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Os autores revisaram novas especificações de projetos de energia repetidas vezes, nas quais os projetistas de usinas normalmente escolhem aço inoxidável 304 ou 316 para condensadores e tubulações de trocadores de calor auxiliares. Para muitos, o termo aço inoxidável evoca uma aura de corrosão invencível, quando, na verdade, os aços inoxidáveis ​​podem, às vezes, ser a pior escolha, pois são suscetíveis à corrosão localizada. E, nesta era de disponibilidade reduzida de água doce para reposição de água de resfriamento, juntamente com torres de resfriamento operando em ciclos de alta concentração, os potenciais mecanismos de falha do aço inoxidável são ampliados. Em algumas aplicações, o aço inoxidável da série 300 sobreviverá apenas meses, às vezes apenas semanas, antes de falhar. Este artigo se concentra em pelo menos as questões que devem ser consideradas ao escolher materiais de tubos de condensadores de uma perspectiva de tratamento de água. Outros fatores não discutidos neste artigo, mas que desempenham um papel na seleção de materiais, incluem resistência do material, propriedades de transferência de calor e resistência a forças mecânicas, incluindo fadiga e corrosão por erosão.
Adicionar 12% ou mais de cromo ao aço faz com que a liga forme uma camada de óxido contínua que protege o metal base por baixo. Daí o termo aço inoxidável. Na ausência de outros materiais de liga (especialmente níquel), o aço carbono faz parte do grupo ferrite, e sua célula unitária tem uma estrutura cúbica de corpo centrado (BCC).
Quando o níquel é adicionado à mistura de liga em uma concentração de 8% ou mais, mesmo em temperatura ambiente, a célula existirá em uma estrutura cúbica de face centrada (FCC) chamada austenita.
Conforme mostrado na Tabela 1, os aços inoxidáveis ​​da série 300 e outros aços inoxidáveis ​​têm um teor de níquel que produz uma estrutura austenítica.
Aços austeníticos têm se mostrado muito valiosos em muitas aplicações, inclusive como material para tubos de superaquecedores e reaquecedores de alta temperatura em caldeiras de energia. A série 300, em particular, é frequentemente usada como material para tubos de trocadores de calor de baixa temperatura, incluindo condensadores de superfície de vapor. No entanto, é nessas aplicações que muitos ignoram 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 resfriamento e por fendas e depósitos que ajudam a concentrar 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 é que os cloretos em concentrações suficientes podem penetrar e destruir a camada protetora de óxido no aço inoxidável, causando corrosão localizada, ou seja, corrosão por pites.
A corrosão localizada é uma das formas mais insidiosas de corrosão porque pode causar penetrações na parede e falhas no equipamento com pouca perda de metal.
As concentrações de cloreto não precisam ser muito altas para causar corrosão por pites em aço inoxidável 304 e 316 e, para superfícies limpas, sem depósitos ou fendas, as concentrações máximas de cloreto recomendadas agora são consideradas:
Vários fatores podem facilmente produzir concentrações de cloreto que excedem essas diretrizes, tanto em geral quanto em locais localizados. Tornou-se muito raro considerar primeiro o resfriamento de passagem única para novas usinas de energia. A maioria é construída com torres de resfriamento ou, em alguns casos, condensadores resfriados a ar (ACC). Para aqueles com torres de resfriamento, a concentração de impurezas em cosméticos pode "aumentar". Por exemplo, uma coluna com uma concentração de cloreto de água de reposição de 50 mg/l opera com cinco ciclos de concentração, e o teor de cloreto da água circulante é de 250 mg/l. Isso por si só deve geralmente descartar 304 SS. Além disso, em usinas novas e existentes, há uma necessidade crescente de substituir a água doce para recarga da usina. Uma alternativa comum são as águas residuais municipais. A Tabela 2 compara a análise dos quatro suprimentos de água doce com os quatro suprimentos de águas residuais.
Fique atento aos níveis elevados de cloreto (e outras impurezas, como nitrogênio e fósforo, que podem aumentar muito a contaminação microbiana em sistemas de resfriamento). Para praticamente todas as águas cinzas, qualquer circulação na torre de resfriamento excederá o limite de cloreto recomendado pela norma 316 SS.
A discussão anterior é baseada no potencial de corrosão de superfícies metálicas comuns. Fraturas e sedimentos mudam drasticamente a história, pois ambos fornecem locais onde as impurezas podem se concentrar. Um local típico para rachaduras mecânicas em condensadores e trocadores de calor semelhantes é nas junções entre tubos e chapas. O sedimento dentro do tubo pode criar rachaduras no limite do sedimento, e o próprio sedimento pode servir como um local para 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 de aço restante em um ânodo.
A discussão acima descreve questões que os projetistas de plantas normalmente não consideram ao especificar materiais de tubos de condensadores e trocadores de calor auxiliares para novos projetos. A mentalidade em relação ao aço inoxidável 304 e 316 às vezes ainda parece ser "é o que sempre fizemos", sem considerar as consequências de tais ações. Materiais alternativos estão disponíveis para lidar com as condições mais severas de água de resfriamento que muitas plantas enfrentam atualmente.
Antes de discutir metais alternativos, outro ponto deve ser brevemente mencionado. Em muitos casos, um aço inoxidável 316 ou mesmo um aço inoxidável 304 teve um bom desempenho durante a operação normal, mas falhou durante uma queda de energia. Na maioria dos casos, a falha é devido à má drenagem do condensador ou trocador de calor, causando água parada nos tubos. Esse ambiente fornece 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 micróbios (MIC), é conhecido por destruir tubos 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 pelo trocador de calor e a adição de biocida durante o processo. (Para obter mais detalhes sobre os procedimentos adequados de disposição, consulte D. Janikowski, “Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations”; realizado de 4 a 6 de junho de 2019 em Champaign, IL, apresentado no 39º Simpósio de Química de Serviços Públicos Elétricos.)
Para os ambientes agressivos destacados acima, bem como ambientes mais agressivos, como água salobra ou água do mar, metais alternativos podem ser usados ​​para afastar impurezas. Três grupos de ligas têm se mostrado bem-sucedidos: titânio comercialmente puro, aço inoxidável austenítico com 6% de molibdênio e aço inoxidável superferrítico. Essas ligas também são resistentes à MIC. Embora o titânio seja considerado muito resistente à corrosão, sua estrutura cristalina hexagonal compacta e 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 fortes. Uma excelente alternativa é o aço inoxidável superferrítico Sea-Cure®. A composição desse material é mostrada abaixo.
O aço tem alto teor de cromo, mas baixo teor de níquel, por isso é um aço inoxidável ferrítico e não um aço inoxidável austenítico. Devido ao seu baixo teor de níquel, ele custa muito menos do que 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 “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 amplamente. Os fatores incluem pH, temperatura, presença e tipo de fraturas e o potencial para espécies biológicas ativas. Uma ferramenta foi adicionada no eixo direito da Figura 5 para ajudar nessa decisão. Ela se baseia em pH neutro, água corrente a 35 °C, comumente encontrada em muitas aplicações de BOP e condensação (para evitar a formação de depósitos e rachaduras). Uma vez selecionada uma liga com uma composição química específica, o PREn pode ser determinado e então interseccionado com a barra apropriada. O nível máximo de cloreto recomendado pode então ser determinado desenhando uma linha horizontal no eixo direito. Em geral, se uma liga for considerada para aplicações em água salobra ou do mar, ela precisa ter um 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 outro benefício nesses materiais que deve ser enfatizado. Problemas de corrosão por manganês têm sido observados em aços inox 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 foram atacados. A corrosão por manganês também é um problema comum em sistemas de reposição de água de poço. O mecanismo de corrosão foi identificado como dióxido de manganês (MnO2) reagindo com um biocida oxidante para gerar ácido clorídrico sob o depósito. O HCl é o que realmente ataca os metais. [WH Dickinson e RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; apresentado na Conferência Anual de Corrosão da NACE de 2002, Denver, CO.] Os aços ferríticos são resistentes a esse mecanismo de corrosão.
Selecionar materiais de alta qualidade para tubos de condensadores e trocadores de calor ainda não substitui o controle químico adequado do tratamento de água. Como o autor Buecker descreveu em um artigo anterior sobre engenharia de energia, um programa de tratamento químico adequadamente projetado e operado é necessário para minimizar o potencial de incrustação, corrosão e incrustação. 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, alvejante ou compostos semelhantes seja a base do controle microbiano, tratamentos suplementares podem frequentemente melhorar a eficiência dos programas de tratamento. Um exemplo 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, é necessário cuidado. O planejamento e a consulta com especialistas do setor são importantes para a escolha de materiais e procedimentos químicos. Grande parte deste artigo foi escrita a partir de uma perspectiva de tratamento de água; não estamos envolvidos em decisões de materiais, mas somos solicitados a ajudar a gerenciar o impacto dessas decisões quando o equipamento estiver instalado e funcionando. A decisão final sobre a seleção de materiais deve ser tomada pelo pessoal da planta com base em uma série de fatores especificados para cada aplicação.
Sobre o autor: Brad Buecker é um publicitário técnico sênior na ChemTreat. Ele tem 36 anos de experiência na indústria de energia ou está afiliado a ela, grande parte dela em química de geração de vapor, tratamento de água, controle de qualidade do ar e na City Water, Light & Power (Springfield, IL) e a Kansas City Power & Light Company está localizada em La Cygne Station, Kansas. Ele também passou dois anos como supervisor interino de água/esgoto em uma planta química. Buecker é bacharel em Química pela Iowa State University com cursos adicionais em Mecânica dos Fluidos, Equilíbrio de Energia e Materiais e Química Inorgânica Avançada.
Dan Janikowski é gerente técnico da Plymouth Tube. Há 35 anos, ele atua no desenvolvimento de metais, fabricação e 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.