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Los autores han revisado las especificaciones de nuevos proyectos de energía una y otra vez, en los que los diseñadores de plantas suelen elegir acero inoxidable 304 o 316 para el condensador y la tubería del intercambiador de calor auxiliar. Para muchos, el término acero inoxidable evoca un aura de corrosión invencible, cuando de hecho, los aceros inoxidables a veces pueden ser la peor opción porque son susceptibles a la corrosión localizada. En algunas aplicaciones, el acero inoxidable de la serie 300 solo sobrevivirá durante meses, a veces solo semanas, antes de fallar. Este artículo se enfoca al menos en los problemas que deben tenerse en cuenta al elegir los materiales del tubo del condensador desde la perspectiva del tratamiento del agua. Otros factores que no se analizan en este documento pero que juegan un papel en la selección del material incluyen la resistencia del material, las propiedades de transferencia de calor y la resistencia a las fuerzas mecánicas, incluida la fatiga y la corrosión por erosión.
Agregar 12% o más de cromo al acero hace que la aleación forme una capa continua de óxido que protege el metal base que se encuentra debajo. De ahí el término acero inoxidable. En ausencia de otros materiales de aleación (especialmente níquel), el acero al carbono es parte del grupo de la ferrita y su celda unitaria tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC).
Cuando se agrega níquel a la mezcla de aleación en una concentración del 8% o más, incluso a temperatura ambiente, la celda existirá en una estructura cúbica centrada en las caras (FCC) llamada austenita.
Como se muestra en la Tabla 1, los aceros inoxidables de la serie 300 y otros aceros inoxidables tienen un contenido de níquel que produce una estructura austenítica.
Los aceros austeníticos han demostrado ser muy valiosos en muchas aplicaciones, incluso como material para tubos de sobrecalentador y recalentador de alta temperatura en calderas eléctricas. La serie 300 en particular se usa a menudo como material para tubos de intercambiadores de calor de baja temperatura, incluidos los condensadores de superficie de vapor. Sin embargo, es en estas aplicaciones donde muchos pasan por alto los posibles mecanismos de falla.
La principal dificultad con el acero inoxidable, especialmente con los populares materiales 304 y 316, es que la capa protectora de óxido a menudo se destruye por las impurezas en el agua de enfriamiento y por grietas y depósitos que ayudan a concentrar las impurezas. Además, en condiciones de cierre, el agua estancada puede provocar el crecimiento microbiano, cuyos subproductos metabólicos pueden ser muy dañinos para los metales.
Una impureza común del agua de refrigeración, y una de las más difíciles de eliminar económicamente, es el cloruro. Este ion puede causar muchos problemas en los generadores de vapor, pero en los condensadores y los intercambiadores de calor auxiliares, la principal dificultad es que los cloruros en concentraciones suficientes pueden penetrar y destruir la capa protectora de óxido del acero inoxidable, provocando corrosión localizada, es decir, picaduras.
Las picaduras son una de las formas de corrosión más insidiosas porque pueden causar penetraciones en las paredes y fallas en los equipos con poca pérdida de metal.
Las concentraciones de cloruro no tienen que ser muy altas para causar corrosión por picaduras en acero inoxidable 304 y 316, y para superficies limpias sin depósitos ni grietas, las concentraciones máximas de cloruro recomendadas ahora se consideran:
Varios factores pueden producir fácilmente concentraciones de cloruro que excedan estas pautas, tanto en general como en ubicaciones localizadas. Se ha vuelto muy raro considerar primero el enfriamiento de un solo paso para las nuevas plantas de energía. La mayoría están construidas con torres de enfriamiento o, en algunos casos, condensadores enfriados por aire (ACC). Para aquellos con torres de enfriamiento, la concentración de impurezas en los cosméticos puede "aumentar". 250 mg/l. Esto por sí solo generalmente debería descartar 304 SS. Además, en plantas nuevas y existentes, existe una necesidad creciente de reemplazar el agua dulce para recargar la planta. Una alternativa común son las aguas residuales municipales. La Tabla 2 compara el análisis de los cuatro suministros de agua dulce con los cuatro suministros de aguas residuales.
Tenga cuidado con el aumento de los niveles de cloruro (y otras impurezas, como el nitrógeno y el fósforo, que pueden aumentar en gran medida la contaminación microbiana en los sistemas de enfriamiento). Básicamente, para todas las aguas grises, cualquier circulación en la torre de enfriamiento excederá el límite de cloruro recomendado por 316 SS.
La discusión anterior se basa en el potencial de corrosión de las superficies metálicas comunes. Las fracturas y los sedimentos cambian drásticamente la historia, ya que ambos brindan lugares donde las impurezas pueden concentrarse. Una ubicación típica para las grietas mecánicas en los condensadores e intercambiadores de calor similares es en las uniones de la placa del tubo con el tubo. que convierten la superficie de acero restante en un ánodo.
La discusión anterior describe los problemas que los diseñadores de plantas normalmente no consideran cuando especifican los materiales de los tubos del condensador y del intercambiador de calor auxiliar para nuevos proyectos. La mentalidad con respecto al 304 y 316 SS a veces parece ser "eso es lo que siempre hemos hecho" sin considerar las consecuencias de tales acciones. Hay materiales alternativos disponibles para manejar las condiciones más duras del agua de enfriamiento que enfrentan muchas plantas ahora.
Antes de discutir los metales alternativos, se debe señalar brevemente otro punto. En muchos casos, un 316 SS o incluso un 304 SS funcionaron bien durante el funcionamiento normal, pero fallaron durante un corte de energía. En la mayoría de los casos, la falla se debe a un drenaje deficiente del condensador o intercambiador de calor que causa agua estancada en los tubos. Este entorno proporciona las condiciones ideales para el crecimiento de microorganismos. Las colonias microbianas a su vez producen compuestos corrosivos que corroen directamente el metal tubular.
Se sabe que este mecanismo, conocido como corrosión inducida por microbios (MIC), destruye las tuberías de acero inoxidable y otros metales en cuestión de semanas. Si no se puede drenar el intercambiador de calor, se debe considerar seriamente la circulación periódica de agua a través del intercambiador de calor y la adición de biocida durante el proceso. 39º Simposio de Química de Servicios Eléctricos.)
Para los ambientes severos mencionados anteriormente, así como ambientes más severos como el agua salobre o el agua de mar, se pueden usar metales alternativos para protegerse de las impurezas. Tres grupos de aleaciones han demostrado ser exitosos, titanio comercialmente puro, acero inoxidable austenítico con 6% de molibdeno y acero inoxidable superferrítico. Estas aleaciones también son resistentes a MIC. instalaciones con fuertes estructuras de soporte de tubos. Una excelente alternativa es el acero inoxidable superferrítico Sea-Cure®. La composición de este material se muestra a continuación.
El acero tiene un alto contenido de cromo pero bajo contenido de níquel, por lo que es un acero inoxidable ferrítico en lugar de un acero inoxidable austenítico. Debido a su bajo contenido de níquel, cuesta mucho menos que otras aleaciones. La alta resistencia y el módulo elástico de Sea-Cure permiten paredes más delgadas que otros materiales, lo que resulta en una mejor transferencia de calor.
Las propiedades mejoradas de estos metales se muestran en la tabla "Número equivalente de resistencia a las picaduras", que, como sugiere el nombre, es un procedimiento de prueba que se utiliza para determinar la resistencia de varios metales a la corrosión por picaduras.
Una de las preguntas más comunes es "¿Cuál es el contenido máximo de cloruro que puede tolerar un grado particular de acero inoxidable?"Las respuestas varían ampliamente. Los factores incluyen el pH, la temperatura, la presencia y el tipo de fracturas, y el potencial de especies biológicas activas. Se ha agregado una herramienta en el eje derecho de la Figura 5 para ayudar con esta decisión. una línea horizontal en el eje derecho. En general, si se va a considerar una aleación para aplicaciones salobres o de agua de mar, debe tener un CCT superior a 25 grados centígrados, según lo medido por la prueba G 48.
Está claro que las aleaciones súper ferríticas representadas por Sea-Cure® son generalmente adecuadas incluso para aplicaciones de agua de mar. Hay otro beneficio de estos materiales que debe enfatizarse. Se han observado problemas de corrosión por manganeso para 304 y 316 SS durante muchos años, incluso en plantas a lo largo del río Ohio. Recientemente, los intercambiadores de calor en plantas a lo largo de los ríos Mississippi y Missouri han sido atacados. 2) reaccionar con un biocida oxidante para generar ácido clorhídrico debajo del depósito. El HCl es lo que realmente ataca a los metales. [WH Dickinson y RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry";presentado en la Conferencia Anual de Corrosión NACE 2002, Denver, CO.] Los aceros ferríticos son resistentes a este mecanismo de corrosión.
La selección de materiales de grado superior para los tubos del condensador y del intercambiador de calor aún no sustituye el control químico adecuado del tratamiento del agua. Como el autor Buecker ha señalado en un artículo anterior sobre ingeniería energética, es necesario un programa de tratamiento químico diseñado y operado correctamente para minimizar el potencial de formación de incrustaciones, corrosión y ensuciamiento. La química con cloro, lejía o compuestos similares es la piedra angular del control microbiano, los tratamientos complementarios a menudo pueden mejorar la eficiencia de los programas de tratamiento. Un ejemplo de ello es la química de estabilización, que ayuda a aumentar la tasa de liberación y la eficiencia de los biocidas oxidantes a base de cloro sin introducir compuestos nocivos en el agua. Además, la alimentación complementaria con fungicidas no oxidantes puede ser muy beneficiosa para controlar el desarrollo microbiano. la consulta con expertos de la industria es importante para la elección de materiales y procedimientos químicos. Gran parte de este artículo está escrito desde una perspectiva de tratamiento de agua, no estamos involucrados en decisiones materiales, pero se nos pide que ayudemos a gestionar el impacto de esas decisiones una vez que el equipo esté en funcionamiento. La decisión final sobre la selección de materiales debe tomarla el personal de la planta en función de una serie de factores especificados para cada aplicación.
Acerca del autor: Brad Buecker es publicista técnico sénior en ChemTreat. Tiene 36 años de experiencia en la industria energética o está afiliado a ella, gran parte de ella en química de generación de vapor, tratamiento de agua, control de calidad del aire y en City Water, Light & Power (Springfield, IL) y Kansas City Power & Light Company está ubicada en La Cygne Station, Kansas. También pasó dos años como supervisor interino de agua/aguas residuales en una planta química. trabajo en Mecánica de Fluidos, Energía y Equilibrio de Materiales, y Química Inorgánica Avanzada.
Dan Janikowski es director técnico de Plymouth Tube. Durante 35 años, ha estado involucrado en el desarrollo de metales, la fabricación y las pruebas de productos tubulares, incluidas aleaciones de cobre, acero inoxidable, aleaciones de níquel, titanio y acero al carbono. Habiendo estado en Plymouth Metro desde 2005, Janikowski ocupó varios puestos directivos antes de convertirse en director técnico en 2010.