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Gli autori hanno esaminato più volte le specifiche di nuovi progetti di centrali elettriche, in cui i progettisti di impianti scelgono tipicamente l'acciaio inossidabile 304 o 316 per i tubi dei condensatori e degli scambiatori di calore ausiliari. Per molti, il termine acciaio inossidabile evoca un'aura di invincibilità alla corrosione, quando in realtà, gli acciai inossidabili possono talvolta rivelarsi la scelta peggiore perché suscettibili alla corrosione localizzata. Inoltre, in quest'epoca di ridotta disponibilità di acqua dolce per il reintegro dell'acqua di raffreddamento, unita al funzionamento delle torri di raffreddamento con cicli ad alta concentrazione, i potenziali meccanismi di cedimento dell'acciaio inossidabile sono amplificati. In alcune applicazioni, l'acciaio inossidabile della serie 300 resiste solo per mesi, a volte solo per settimane, prima di cedere. Questo articolo si concentra almeno sulle problematiche da considerare nella scelta dei materiali per i tubi del condensatore dal punto di vista del trattamento delle acque. Altri fattori non trattati in questo documento, ma che giocano un ruolo nella selezione del materiale, includono la resistenza del materiale, le proprietà di trasferimento del calore e la resistenza alle forze meccaniche, tra cui la fatica e la corrosione da erosione.
L'aggiunta del 12% o più di cromo all'acciaio fa sì che la lega formi uno strato continuo di ossido che protegge il metallo di base sottostante. Da qui il termine acciaio inossidabile. In assenza di altri materiali di lega (in particolare nichel), l'acciaio al carbonio fa parte del gruppo delle ferriti e la sua cella unitaria ha una struttura cubica a corpo centrato (BCC).
Quando il nichel viene aggiunto alla miscela di lega in una concentrazione pari o superiore all'8%, anche a temperatura ambiente, la cella si troverà in una struttura cubica a facce centrate (FCC) chiamata austenite.
Come mostrato nella Tabella 1, gli acciai inossidabili della serie 300 e altri acciai inossidabili hanno un contenuto di nichel che produce una struttura austenitica.
Gli acciai austenitici si sono dimostrati molto preziosi in numerose applicazioni, tra cui come materiale per tubi di surriscaldatori e risurriscaldatori ad alta temperatura nelle caldaie per centrali elettriche. La serie 300, in particolare, è spesso utilizzata per tubi di scambiatori di calore a bassa temperatura, compresi i condensatori a superficie di vapore. Tuttavia, è proprio in queste applicazioni che molti trascurano i potenziali meccanismi di guasto.
La principale difficoltà con l'acciaio inossidabile, soprattutto con i materiali più diffusi come il 304 e il 316, è che lo strato protettivo di ossido viene spesso distrutto dalle impurità presenti nell'acqua di raffreddamento e da fessure e depositi che contribuiscono a concentrare tali impurità. Inoltre, in condizioni di arresto, l'acqua stagnante può favorire la proliferazione microbica, i cui sottoprodotti metabolici possono essere altamente dannosi per i metalli.
Un'impurità comune nell'acqua di raffreddamento, e una delle più difficili da rimuovere economicamente, è il cloruro. Questo ione può causare molti problemi nei generatori di vapore, ma nei condensatori e negli scambiatori di calore ausiliari la difficoltà principale è che i cloruri, in concentrazioni sufficienti, possono penetrare e distruggere lo strato protettivo di ossido sull'acciaio inossidabile, causando corrosione localizzata, ovvero vaiolatura.
La corrosione per vaiolatura è una delle forme di corrosione più insidiose perché può causare perforazioni nelle pareti e guasti alle apparecchiature con una minima perdita di metallo.
Non è necessario che le concentrazioni di cloruri siano molto elevate per causare corrosione per vaiolatura nell'acciaio inossidabile 304 e 316 e, per superfici pulite prive di depositi o fessure, le concentrazioni massime di cloruri raccomandate sono ora considerate le seguenti:
Diversi fattori possono facilmente produrre concentrazioni di cloruro che superano questi limiti, sia in generale che in aree localizzate. È diventato molto raro considerare inizialmente il raffreddamento a ciclo aperto per le nuove centrali elettriche. La maggior parte è costruita con torri di raffreddamento o, in alcuni casi, con condensatori raffreddati ad aria (ACC). Per quelle con torri di raffreddamento, la concentrazione di impurità nei cosmetici può "aumentare ciclicamente". Ad esempio, una colonna con una concentrazione di cloruro nell'acqua di reintegro di 50 mg/l opera con cinque cicli di concentrazione e il contenuto di cloruro nell'acqua di circolazione è di 250 mg/l. Questo da solo dovrebbe generalmente escludere l'acciaio inossidabile 304. Inoltre, negli impianti nuovi ed esistenti, c'è una crescente necessità di sostituire l'acqua dolce per la ricarica dell'impianto. Un'alternativa comune è rappresentata dalle acque reflue urbane. La Tabella 2 confronta l'analisi delle quattro fonti di approvvigionamento di acqua dolce con le quattro fonti di approvvigionamento di acque reflue.
Attenzione all'aumento dei livelli di cloruri (e di altre impurità, come azoto e fosforo, che possono aumentare notevolmente la contaminazione microbica nei sistemi di raffreddamento). Per praticamente tutte le acque grigie, qualsiasi circolazione nella torre di raffreddamento supererà il limite di cloruri raccomandato dalla norma 316 SS.
La discussione precedente si basa sul potenziale di corrosione delle comuni superfici metalliche. Fratture e sedimenti cambiano radicalmente la situazione, poiché entrambi forniscono punti in cui le impurità possono concentrarsi. Un punto tipico per le cricche meccaniche nei condensatori e in scambiatori di calore simili è in corrispondenza delle giunzioni tra i tubi e le piastre tubiere. I sedimenti all'interno del tubo possono creare cricche al confine tra i sedimenti stessi, e i sedimenti possono fungere da sito di contaminazione. Inoltre, poiché l'acciaio inossidabile si affida a uno strato continuo di ossido per la protezione, i depositi possono formare zone povere di ossigeno che trasformano la restante superficie dell'acciaio in un anodo.
La discussione di cui sopra illustra le problematiche che i progettisti di impianti in genere non prendono in considerazione quando specificano i materiali dei tubi dei condensatori e degli scambiatori di calore ausiliari per i nuovi progetti. La mentalità riguardo agli acciai inossidabili 304 e 316 sembra talvolta essere ancora del tipo "abbiamo sempre fatto così", senza considerare le conseguenze di tali scelte. Sono disponibili materiali alternativi in ​​grado di gestire le condizioni più severe dell'acqua di raffreddamento che molti impianti si trovano ad affrontare oggi.
Prima di parlare di metalli alternativi, è necessario precisare brevemente un altro punto. In molti casi, un acciaio inossidabile 316 o persino un 304 funzionano correttamente durante il normale funzionamento, ma si guastano durante un'interruzione di corrente. Nella maggior parte dei casi, il guasto è dovuto a un drenaggio insufficiente del condensatore o dello scambiatore di calore, che provoca il ristagno di acqua nei tubi. Questo ambiente crea le condizioni ideali per la proliferazione di microrganismi. Le colonie microbiche, a loro volta, producono composti corrosivi che corrodono direttamente il metallo dei tubi.
Questo meccanismo, noto come corrosione indotta da microbi (MIC), è in grado di distruggere tubi in acciaio inossidabile e altri metalli in poche settimane. Se lo scambiatore di calore non può essere svuotato, si dovrebbe valutare seriamente la possibilità di far circolare periodicamente acqua al suo interno e di aggiungere un biocida durante il processo. (Per maggiori dettagli sulle corrette procedure di stoccaggio, si veda D. Janikowski, "Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations"; presentato dal 4 al 6 giugno 2019 a Champaign, IL, in occasione del 39° Electric Utility Chemistry Symposium).
Per gli ambienti ostili sopra descritti, così come per ambienti ancora più aggressivi come l'acqua salmastra o l'acqua di mare, è possibile utilizzare metalli alternativi per respingere le impurità. Tre gruppi di leghe si sono dimostrati efficaci: titanio commercialmente puro, acciaio inossidabile austenitico al 6% di molibdeno e acciaio inossidabile superferritico. Queste leghe sono anche resistenti alla corrosione indotta da microrganismi (MIC). Sebbene il titanio sia considerato molto resistente alla corrosione, la sua struttura cristallina esagonale compatta e il modulo elastico estremamente basso lo rendono suscettibile a danni meccanici. Questa lega è più adatta per nuove installazioni con robuste strutture di supporto dei tubi. Un'ottima alternativa è l'acciaio inossidabile superferritico Sea-Cure®. La composizione di questo materiale è mostrata di seguito.
L'acciaio è ricco di cromo ma povero di nichel, quindi è un acciaio inossidabile ferritico anziché austenitico. Grazie al suo basso contenuto di nichel, costa molto meno rispetto ad altre leghe. L'elevata resistenza e il modulo elastico di Sea-Cure consentono di realizzare pareti più sottili rispetto ad altri materiali, con conseguente miglioramento del trasferimento di calore.
Le proprietà migliorate di questi metalli sono illustrate nel grafico "Numero Equivalente di Resistenza alla Corrosione per Pitting" (PITT), che, come suggerisce il nome, è una procedura di prova utilizzata per determinare la resistenza di vari metalli alla corrosione per pitting.
Una delle domande più frequenti è: "Qual è il contenuto massimo di cloruri che un particolare tipo di acciaio inossidabile può tollerare?". Le risposte variano notevolmente. I fattori includono il pH, la temperatura, la presenza e il tipo di fratture e il potenziale di specie biologiche attive. Uno strumento è stato aggiunto sull'asse destro della Figura 5 per facilitare questa decisione. Si basa su un pH neutro e acqua corrente a 35 °C, comunemente utilizzata in molte applicazioni BOP e di condensazione (per prevenire la formazione di depositi e crepe). Una volta selezionata una lega con una specifica composizione chimica, è possibile determinare il PREn e quindi intersecare la curva con la barra appropriata. Il livello massimo di cloruri raccomandato può quindi essere determinato tracciando una linea orizzontale sull'asse destro. In generale, se una lega deve essere considerata per applicazioni in acqua salmastra o marina, deve avere una CCT superiore a 25 gradi Celsius, misurata con il test G 48.
È chiaro che le leghe superferritiche rappresentate da Sea-Cure® sono generalmente adatte anche per applicazioni in acqua di mare. C'è un altro vantaggio di questi materiali che deve essere sottolineato. Da molti anni si osservano problemi di corrosione da manganese negli acciai inossidabili 304 e 316, anche negli impianti lungo il fiume Ohio. Recentemente, sono stati attaccati anche gli scambiatori di calore degli impianti lungo i fiumi Mississippi e Missouri. La corrosione da manganese è anche un problema comune nei sistemi di reintegro dell'acqua di pozzo. Il meccanismo di corrosione è stato identificato nella reazione del biossido di manganese (MnO2) con un biocida ossidante che genera acido cloridrico sotto il deposito. È l'HCl che attacca realmente i metalli. [WH Dickinson e RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; presentato alla NACE Annual Corrosion Conference del 2002, Denver, CO.] Gli acciai ferritici sono resistenti a questo meccanismo di corrosione.
La scelta di materiali di qualità superiore per i tubi dei condensatori e degli scambiatori di calore non sostituisce ancora un adeguato controllo chimico del trattamento dell'acqua. Come ha sottolineato l'autore Buecker in un precedente articolo di ingegneria energetica, un programma di trattamento chimico correttamente progettato e gestito è necessario per ridurre al minimo il rischio di incrostazioni, corrosione e sporcamento. La chimica dei polimeri si sta affermando come una valida alternativa alla vecchia chimica a base di fosfati/fosfonati per il controllo della corrosione e delle incrostazioni nei sistemi di torri di raffreddamento. Il controllo della contaminazione microbica è stato e continuerà ad essere una questione critica. Sebbene la chimica ossidativa con cloro, candeggina o composti simili sia la pietra angolare del controllo microbico, i trattamenti supplementari possono spesso migliorare l'efficienza dei programmi di trattamento. Un esempio è la chimica di stabilizzazione, che contribuisce ad aumentare la velocità di rilascio e l'efficienza dei biocidi ossidanti a base di cloro senza introdurre composti nocivi nell'acqua. Inoltre, l'aggiunta di fungicidi non ossidanti può essere molto utile per controllare lo sviluppo microbico. Il risultato è che esistono molti modi per migliorare la sostenibilità e l'affidabilità degli scambiatori di calore delle centrali elettriche, ma ogni sistema è diverso, quindi attenzione La pianificazione e la consultazione con esperti del settore sono fondamentali per la scelta dei materiali e delle procedure chimiche. Gran parte di questo articolo è scritta dal punto di vista del trattamento delle acque; non siamo coinvolti nelle decisioni relative ai materiali, ma ci viene chiesto di contribuire a gestire l'impatto di tali decisioni una volta che l'impianto è operativo. La decisione finale sulla selezione dei materiali deve essere presa dal personale dell'impianto sulla base di una serie di fattori specifici per ciascuna applicazione.
Informazioni sull'autore: Brad Buecker è un addetto stampa tecnico senior presso ChemTreat. Ha 36 anni di esperienza nel settore energetico, gran parte dei quali dedicati alla chimica della generazione di vapore, al trattamento delle acque, al controllo della qualità dell'aria e ha lavorato presso City Water, Light & Power (Springfield, IL) e Kansas City Power & Light Company, con sede a La Cygne Station, Kansas. Ha inoltre ricoperto per due anni il ruolo di supervisore ad interim del trattamento delle acque/acque reflue presso un impianto chimico. Buecker ha conseguito una laurea in Chimica presso la Iowa State University, con corsi aggiuntivi in ​​Meccanica dei Fluidi, Equilibrio Energetico e dei Materiali e Chimica Inorganica Avanzata.
Dan Janikowski è responsabile tecnico presso Plymouth Tube. Da 35 anni si occupa dello sviluppo di metalli, della produzione e del collaudo di prodotti tubolari, tra cui leghe di rame, acciaio inossidabile, leghe di nichel, titanio e acciaio al carbonio. In Plymouth Metro dal 2005, Janikowski ha ricoperto diverse posizioni di responsabilità prima di diventare responsabile tecnico nel 2010.