Os autores revisaron unha e outra vez as especificacións de novos proxectos de enerxía, nos que os deseñadores de plantas adoitan escoller aceiro inoxidable 304 ou 316 para a tubaxe do condensador e do intercambiador de calor auxiliar. Para moitos, o termo aceiro inoxidable evoca unha aura de corrosión invencible, cando en realidade, os aceiros inoxidables ás veces poden ser a peor opción porque son susceptibles á corrosión localizada. E, nesta era de reducida dispoñibilidade de auga doce para a reposición da auga de refrixeración, xunto coas torres de refrixeración que funcionan a ciclos de alta concentración, os posibles mecanismos de falla do aceiro inoxidable magnificanse. Nalgunhas aplicacións, o aceiro inoxidable da serie 300 só sobrevivirá durante meses, ás veces só semanas, antes de fallar. Este artigo céntrase polo menos nas cuestións que se deben ter en conta ao elixir materiais para tubos de condensador desde unha perspectiva de tratamento de auga. Outros factores que non se tratan neste artigo pero que xogan un papel na selección do material inclúen a resistencia do material, as propiedades de transferencia de calor e a resistencia ás forzas mecánicas, incluída a fatiga e a corrosión por erosión.
Engadir un 12 % ou máis de cromo ao aceiro fai que a aliaxe forme unha capa continua de óxido que protexe o metal base que hai debaixo. De aí o termo aceiro inoxidable. En ausencia doutros materiais de aliaxe (especialmente níquel), o aceiro ao carbono forma parte do grupo das ferritas e a súa cela unitaria ten unha estrutura cúbica centrada no corpo (BCC).
Cando se engade níquel á mestura de aliaxe a unha concentración do 8 % ou superior, mesmo a temperatura ambiente, a cela existirá nunha estrutura cúbica centrada nas caras (FCC) chamada austenita.
Como se mostra na Táboa 1, os aceiros inoxidables da serie 300 e outros aceiros inoxidables teñen un contido de níquel que produce unha estrutura austenítica.
Os aceiros austeníticos demostraron ser moi valiosos en moitas aplicacións, incluíndo como material para tubos de sobrequentadores e requentadores de alta temperatura en caldeiras de enerxía. A serie 300, en particular, úsase a miúdo como material para tubos de intercambiadores de calor de baixa temperatura, incluídos os condensadores de superficie de vapor. Non obstante, é nestas aplicacións onde moitos pasan por alto os posibles mecanismos de fallo.
A principal dificultade co aceiro inoxidable, especialmente cos populares materiais 304 e 316, é que a capa protectora de óxido adoita ser destruída polas impurezas da auga de refrixeración e polas fendas e depósitos que axudan a concentrar as impurezas. Ademais, en condicións de parada, a auga estancada pode provocar o crecemento microbiano, cuxos subprodutos metabólicos poden ser moi prexudiciais para os metais.
Unha impureza común da auga de refrixeración, e unha das máis difíciles de eliminar economicamente, é o cloruro. Este ión pode causar moitos problemas nos xeradores de vapor, pero nos condensadores e intercambiadores de calor auxiliares, a principal dificultade é que os cloruros en concentracións suficientes poden penetrar e destruír a capa protectora de óxido do aceiro inoxidable, causando corrosión localizada, é dicir, picaduras.
A corrosión por picaduras é unha das formas de corrosión máis insidiosas porque pode causar penetracións nas paredes e fallos nos equipos con pouca perda de metal.
As concentracións de cloruro non teñen que ser moi altas para causar corrosión por picaduras no aceiro inoxidable 304 e 316, e para superficies limpas sen depósitos nin fendas, as concentracións máximas de cloruro recomendadas considéranse agora:
Varios factores poden producir facilmente concentracións de cloruro que superen estas directrices, tanto en xeral como en lugares localizados. Tornouse moi raro considerar primeiro a refrixeración dun só paso para as novas centrais eléctricas. A maioría están construídas con torres de refrixeración ou, nalgúns casos, condensadores arrefriados por aire (ACC). Para aqueles con torres de refrixeración, a concentración de impurezas nos cosméticos pode "ciclarse ascendente". Por exemplo, unha columna cunha concentración de cloruro na auga de reposición de 50 mg/l funciona con cinco ciclos de concentración e o contido de cloruro da auga circulante é de 250 mg/l. Isto por si só debería descartar xeralmente o aceiro inoxidable 304. Ademais, en plantas novas e existentes, hai unha necesidade crecente de substituír a auga doce para a recarga da planta. Unha alternativa común son as augas residuais municipais. A táboa 2 compara a análise dos catro subministros de auga doce cos catro subministros de augas residuais.
Teña coidado cos niveis elevados de cloruro (e outras impurezas, como o nitróxeno e o fósforo, que poden aumentar considerablemente a contaminación microbiana nos sistemas de refrixeración). Para practicamente todas as augas grises, calquera circulación na torre de refrixeración superará o límite de cloruro recomendado pola norma 316 SS.
A discusión anterior baséase no potencial de corrosión das superficies metálicas comúns. As fracturas e os sedimentos cambian drasticamente a historia, xa que ambos proporcionan lugares onde se poden concentrar as impurezas. Un lugar típico para as fendas mecánicas en condensadores e intercambiadores de calor similares son as unións de tubo a placa tubular. Os sedimentos dentro do tubo poden crear fendas no límite do sedimento e o propio sedimento pode servir como lugar para a contaminación. Ademais, debido a que o aceiro inoxidable depende dunha capa de óxido continua para a súa protección, os depósitos poden formar lugares pobres en osíxeno que converten a superficie de aceiro restante nun ánodo.
A discusión anterior describe cuestións que os deseñadores de plantas non adoitan ter en conta ao especificar materiais para tubos de condensadores e intercambiadores de calor auxiliares para novos proxectos. A mentalidade con respecto aos aceiros inoxidables 304 e 316 ás veces aínda parece ser "iso é o que sempre fixemos" sen considerar as consecuencias de tales accións. Hai materiais alternativos dispoñibles para manexar as condicións máis duras da auga de refrixeración ás que se enfrontan moitas plantas agora.
Antes de falar de metais alternativos, débese mencionar brevemente outro punto. En moitos casos, un aceiro inoxidable 316 ou mesmo un aceiro inoxidable 304 funcionaron ben durante o funcionamento normal, pero fallaron durante un corte de enerxía. Na maioría dos casos, o fallo débese a unha mala drenaxe do condensador ou do intercambiador de calor, o que provoca estancamento da auga nos tubos. Este ambiente proporciona as condicións ideais para o crecemento de microorganismos. As colonias microbianas, á súa vez, producen compostos corrosivos que corroen directamente o metal tubular.
Este mecanismo, coñecido como corrosión inducida microbianamente (MIC), é coñecido por destrúe as tubaxes de aceiro inoxidable e outros metais en cuestión de semanas. Se o intercambiador de calor non se pode drenar, débese considerar seriamente a posibilidade de facer circular auga periodicamente a través del e engadir biocida durante o proceso. (Para obter máis detalles sobre os procedementos de colocación axeitados, consulte D. Janikowski, “Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations”; celebrado do 4 ao 6 de xuño de 2019 en Champaign, Illinois. Presentado no 39.º Simposio de Química de Servizos Públicos Eléctricos).
Para os ambientes hostiles destacados anteriormente, así como para ambientes máis hostiles como a auga salobre ou a auga do mar, pódense usar metais alternativos para evitar as impurezas. Tres grupos de aliaxes demostraron o seu éxito: titanio comercialmente puro, aceiro inoxidable austenítico con molibdeno ao 6 % e aceiro inoxidable superferrítico. Estas aliaxes tamén son resistentes ao MIC. Aínda que o titanio se considera moi resistente á corrosión, a súa estrutura cristalina hexagonal compacta e o seu módulo de elasticidade extremadamente baixo fano susceptible a danos mecánicos. Esta aliaxe é a máis axeitada para novas instalacións con estruturas de soporte de tubos resistentes. Unha excelente alternativa é o aceiro inoxidable superferrítico Sea-Cure®. A composición deste material móstrase a continuación.
O aceiro ten un alto contido en cromo pero un baixo contido en níquel, polo que é un aceiro inoxidable ferrítico en lugar dun aceiro inoxidable austenítico. Debido ao seu baixo contido en níquel, custa moito menos que outras aliaxes. A alta resistencia e o módulo elástico de Sea-Cure permiten paredes máis delgadas que outros materiais, o que resulta nunha mellor transferencia de calor.
As propiedades melloradas destes metais móstranse na táboa "Número equivalente de resistencia á corrosión por picaduras" que, como o nome indica, é un procedemento de proba empregado para determinar a resistencia de varios metais á corrosión por picaduras.
Unha das preguntas máis frecuentes é «Cal é o contido máximo de cloruro que pode tolerar un determinado grao de aceiro inoxidable?». As respostas varían moito. Entre os factores inclúense o pH, a temperatura, a presenza e o tipo de fracturas e o potencial de especies biolóxicas activas. Engadiuse unha ferramenta no eixe dereito da Figura 5 para axudar con esta decisión. Baséase no pH neutro, auga corrente a 35 °C que se atopa habitualmente en moitas aplicacións de BOP e condensación (para evitar a formación de depósitos e a formación de gretas). Unha vez seleccionada unha aliaxe cunha composición química específica, pódese determinar o PREn e logo intersecalo coa barra axeitada. O nivel máximo de cloruro recomendado pódese determinar debuxando unha liña horizontal no eixe dereito. En xeral, se se vai considerar unha aliaxe para aplicacións en auga salobre ou de mar, debe ter unha CCT superior a 25 graos Celsius segundo a medida da proba G 48.
É evidente que as aliaxes superferríticas representadas por Sea-Cure® son xeralmente axeitadas mesmo para aplicacións en auga de mar. Hai outra vantaxe nestes materiais que cómpre salientar. Os problemas de corrosión do manganeso observáronse durante moitos anos nos aceiros inoxidables 304 e 316, mesmo en plantas ao longo do río Ohio. Recentemente, os intercambiadores de calor das plantas ao longo dos ríos Mississippi e Missouri foron atacados. A corrosión do manganeso tamén é un problema común nos sistemas de recheo de auga de pozos. O mecanismo de corrosión identificouse como a reacción do dióxido de manganeso (MnO2) cun biocida oxidante para xerar ácido clorhídrico baixo o depósito. O HCl é o que realmente ataca os metais. [WH Dickinson e RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; presentado na Conferencia Anual de Corrosión da NACE de 2002, Denver, CO.] Os aceiros ferríticos son resistentes a este mecanismo de corrosión.
A selección de materiais de maior calidade para os tubos do condensador e do intercambiador de calor segue sen substituír un control químico axeitado do tratamento da auga. Como o autor Buecker describiu nun artigo anterior sobre enxeñaría enerxética, é necesario un programa de tratamento químico axeitadamente deseñado e operado para minimizar o potencial de incrustacións, corrosión e ensuciamento. A química dos polímeros está a emerxer como unha poderosa alternativa á antiga química de fosfato/fosfonato para controlar a corrosión e a incrustación nos sistemas de torres de refrixeración. O control da contaminación microbiana foi e seguirá sendo un problema crítico. Aínda que a química oxidativa con cloro, lixivia ou compostos similares é a pedra angular do control microbiano, os tratamentos suplementarios a miúdo poden mellorar a eficiencia dos programas de tratamento. Un exemplo é a química de estabilización, que axuda a aumentar a taxa de liberación e a eficiencia dos biocidas oxidantes a base de cloro sen introducir ningún composto nocivo na auga. Ademais, a alimentación suplementaria con funxicidas non oxidantes pode ser moi beneficiosa para controlar o desenvolvemento microbiano. O resultado é que hai moitas maneiras de mellorar a sustentabilidade e a fiabilidade dos intercambiadores de calor das centrais eléctricas, pero cada sistema é diferente, polo que unha planificación coidadosa e a consulta con expertos da industria son importantes para a elección dos materiais e os procedementos químicos. Gran parte deste artigo está escrito a partir de Desde unha perspectiva de tratamento de augas, non participamos nas decisións sobre os materiais, pero pídesenos que axudemos a xestionar o impacto desas decisións unha vez que o equipo estea en funcionamento. A decisión final sobre a selección dos materiais debe ser tomada polo persoal da planta en función dunha serie de factores especificados para cada aplicación.
Sobre o autor: Brad Buecker é publicista técnico sénior en ChemTreat. Ten 36 anos de experiencia ou está afiliado á industria enerxética, gran parte dela en química de xeración de vapor, tratamento de auga, control da calidade do aire e en City Water, Light & Power (Springfield, IL) e Kansas City Power & Light Company ten a súa sede en La Cygne Station, Kansas. Tamén pasou dous anos como supervisor interino de augas/augas residuais nunha planta química. Buecker ten unha licenciatura en Química pola Universidade Estatal de Iowa con cursos adicionais en Mecánica de Fluídos, Equilibrio de Enerxía e Materiais e Química Inorgánica Avanzada.
Dan Janikowski é director técnico de Plymouth Tube. Durante 35 anos, dedicouse ao desenvolvemento de metais, á fabricación e ás probas de produtos tubulares, como aliaxes de cobre, aceiro inoxidable, aliaxes de níquel, titanio e aceiro ao carbono. Traballando en Plymouth Metro desde 2005, Janikowski ocupou varios postos de responsabilidade antes de converterse en director técnico en 2010.