cursos adicionales en Mecánica de Fluidos, Equilibrio de Energía y Materiales y Química Inorgánica Avanzada.
Dan Janikowski es director técnico en Plymouth Tube. Durante 35 años, ha participado en el desarrollo de metales, la fabricación y las pruebas de productos tubulares, incluyendo aleaciones de cobre, acero inoxidable, aleaciones de níquel, titanio y acero al carbono. Janikowski, que trabaja en Plymouth Metro desde 2005, ocupó varios puestos de responsabilidad antes de convertirse en director técnico en 2010.