Los autores han revisado nuevas especificaciones de proyectos de energía una y otra vez, en las que los diseñadores de plantas generalmente eligen acero inoxidable 304 o 316 para los tubos del condensador y del intercambiador de calor auxiliar. Para muchos, el término acero inoxidable evoca un aura de corrosión invencible, cuando de hecho, los aceros inoxidables a veces pueden ser la peor opción porque son susceptibles a la corrosión localizada. Y, en esta era de menor disponibilidad de agua dulce para la reposición de agua de enfriamiento, junto con torres de enfriamiento 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 sobrevivirá durante meses, a veces solo semanas, antes de fallar. Este artículo se centra al menos en los problemas que se deben considerar al elegir materiales para tubos de condensadores desde una perspectiva de tratamiento de agua. Otros factores no discutidos en este documento, pero que juegan un papel en la selección del material, incluyen la resistencia del material, las propiedades de transferencia de calor y la resistencia a las fuerzas mecánicas, incluida la fatiga y la corrosión por erosión.
La adición de un 12% o más de cromo al acero hace que la aleación forme una capa de óxido continua que protege el metal base que se encuentra debajo, de ahí el término acero inoxidable. En ausencia de otros materiales de aleación (especialmente níquel), el acero al carbono es parte del grupo de la ferrita y su celda unitaria tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC).
Cuando se agrega níquel a la mezcla de aleación en una concentración del 8% o más, la celda existirá en una estructura cúbica centrada en la cara (FCC) llamada austenita, incluso a temperatura ambiente.
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 muchas aplicaciones, incluso como material para tubos de sobrecalentadores y recalentadores de alta temperatura en calderas de energía. La serie 300, en particular, se utiliza a menudo como material para tubos de intercambiadores de calor de baja temperatura, incluidos los condensadores de superficie de vapor. Sin embargo, es en estas aplicaciones donde muchos pasan por alto los posibles mecanismos de falla.
La principal dificultad con el acero inoxidable, especialmente los populares materiales 304 y 316, es que la capa protectora de óxido a menudo se destruye por las impurezas en el agua de enfriamiento y por grietas y depósitos que ayudan a concentrar las impurezas. Además, en condiciones de apagado, el agua estancada puede provocar el crecimiento microbiano, 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 e intercambiadores de calor auxiliares, la principal dificultad es que los cloruros en concentraciones suficientes pueden penetrar y destruir la capa protectora de óxido del acero inoxidable, causando corrosión localizada, es decir, picaduras.
Las picaduras son una de las formas más insidiosas de corrosión porque pueden provocar penetraciones en las paredes y fallas en los equipos con poca pérdida de metal.
Las concentraciones de cloruro no tienen que ser muy altas para causar corrosión por picaduras en acero inoxidable 304 y 316, y para superficies limpias sin depósitos ni grietas, las concentraciones máximas de cloruro recomendadas ahora se consideran:
Varios factores pueden producir fácilmente concentraciones de cloruro que excedan estas pautas, tanto en general como en ubicaciones localizadas. Se ha vuelto muy poco común considerar primero el enfriamiento de paso único para nuevas plantas de energía. 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 los cosméticos puede "ciclarse". Por ejemplo, una columna con una concentración de cloruro de 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 descartar generalmente el acero inoxidable 304. Además, en plantas nuevas y existentes, existe una creciente necesidad 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 los niveles elevados de cloruro (y otras impurezas, como nitrógeno y fósforo, que pueden aumentar en gran medida la contaminación microbiana en los sistemas de enfriamiento). Para prácticamente toda el agua gris, cualquier circulación en la torre de enfriamiento superará el límite de cloruro recomendado por 316 SS.
La discusión anterior se basa en el potencial de corrosión de las superficies metálicas comunes. Las fracturas y los sedimentos cambian drásticamente la historia, ya que ambos proporcionan lugares donde las impurezas pueden concentrarse. Una ubicación típica de las grietas mecánicas en los condensadores e intercambiadores de calor similares es en las uniones de las placas de tubos a tubos. Los sedimentos dentro del tubo pueden crear grietas en el límite del sedimento, y el sedimento en sí mismo puede 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 pobres en oxígeno que convierten la superficie restante del acero en un ánodo.
El debate anterior describe cuestiones que los diseñadores de plantas normalmente no tienen en cuenta al especificar materiales para tubos de condensadores e intercambiadores de calor auxiliares para proyectos nuevos. La mentalidad con respecto a los aceros inoxidables 304 y 316 a veces todavía parece ser "eso es lo que siempre hemos hecho" sin considerar las consecuencias de tales acciones. Hay materiales alternativos disponibles para manejar las condiciones más severas del agua de enfriamiento que enfrentan actualmente muchas plantas.
Antes de analizar los metales alternativos, es necesario señalar 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 agua estancada en los tubos. Este entorno proporciona las condiciones ideales para el crecimiento de microorganismos. Las colonias microbianas, a su vez, producen compuestos corrosivos que corroen directamente el metal tubular.
Se sabe que este mecanismo, conocido como corrosión inducida por microbios (MIC), destruye las tuberías de acero inoxidable y otros metales en cuestión de semanas. Si no se puede drenar el intercambiador de calor, se debe considerar seriamente la circulación periódica de agua a través del intercambiador de calor y la adición de biocida durante el proceso. (Para obtener más detalles sobre los procedimientos adecuados de almacenamiento, consulte D. Janikowski, "Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations"; celebrado del 4 al 6 de junio de 2019 en Champaign, IL. Presentado en el 39.º Simposio de Química de Servicios Públicos Eléctricos).
Para los entornos hostiles destacados anteriormente, así como entornos más hostiles como agua salobre o agua de mar, se pueden utilizar metales alternativos para protegerse de las impurezas. Tres grupos de aleaciones han demostrado ser exitosos: titanio comercialmente puro, acero inoxidable austenítico con 6% de molibdeno y acero inoxidable superferrítico. Estas aleaciones también son resistentes a MIC. Aunque 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 fuertes estructuras de soporte de tubos. Una excelente alternativa es el acero inoxidable superferrítico Sea-Cure®. La composición de este material se muestra a continuación.
El acero tiene un alto contenido de cromo pero un bajo contenido de níquel, por lo que es 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 otros materiales, lo que resulta en una mejor transferencia de calor.
Las propiedades mejoradas de estos metales se muestran en la tabla de “Número equivalente de resistencia a las picaduras”, que, como sugiere su nombre, es un procedimiento de prueba utilizado para determinar la resistencia de varios metales a la corrosión por picaduras.
Una de las preguntas más frecuentes es "¿Cuál es el contenido máximo de cloruro que un grado particular de acero inoxidable puede tolerar?". Las respuestas varían ampliamente. Los factores incluyen pH, temperatura, presencia y tipo de fracturas, y el potencial de especies biológicas activas. Se ha añadido una herramienta en el eje derecho de la Figura 5 para ayudar con esta decisión. Se basa en pH neutro, agua corriente a 35 °C que se encuentra comúnmente en muchas aplicaciones de BOP y condensación (para evitar la formación de depósitos y grietas). Una vez que se ha seleccionado una aleación con una composición química específica, se puede determinar PREn y luego intersecar con la barra apropiada. 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 un CCT superior a 25 grados Celsius medido por la prueba G 48.
Es evidente que las aleaciones superferríticas de Sea-Cure® son generalmente aptas incluso para aplicaciones en agua de mar. Cabe destacar otra ventaja de estos materiales: 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, se han visto afectados los intercambiadores de calor de las plantas a lo largo de los ríos Misisipi y Misuri. La corrosión por manganeso también es un problema común en los sistemas de reposición de agua de pozo. El mecanismo de corrosión se ha identificado como la reacción del dióxido de manganeso (MnO₂) con un biocida oxidante para generar ácido clorhídrico bajo el depósito. El HCl es el que realmente ataca a los metales. [WH Dickinson y RW Pick, "Corrosión dependiente del manganeso en la industria eléctrica"; presentado en la Conferencia Anual de Corrosión de la NACE de 2002, Denver, Colorado]. Los aceros ferríticos son resistentes a este mecanismo de corrosión.
La selección de materiales de mayor calidad para los tubos de condensadores e intercambiadores de calor aún no sustituye un control químico adecuado en el tratamiento del agua. Como el autor Buecker señaló en un artículo anterior sobre ingeniería energética, es necesario un programa de tratamiento químico correctamente diseñado y operado para minimizar el riesgo de incrustaciones, corrosión e incrustaciones. La química de polímeros se perfila como una potente alternativa a la antigua química de fosfato/fosfonato 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 fundamental para el control microbiano, los tratamientos complementarios 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 nocivos en el agua. Además, la alimentación complementaria con fungicidas no oxidantes puede ser muy beneficiosa para controlar el desarrollo microbiano. En consecuencia, existen 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 es fundamental una planificación cuidadosa. y la consulta con expertos de la industria es importante para la elección de materiales y procedimientos químicos. Gran parte de este artículo está escrito desde una perspectiva de tratamiento de agua, no estamos involucrados en decisiones sobre materiales, pero se nos pide que ayudemos a gestionar el impacto de esas decisiones una vez que el equipo esté en funcionamiento. La decisión final sobre la selección del material debe ser tomada por el personal de la planta basándose en una cantidad de factores especificados para cada aplicación.
Acerca del autor: Brad Buecker es publicista técnico sénior en ChemTreat. Tiene 36 años de experiencia en o afiliado a la industria energética, 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 está ubicada en la estación La Cygne, Kansas. También pasó dos años como supervisor interino de agua/aguas residuales en una planta química. Buecker tiene una licenciatura en química de la Universidad Estatal de Iowa con cursos adicionales en mecánica de fluidos, energía y equilibrio de materiales y química inorgánica avanzada.
Dan Janikowski es Gerente Técnico en Plymouth Tube. Durante 35 años, ha estado involucrado en el desarrollo de metales, la fabricación y prueba de productos tubulares, incluyendo aleaciones de cobre, acero inoxidable, aleaciones de níquel, titanio y acero al carbono. Habiendo estado en Plymouth Metro desde 2005, Janikowski ocupó varios puestos de alto nivel antes de convertirse en Gerente Técnico en 2010.