Gli autori hanno esaminato ripetutamente le specifiche dei nuovi progetti energetici, in cui i progettisti di impianti in genere scelgono l'acciaio inossidabile 304 o 316 per i tubi del condensatore e dello scambiatore di calore ausiliario. Per molti, il termine acciaio inossidabile evoca un'aura di corrosione invincibile, quando in realtà gli acciai inossidabili possono talvolta essere la scelta peggiore perché sono soggetti a 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 guasto dell'acciaio inossidabile sono amplificati. In alcune applicazioni, l'acciaio inossidabile della serie 300 sopravvive solo per mesi, a volte solo settimane, prima di guastarsi. Questo articolo si concentra almeno sui problemi che dovrebbero essere considerati quando si scelgono i materiali dei tubi del condensatore dal punto di vista del trattamento dell'acqua. Altri fattori non discussi in questo documento ma che giocano un ruolo nella selezione dei materiali 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.
Aggiungendo il 12% o più di cromo all'acciaio, la lega forma uno strato di ossido continuo 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 della ferrite e la sua cella unitaria ha una struttura cubica a corpo centrato (BCC).
Aggiungendo nichel alla miscela di leghe in una concentrazione pari o superiore all'8%, la cella avrà una struttura cubica a facce centrate (FCC) chiamata austenite, anche a temperatura ambiente.
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 postriscaldatori ad alta temperatura nelle caldaie di potenza. In particolare, la serie 300 è spesso utilizzata come materiale per tubi di scambiatori di calore a bassa temperatura, compresi i condensatori di superficie del vapore. Tuttavia, è in queste applicazioni che molti trascurano i potenziali meccanismi di guasto.
La principale difficoltà con l'acciaio inossidabile, in particolare i diffusi materiali 304 e 316, è che lo strato protettivo di ossido viene spesso distrutto dalle impurità presenti nell'acqua di raffreddamento e dalle fessure e dai depositi che contribuiscono a concentrare le impurità. Inoltre, in condizioni di arresto, l'acqua stagnante può favorire la crescita microbica, i cui sottoprodotti metabolici possono essere estremamente dannosi per i metalli.
Una comune impurità dell'acqua di raffreddamento, nonché 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 puntiforme è una delle forme più insidiose di corrosione perché può causare penetrazioni nei muri e guasti alle apparecchiature con una perdita minima di metallo.
Le concentrazioni di cloruro non devono essere molto elevate per causare corrosione puntiforme nell'acciaio inossidabile 304 e 316 e, per superfici pulite senza depositi o fessure, le concentrazioni massime di cloruro consigliate sono ora considerate:
Diversi fattori possono facilmente produrre concentrazioni di cloruri che superano queste linee guida, sia in generale che in luoghi localizzati. È diventato molto raro prendere in considerazione per la prima volta il raffreddamento a passaggio singolo per le nuove centrali elettriche. La maggior parte è costruita con torri di raffreddamento o, in alcuni casi, condensatori raffreddati ad aria (ACC). Per coloro che dispongono di torri di raffreddamento, la concentrazione di impurità nei cosmetici può "aumentare". Ad esempio, una colonna con una concentrazione di cloruri nell'acqua di reintegro di 50 mg/l funziona con cinque cicli di concentrazione e il contenuto di cloruri nell'acqua circolante è di 250 mg/l. Questo da solo dovrebbe generalmente escludere 304 SS. Inoltre, negli impianti nuovi ed esistenti, c'è una crescente necessità di sostituire l'acqua dolce per la ricarica dell'impianto. Un'alternativa comune sono le acque reflue comunali. La Tabella 2 confronta l'analisi delle quattro forniture di acqua dolce con le quattro forniture di acque reflue.
Prestare attenzione all'aumento dei livelli di cloruro (e di altre impurità, come azoto e fosforo, che possono aumentare notevolmente la contaminazione microbica nei sistemi di raffreddamento). Per quasi tutte le acque grigie, qualsiasi circolazione nella torre di raffreddamento supererà il limite di cloruro raccomandato dall'acciaio inossidabile 316.
La discussione precedente si basa sul potenziale di corrosione delle superfici metalliche comuni. Fratture e sedimenti cambiano radicalmente la situazione, poiché entrambi forniscono punti in cui le impurità possono concentrarsi. Un punto tipico per le crepe meccaniche nei condensatori e in scambiatori di calore simili è in corrispondenza delle giunzioni tra tubo e piastra tubiera. I sedimenti all'interno del tubo possono creare crepe al confine del sedimento e il sedimento stesso può fungere da sito di contaminazione. Inoltre, poiché l'acciaio inossidabile si basa su uno strato continuo di ossido per la protezione, i depositi possono formare siti poveri di ossigeno che trasformano la superficie di acciaio rimanente in un anodo.
La discussione precedente evidenzia questioni che i progettisti di impianti in genere non prendono in considerazione quando specificano i materiali dei tubi del condensatore e dello scambiatore di calore ausiliario per nuovi progetti. La mentalità riguardo agli acciai inossidabili 304 e 316 a volte sembra ancora essere "è quello che abbiamo sempre fatto" senza considerare le conseguenze di tali azioni. Sono disponibili materiali alternativi per gestire le condizioni più difficili dell'acqua di raffreddamento che molti impianti devono ora affrontare.
Prima di parlare di metalli alternativi, è necessario chiarire brevemente un altro punto. In molti casi, un acciaio inossidabile 316 o persino un acciaio inossidabile 304 funzionavano bene durante il normale funzionamento, ma si rompevano durante un'interruzione di corrente. Nella maggior parte dei casi, il guasto è dovuto a uno scarso drenaggio del condensatore o dello scambiatore di calore che causava il ristagno di acqua nei tubi. Questo ambiente fornisce le condizioni ideali per la crescita di microrganismi. Le colonie microbiche a loro volta producono composti corrosivi che corrodono direttamente il metallo tubolare.
Questo meccanismo, noto come corrosione indotta microbica (MIC), è noto per distruggere tubi in acciaio inossidabile e altri metalli nel giro di poche settimane. Se lo scambiatore di calore non può essere svuotato, si dovrebbe valutare attentamente la possibilità di far circolare periodicamente acqua al suo interno e di aggiungere biocida durante il processo. (Per maggiori dettagli sulle corrette procedure di stratificazione, vedere D. Janikowski, "Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations"; tenutosi dal 4 al 6 giugno 2019 a Champaign, IL. Presentato al 39° Simposio sulla Chimica delle Utility Elettriche.)
Per gli ambienti difficili evidenziati sopra, così come per ambienti più difficili come acqua salmastra o acqua di mare, si possono usare metalli alternativi per allontanare 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 al 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 ai danni meccanici. Questa lega è più adatta per nuove installazioni con robuste strutture di supporto dei tubi. Un'eccellente alternativa è l'acciaio inossidabile superferritico Sea-Cure®. La composizione di questo materiale è mostrata di seguito.
L'acciaio ha un alto contenuto di cromo ma uno basso di nichel, quindi è un acciaio inossidabile ferritico piuttosto che austenitico. Grazie al suo basso contenuto di nichel, costa molto meno di altre leghe. L'elevata resistenza e il modulo elastico di Sea-Cure consentono pareti più sottili rispetto ad altri materiali, con conseguente miglioramento del trasferimento di calore.
Le proprietà migliorate di questi metalli sono illustrate nella tabella "Pitting Resistance Equivalent Number" che, come suggerisce il nome, è una procedura di prova utilizzata per determinare la resistenza di vari metalli alla corrosione puntiforme.
Una delle domande più comuni è "Qual è il contenuto massimo di cloruri che un particolare grado di acciaio inossidabile può tollerare?". Le risposte variano notevolmente. I fattori includono pH, temperatura, presenza e 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 acqua corrente a pH neutro e 35 °C, comunemente presente in molte applicazioni BOP e di condensazione (per prevenire la formazione di depositi e cricche). Una volta selezionata una lega con una composizione chimica specifica, è possibile determinare il valore di PREn e quindi intersecarlo 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 di mare, deve avere una CCT superiore a 25 °C, 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. Problemi di corrosione da manganese sono stati osservati per gli acciai inossidabili 304 e 316 per molti anni, anche negli impianti lungo il fiume Ohio. Recentemente, gli scambiatori di calore negli impianti lungo i fiumi Mississippi e Missouri sono stati attaccati. La corrosione da manganese è anche un problema comune nei sistemi di reintegro dell'acqua di pozzo. Il meccanismo di corrosione è stato identificato come biossido di manganese (MnO2) che reagisce con un biocida ossidante per generare acido cloridrico sotto il deposito. L'HCl è ciò che attacca realmente i metalli. [WH Dickinson e RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; presentato alla conferenza annuale sulla corrosione NACE del 2002, Denver, CO.] Gli acciai ferritici sono resistenti a questo meccanismo di corrosione.
La selezione di materiali di qualità superiore per i tubi del condensatore e dello scambiatore di calore non è ancora un sostituto per un adeguato controllo della chimica del trattamento dell'acqua. Come ha sottolineato l'autore Buecker in un precedente articolo di ingegneria energetica, è necessario un programma di trattamento chimico correttamente progettato e gestito per ridurre al minimo il potenziale di incrostazioni, corrosione e incrostazioni. La chimica dei polimeri sta emergendo come una potente alternativa alla vecchia chimica fosfati/fosfonati per controllare la corrosione e le incrostazioni nei sistemi delle torri di raffreddamento. Il controllo della contaminazione microbica è stato e continuerà a essere un problema critico. Mentre la chimica ossidativa con cloro, candeggina o composti simili è 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 aiuta ad aumentare la velocità di rilascio e l'efficienza dei biocidi ossidanti a base di cloro senza introdurre composti nocivi nell'acqua. Inoltre, l'alimentazione supplementare con fungicidi non ossidanti può essere molto utile nel controllo dello sviluppo microbico. Il risultato è che ci sono molti modi per migliorare la sostenibilità e l'affidabilità degli scambiatori di calore delle centrali elettriche, ma ogni sistema è diverso, quindi è importante un'attenta pianificazione e la consultazione con esperti del settore per la scelta dei materiali e delle procedure chimiche. Gran parte di questo articolo è scritto dal punto di vista del trattamento delle acque; non siamo coinvolti nelle decisioni sui materiali, ma ci viene chiesto di aiutare a gestire l'impatto di tali decisioni una volta che l'apparecchiatura è operativa. La decisione finale sulla selezione dei materiali deve essere presa dal personale dell'impianto in base a una serie di fattori specificati per ciascuna applicazione.
Informazioni sull'autore: Brad Buecker è un addetto stampa tecnico senior presso ChemTreat. Ha 36 anni di esperienza nel settore energetico o in attività ad esso collegate, in gran parte nella chimica della generazione di vapore, nel trattamento delle acque, nel controllo della qualità dell'aria e presso City Water, Light & Power (Springfield, IL) e Kansas City Power & Light Company, con sede presso La Cygne Station, Kansas. Ha inoltre trascorso due anni come supervisore addetto al settore idrico/acque reflue presso un impianto chimico. Buecker ha conseguito una laurea in chimica presso l'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 alto livello prima di diventare responsabile tecnico nel 2010.