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 tubos de condensadores e trocadores de calor auxiliares. ificado.Em algumas aplicações, o aço inoxidável da série 300 sobreviverá apenas por meses, às vezes apenas semanas, antes de falhar.Este artigo enfoca pelo menos as questões que devem ser consideradas ao escolher os materiais do tubo do condensador de uma perspectiva de tratamento de água.Outros fatores não discutidos neste documento, mas que desempenham um papel na seleção do material 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 contínua de óxido que protege o metal base por baixo. Daí o termo aço inoxidável.
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.
Os aços austeníticos provaram ser muito valiosos em muitas aplicações, inclusive como material para superaquecedores de alta temperatura e tubos reaquecedores em caldeiras de força. 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 negligenciam possíveis 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 as impurezas.
Uma impureza comum da 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 cloretos em concentrações suficientes podem penetrar e destruir a camada protetora de óxido no aço inoxidável, causando corrosão localizada, ou seja, corrosão por pites.
O pitting é uma das formas mais insidiosas de corrosão porque pode causar penetrações na parede e falha do equipamento com pouca perda de metal.
As concentrações de cloreto não precisam ser muito altas para causar corrosão por picadas nos aços inoxidáveis ​​304 e 316 e, para superfícies limpas sem quaisquer depósitos ou fendas, as concentrações máximas de cloreto recomendadas são agora 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 único para novas usinas de energia. A maioria é construída com torres de resfriamento ou, em alguns casos, condensadores resfriados a ar (ACC). 50 mg/l. Isso sozinho geralmente deve descartar 304 SS. Além disso, em plantas novas e existentes, há uma necessidade crescente de substituir a água doce para recarga da planta. 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.
Cuidado com o aumento dos níveis 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 316 SS.
A discussão anterior é baseada no potencial de corrosão de superfícies metálicas comuns.Fraturas e sedimentos mudam drasticamente a história, já que ambos fornecem lugares onde as impurezas podem se concentrar.Um local típico para rachaduras mecânicas em condensadores e trocadores de calor semelhantes é nas junções de chapa tubo a tubo.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 o aço restante superfície em um ânodo.
A discussão acima descreve questões que os projetistas de plantas normalmente não consideram ao especificar materiais de tubo de trocador de calor auxiliar e condensador para novos projetos. A mentalidade em relação ao 304 e 316 SS às vezes ainda parece ser "isso é o que sempre fizemos" sem considerar as consequências de tais ações. Materiais alternativos estão disponíveis para lidar com as condições de água de resfriamento mais severas que muitas plantas agora enfrentam.
Antes de discutir os metais alternativos, outro ponto deve ser mencionado brevemente.Em muitos casos, um 316 SS ou mesmo um 304 SS teve um bom desempenho durante a operação normal, mas falhou durante uma queda de energia.Na maioria dos casos, a falha se deve à má drenagem do condensador ou do trocador de calor, causando água estagnada nos tubos.Esse ambiente oferece condições ideais para o crescimento de microorganismos.As colônias microbianas, por sua vez, produzem compostos corrosivos que corroem diretamente o metal tubular.
Este mecanismo, conhecido como corrosão induzida por micróbios (MIC), é conhecido por destruir tubos de aço inoxidável e outros metais em semanas. Se o trocador de calor não puder ser drenado, deve-se considerar seriamente a circulação periódica de água através do trocador de calor e a adição de biocida durante o processo. o 39º Simpósio de Química de Utilidades Elétricas.)
Para os ambientes hostis destacados acima, bem como ambientes mais hostis, como água salobra ou água do mar, metais alternativos podem ser usados ​​para afastar as impurezas.Três grupos de ligas provaram ser bem-sucedidos, titânio comercialmente puro, aço inoxidável austenítico com 6% de molibdênio e aço inoxidável superferrítico.Essas ligas também são resistentes a 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 fortes estruturas de suporte de tubos. Uma excelente alternativa é o aço inoxidável superferrítico Sea-Cure®. A composição deste material é mostrada abaixo.
O aço é rico em cromo, mas baixo em níquel, por isso é um aço inoxidável ferrítico em vez de um aço inoxidável austenítico. Devido ao seu baixo teor de níquel, 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 no gráfico “Número Equivalente de Resistência a Pitting”, 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 é baseada em pH neutro, água corrente de 35°C comumente encontrada em muitas aplicações de BOP e condensação (para evitar a formação de depósitos e formação de rachaduras). Uma vez selecionada uma liga com uma composição química específica, PREn pode ser determinado e, em seguida, cruzado com a barra apropriada. O nível máximo recomendado de cloreto pode ser determinado desenhando um linha horizontal no eixo direito. Em geral, se uma liga deve ser considerada para aplicações salobras ou de água do mar, ela precisa ter um CCT acima de 25 graus Celsius medido pelo teste G 48.
É claro que as ligas superferríticas representadas por Sea-Cure® são geralmente adequadas para aplicações em água do mar. Há outro benefício para esses materiais que deve ser enfatizado. Problemas de corrosão de manganês foram observados para SS 304 e 316 por 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. reagindo com um biocida oxidante para gerar ácido clorídrico sob o depósito. 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 em 2002, Denver, CO.] Os aços ferríticos são resistentes a esse mecanismo de corrosão.
A seleção de materiais de qualidade superior para os tubos do condensador e do trocador de calor ainda não substitui o controle químico adequado do tratamento de água. ou compostos semelhantes são a base do controle microbiano, os tratamentos suplementares geralmente podem 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 quaisquer compostos nocivos na água.Além disso, a alimentação suplementar com fungicidas não oxidantes pode ser muito benéfica no controle do desenvolvimento microbiano. para a escolha de materiais e procedimentos químicos.Muito deste artigo foi escrito 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 funcionando.A decisão final sobre a seleção de materiais deve ser tomada pelo pessoal da fábrica com base em vários fatores especificados para cada aplicação.
Sobre o autor: Brad Buecker é Publicitário Técnico Sênior na ChemTreat. Ele tem 36 anos de experiência ou afiliado à indústria de energia, muitos deles 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. em Mecânica dos Fluidos, Equilíbrio de Energia e Materiais e Química Inorgânica Avançada.
Dan Janikowski é gerente técnico da Plymouth Tube. Por 35 anos, ele esteve envolvido no desenvolvimento de metais, fabricação e teste 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 seniores antes de se tornar gerente técnico em 2010.