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Os autores analisaram repetidamente as especificações de novos projetos de energia, nos quais os projetistas de usinas normalmente optam por aço inoxidável 304 ou 316 para os tubos do condensador e do trocador de calor auxiliar. Para muitos, o termo aço inoxidável evoca uma aura de invencibilidade à corrosão, quando, na verdade, os aços inoxidáveis ​​podem, por vezes, ser a pior escolha, pois são suscetíveis à corrosão localizada. Além disso, nesta era de menor disponibilidade de água doce para reposição de água de resfriamento, aliada à operação de torres de resfriamento em ciclos de alta concentração, os potenciais mecanismos de falha do aço inoxidável são amplificados. Em algumas aplicações, o aço inoxidável da série 300 resiste por apenas alguns meses, às vezes apenas semanas, antes de falhar. Este artigo concentra-se, pelo menos, nas questões que devem ser consideradas na escolha dos materiais dos tubos do condensador, sob a perspectiva do tratamento de água. Outros fatores não abordados neste artigo, mas que desempenham um papel na seleção do material, incluem a resistência mecânica, as propriedades de transferência de calor e a resistência a forças mecânicas, incluindo fadiga e corrosão por erosão.
A adição de 12% ou mais de cromo ao aço faz com que a liga forme uma camada contínua de óxido que protege o metal base subjacente. Daí o termo aço inoxidável. Na ausência de outros materiais de liga (especialmente níquel), o aço carbono faz parte do grupo das ferritas e sua célula unitária possui uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC).
Quando o níquel é adicionado à mistura da liga em uma concentração de 8% ou superior, mesmo à temperatura ambiente, a célula existirá em uma estrutura cúbica de faces centradas (CFC) chamada austenita.
Conforme demonstrado na Tabela 1, os aços inoxidáveis ​​da série 300 e outros aços inoxidáveis ​​possuem um teor de níquel que produz uma estrutura austenítica.
Os aços austeníticos têm se mostrado muito valiosos em diversas aplicações, inclusive como material para tubos de superaquecedores e reaquecedores de alta temperatura em caldeiras de usinas termelétricas. A série 300, em particular, é frequentemente utilizada como material para tubos de trocadores de calor de baixa temperatura, incluindo condensadores de superfície de vapor. Contudo, é justamente nessas aplicações que muitos negligenciam os potenciais mecanismos de falha.
A principal dificuldade com o aço inoxidável, especialmente os populares materiais 304 e 316, é que a camada protetora de óxido é frequentemente destruída por impurezas na água de refrigeração e por frestas e depósitos que contribuem para a concentração dessas impurezas. Além disso, em condições de desligamento, a água parada pode levar ao crescimento microbiano, cujos subprodutos metabólicos podem ser altamente prejudiciais aos metais.
Uma impureza comum na água de resfriamento, e uma das mais difíceis de remover economicamente, é o cloreto. Esse íon pode causar muitos problemas em geradores de vapor, mas em condensadores e trocadores de calor auxiliares, a principal dificuldade reside no fato de que cloretos em concentrações suficientes podem penetrar e destruir a camada protetora de óxido no aço inoxidável, causando corrosão localizada, ou seja, corrosão por pite.
A corrosão por pites é uma das formas mais insidiosas de corrosão, pois pode causar perfurações nas paredes e falhas nos equipamentos com pouca perda de metal.
As concentrações de cloreto não precisam ser muito altas para causar corrosão por pite em aço inoxidável 304 e 316, e para superfícies limpas, sem depósitos ou frestas, as concentrações máximas de cloreto recomendadas atualmente são consideradas as seguintes:
Diversos fatores podem facilmente produzir concentrações de cloreto que excedem esses limites, tanto em geral quanto em locais específicos. Tornou-se muito raro considerar o resfriamento de ciclo aberto como primeira opção para novas usinas de energia. A maioria é construída com torres de resfriamento ou, em alguns casos, condensadores resfriados a ar (ACC). Para aquelas com torres de resfriamento, a concentração de impurezas em cosméticos pode aumentar com o tempo. Por exemplo, uma coluna com uma concentração de cloreto na água de reposição de 50 mg/l opera com cinco ciclos de concentração, e o teor de cloreto na água circulante é de 250 mg/l. Isso por si só geralmente deveria descartar o aço inoxidável 304. Além disso, em usinas novas e existentes, há uma necessidade crescente de substituir a água doce para recarga das plantas. Uma alternativa comum é o esgoto municipal. A Tabela 2 compara a análise dos quatro suprimentos de água doce com os quatro suprimentos de esgoto.
Fique atento ao aumento dos níveis de cloreto (e outras impurezas, como nitrogênio e fósforo, que podem aumentar consideravelmente a contaminação microbiana em sistemas de refrigeração). Para praticamente toda água cinza, qualquer circulação na torre de resfriamento excederá o limite de cloreto recomendado pela norma 316 SS.
A discussão anterior baseia-se no potencial de corrosão de superfícies metálicas comuns. Fraturas e sedimentos mudam drasticamente o cenário, pois ambos fornecem locais onde impurezas podem se concentrar. Uma localização típica para trincas mecânicas em condensadores e trocadores de calor similares é nas junções entre os tubos e a placa tubular. Sedimentos dentro do tubo podem criar trincas no limite do sedimento, e o próprio sedimento pode servir como um local de contaminação. Além disso, como o aço inoxidável depende de uma camada contínua de óxido para proteção, os depósitos podem formar locais pobres em oxigênio que transformam a superfície restante do aço em um ânodo.
A discussão acima destaca questões que os projetistas de usinas normalmente não consideram ao especificar os materiais dos tubos do condensador e do trocador de calor auxiliar para novos projetos. A mentalidade em relação aos aços inoxidáveis ​​304 e 316 ainda parece ser "sempre fizemos assim", sem considerar as consequências de tais ações. Materiais alternativos estão disponíveis para suportar as condições mais severas da água de resfriamento que muitas usinas enfrentam atualmente.
Antes de discutirmos metais alternativos, é preciso mencionar brevemente outro ponto. Em muitos casos, o aço inoxidável 316 ou mesmo o 304 apresentam bom desempenho em condições normais de operação, mas falham durante uma queda de energia. Na maioria dos casos, a falha se deve à drenagem inadequada do condensador ou do trocador de calor, causando o acúmulo de água estagnada nos tubos. Esse ambiente proporciona condições ideais para o crescimento de microrganismos. As colônias microbianas, por sua vez, produzem compostos corrosivos que corroem diretamente o metal tubular.
Esse mecanismo, conhecido como corrosão induzida por microrganismos (MIC, na sigla em inglês), é capaz de destruir tubulações de aço inoxidável e outros metais em poucas semanas. Se o trocador de calor não puder ser drenado, deve-se considerar seriamente a circulação periódica de água através dele, adicionando biocida durante o processo. (Para mais detalhes sobre os procedimentos adequados de deposição de biocidas, consulte D. Janikowski, “Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations”; apresentado de 4 a 6 de junho de 2019 em Champaign, IL, no 39º Simpósio de Química de Utilidades Elétricas.)
Para os ambientes agressivos mencionados acima, bem como para ambientes ainda mais agressivos, como água salobra ou água do mar, metais alternativos podem ser usados ​​para evitar impurezas. Três grupos de ligas têm se mostrado eficazes: titânio comercialmente puro, aço inoxidável austenítico com 6% de molibdênio e aço inoxidável superferrítico. Essas ligas também são resistentes à corrosão microbiológica (MIC). Embora o titânio seja considerado muito resistente à corrosão, sua estrutura cristalina hexagonal compacta e seu módulo de elasticidade extremamente baixo o tornam suscetível a danos mecânicos. Essa liga é mais adequada para novas instalações com estruturas de suporte de tubos robustas. Uma excelente alternativa é o aço inoxidável superferrítico Sea-Cure®. A composição desse material é mostrada abaixo.
O aço é rico em cromo, mas pobre em níquel, sendo, portanto, um aço inoxidável ferrítico em vez de um aço inoxidável austenítico. Devido ao seu baixo teor de níquel, seu custo é muito menor do que o de outras ligas. A alta resistência e o módulo de elasticidade do Sea-Cure permitem paredes mais finas do que outros materiais, resultando em melhor transferência de calor.
As propriedades aprimoradas desses metais são mostradas na tabela de "Número Equivalente de Resistência à Corrosão por Pite", que, como o nome sugere, é um procedimento de teste usado para determinar a resistência de vários metais à corrosão por pite.
Uma das perguntas mais comuns é: “Qual é o teor máximo de cloreto que um determinado tipo de aço inoxidável pode tolerar?” As respostas variam bastante. Os fatores incluem pH, temperatura, presença e tipo de fraturas e o potencial para espécies biológicas ativas. Uma ferramenta foi adicionada ao eixo direito da Figura 5 para auxiliar nessa decisão. Ela se baseia em pH neutro e água corrente a 35 °C, condições comuns em muitas aplicações de BOP e condensação (para evitar a formação de depósitos e trincas). Após a seleção de uma liga com composição química específica, o PREn pode ser determinado e, em seguida, interceptado com a barra apropriada. O nível máximo de cloreto recomendado pode então ser determinado traçando-se uma linha horizontal no eixo direito. Em geral, se uma liga for considerada para aplicações em água salobra ou água do mar, ela precisa ter uma CCT acima de 25 graus Celsius, conforme medido pelo teste G 48.
É evidente que as ligas superferríticas representadas pelo Sea-Cure® são geralmente adequadas até mesmo para aplicações em água do mar. Há ainda outro benefício desses materiais que deve ser enfatizado. Problemas de corrosão por manganês têm sido observados em aços inoxidáveis ​​304 e 316 há muitos anos, inclusive em usinas ao longo do Rio Ohio. Recentemente, trocadores de calor em usinas ao longo dos rios Mississippi e Missouri também foram afetados. A corrosão por manganês é um problema comum em sistemas de reposição de água de poços. O mecanismo de corrosão foi identificado como a reação do dióxido de manganês (MnO2) com um biocida oxidante, gerando ácido clorídrico sob o depósito. O HCl é o que realmente ataca os metais. [WH Dickinson e RW Pick, "Corrosão Dependente de Manganês na Indústria de Energia Elétrica"; apresentado na Conferência Anual de Corrosão da NACE de 2002, Denver, CO.] Os aços ferríticos são resistentes a esse mecanismo de corrosão.
A seleção de materiais de alta qualidade para tubos de condensadores e trocadores de calor ainda não substitui o controle adequado da química do tratamento da água. Como o autor Buecker destacou em um artigo anterior sobre engenharia de energia, um programa de tratamento químico bem projetado e operado é necessário para minimizar o potencial de incrustação, corrosão e formação de depósitos. A química de polímeros está emergindo como uma alternativa poderosa à química de fosfato/fosfonato mais antiga para controlar a corrosão e a incrustação em sistemas de torres de resfriamento. O controle da contaminação microbiana tem sido e continuará sendo uma questão crítica. Embora a química oxidativa com cloro, água sanitária ou compostos similares seja a base do controle microbiano, tratamentos suplementares podem frequentemente melhorar a eficiência dos programas de tratamento. Um exemplo disso é a química de estabilização, que ajuda a aumentar a taxa de liberação e a eficiência de biocidas oxidantes à base de cloro sem introduzir compostos nocivos na água. Além disso, a alimentação suplementar com fungicidas não oxidantes pode ser muito benéfica no controle do desenvolvimento microbiano. O resultado é que existem muitas maneiras de melhorar a sustentabilidade e a confiabilidade dos trocadores de calor de usinas de energia, mas cada sistema é diferente, portanto, planejamento cuidadoso e consulta são essenciais. A consulta a especialistas do setor é importante para a escolha de materiais e procedimentos químicos. Grande parte deste artigo é escrita sob a perspectiva do tratamento de água; não estamos envolvidos nas decisões sobre materiais, mas somos solicitados a ajudar a gerenciar o impacto dessas decisões após a instalação e operação do equipamento. A decisão final sobre a seleção de materiais deve ser tomada pela equipe da planta, com base em diversos fatores especificados para cada aplicação.
Sobre o autor: Brad Buecker é Publicitário Técnico Sênior na ChemTreat. Ele possui 36 anos de experiência na indústria de energia ou em áreas afins, principalmente em química para geração de vapor, tratamento de água, controle da qualidade do ar e em empresas como City Water, Light & Power (Springfield, IL) e Kansas City Power & Light Company, localizada na Usina La Cygne, Kansas. Ele também atuou por dois anos como supervisor interino de água/esgoto em uma fábrica de produtos químicos. Buecker é bacharel em Química pela Universidade Estadual de Iowa, com cursos adicionais em Mecânica dos Fluidos, Energia e Equilíbrio de Materiais e Química Inorgânica Avançada.
Dan Janikowski é Gerente Técnico da Plymouth Tube. Há 35 anos, ele está envolvido no desenvolvimento de metais, na fabricação e nos testes de produtos tubulares, incluindo ligas de cobre, aço inoxidável, ligas de níquel, titânio e aço carbono. Na Plymouth Metro desde 2005, Janikowski ocupou vários cargos de liderança antes de se tornar Gerente Técnico em 2010.