¿Cuánto cloruro?: Selección de materiales para intercambiadores de calor de centrales eléctricas

Una y otra vez, los autores han revisado las especificaciones de nuevos proyectos de energía en los que los diseñadores de la planta seleccionan rutinariamente acero inoxidable 304 o 316 como material de los tubos para los condensadores y los intercambiadores de calor auxiliares. Para muchos, el término acero inoxidable evoca un aura de invencibilidad frente a la corrosión, cuando en realidad los aceros inoxidables a veces pueden ser la peor opción debido a su susceptibilidad al ataque localizado. Y, en esta era de disminución de la disponibilidad de agua dulce para reponer el agua de enfriamiento, combinada con torres de enfriamiento que operan en ciclos altos de concentración, se magnifican los posibles mecanismos de falla del acero inoxidable. En algunas aplicaciones, los aceros inoxidables de la serie 300 han sobrevivido solo meses y, en ocasiones, solo semanas, antes de fallar. Este artículo destaca los problemas, principalmente desde la perspectiva del tratamiento del agua, que al menos deben tenerse en cuenta al seleccionar los materiales de los tubos del condensador. Otros factores que no se analizan en este artículo pero que juegan un papel en la selección de materiales incluyen la resistencia del material, las propiedades de transferencia de calor y la resistencia a las fuerzas mecánicas, incluida la fatiga y la erosión-corrosión.

Algunas definiciones

La adición de 12 por ciento o más de cromo al acero induce a la aleación a formar una capa continua de óxido que protege el metal base subyacente. Por lo tanto, el término inoxidable. En ausencia de otros materiales de aleación, sobre todo el níquel, los aceros al carbono forman parte del grupo de la ferrita, cuyas celdas unitarias tienen una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC).

Cuando se agrega níquel a una concentración del 8 por ciento o más a la mezcla de aleación, las celdas unitarias, incluso a temperatura ambiente, existen en una estructura cúbica centrada en las caras (FCC) conocida como austenita.

Como ilustra la Tabla 1, los aceros inoxidables de la serie 300 y otros tienen el contenido de níquel necesario para producir la estructura austenítica.

Los aceros austeníticos han demostrado ser muy valiosos en muchas aplicaciones, incluso como materiales para tubos de sobrecalentador y recalentador de alta temperatura en calderas de potencia. La serie 300 en particular ha servido comúnmente como material para tubos intercambiadores de calor de baja temperatura, incluidos los condensadores de superficie de vapor. Pero es en estas aplicaciones donde muchas personas pierden de vista los posibles mecanismos de falla.

Problemas de la serie 300

La principal dificultad con los aceros inoxidables, y particularmente con los populares materiales 304 y 316, es que con frecuencia la capa protectora de óxido puede romperse por las impurezas en el agua de enfriamiento y por la presencia de grietas y depósitos que ayudan a concentrar las impurezas. Además, durante las condiciones de cierre, el agua estancada permite el crecimiento microbiológico, cuyos subproductos metabólicos pueden ser muy dañinos para los metales.

Cloruro: el gorila de 800 libras en la habitación

Una impureza común del agua de refrigeración, que se encuentra entre las más difíciles de eliminar económicamente, es el cloruro. Este ion puede causar muchos problemas en un generador de vapor, pero en condensadores e intercambiadores de calor auxiliares, la principal dificultad es que, en una concentración suficiente, el cloruro penetrará y romperá la capa protectora de óxido en el acero inoxidable para inducir corrosión localizada, es decir, picaduras.

Las picaduras son una de las formas de corrosión más insidiosas, ya que pueden provocar la penetración a través de la pared y la falla del equipo con muy poca pérdida de metal.

La concentración de cloruro no tiene que ser grande para inducir picaduras en los aceros inoxidables 304 y 316, y ahora se considera que la concentración máxima de cloruro recomendada para superficies limpias sin depósitos ni hendiduras es:

Hay varios factores que pueden generar fácilmente concentraciones de cloruro por encima de estas pautas, ya sea en general o en puntos localizados. Primero considere que el enfriamiento de un solo paso para las nuevas plantas de energía se ha vuelto muy raro. La mayoría se están construyendo con torres de enfriamiento o, en algunos casos, condensadores enfriados por aire (ACC). Para aquellos con torres de enfriamiento, las impurezas en el maquillaje se "ciclan" en concentración. Por ejemplo, una torre con una concentración de cloruro de agua de reposición de 50 mg/l que opera en cinco ciclos de concentración tendría 250 mg/l de cloruro en el agua circulante. Eso por sí solo generalmente debería eliminar 304 SS de la consideración. Además, tanto en las plantas nuevas como en las existentes, se requieren cada vez más alternativas al agua dulce para la reposición de las plantas. Una alternativa común son los efluentes de aguas residuales municipales. La Tabla 2 ofrece una comparación de los análisis de cuatro suministros de agua dulce frente a cuatro suministros de aguas residuales.

Observe el aumento de los niveles de cloruro (y otras impurezas, como las especies de nitrógeno y el fósforo, que pueden aumentar en gran medida el ensuciamiento microbiológico en los sistemas de refrigeración). Para prácticamente todas las aguas grises, cualquier ciclo ascendente en una torre de enfriamiento excedería el límite de cloruro recomendado para 316 SS.

La discusión anterior se basó en el potencial de corrosión de las superficies metálicas simples. Las grietas y los depósitos alteran la historia dramáticamente, ya que ambos ofrecen lugares donde las impurezas pueden concentrarse. Las ubicaciones típicas de las grietas mecánicas en los condensadores e intercambiadores de calor similares son las uniones entre el tubo y la placa tubular. La deposición dentro de los tubos generará grietas en los límites del depósito, además de que los depósitos mismos pueden servir como sitios para la concentración de impurezas. Además, debido a que los aceros inoxidables dependen de una capa continua de óxido para su protección, los depósitos pueden establecer lugares de agotamiento de oxígeno que se vuelven anómalos en la superficie restante del acero.

La discusión mencionada anteriormente destaca los problemas que los diseñadores de plantas a menudo no consideran cuando especifican los materiales de los tubos del condensador y del intercambiador de calor auxiliar para nuevos proyectos. La mentalidad con respecto a 304 y 316 SS a veces todavía parece ser "Así es como siempre lo hemos hecho", sin tener en cuenta las consecuencias de tales acciones. Hay materiales alternativos disponibles para manejar las condiciones más duras del agua de refrigeración a las que se enfrentan ahora muchas plantas.

Otro punto debe abordarse brevemente antes de discutir los metales alternativos. Ha habido muchos casos en los que el 316 SS e incluso el 304 SS se han desempeñado bien durante el funcionamiento normal, pero luego han fallado durante las interrupciones. En la mayoría de los casos, las fallas se deben a un drenaje deficiente del condensador o del intercambiador de calor que permite que el agua estancada se estanque en los tubos. Este entorno proporciona las condiciones ideales para el crecimiento microbiológico. Las colonias microbianas a su vez producen compuestos corrosivos que atacarán directamente el metal del tubo.

Se sabe que este mecanismo, denominado corrosión inducida microbiológicamente (MIC), destruye tubos de acero inoxidable y otros metales en cuestión de semanas. Si el intercambiador de calor no se puede drenar, entonces se debe pensar seriamente en hacer circular agua a través del intercambiador de manera regular con alimentación de biocida durante el proceso. (Se pueden encontrar más detalles sobre los procedimientos adecuados de disposición en D. Janikowski, "CONDENSER AND BOP INTERCHANGER LAYUP — Do's and Don't"; presentado en el 39.º Taller Anual de Química de Servicios Eléctricos, del 4 al 6 de junio de 2019, Champaign, Illinois. )

Materiales alternativos

Para los ambientes difíciles resaltados anteriormente, y para ambientes aún más agresivos, como agua salobre o agua de mar, hay disponibles metales alternativos para resistir las impurezas. Tres grupos de aleaciones han demostrado ser exitosos, el titanio comercialmente puro, los aceros inoxidables con un 6% de molibdeno austenítico y los aceros inoxidables súper ferríticos. Estas aleaciones también son resistentes a MIC. Aunque se considera que el titanio es muy resistente a la corrosión, su estructura cristalina compacta hexagonal y su módulo de elasticidad muy bajo lo hacen susceptible al daño mecánico. Esta aleación se utiliza mejor en unidades nuevas que tienen una estructura de soporte de tubo robusta. 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 austenítico. Con su bajo contenido de níquel, puede tener un costo significativamente menor que otras aleaciones. La alta resistencia y el módulo de elasticidad de Sea-Cure permiten paredes más delgadas que las de otros materiales, lo que resulta en una mejor transferencia de calor.

El rendimiento mejorado de estos metales se muestra en la tabla de "Número equivalente de resistencia a las picaduras", que fue un procedimiento de prueba desarrollado para determinar, como su nombre lo indica, la resistencia de varios metales a las picaduras.

¿Cuáles son los niveles máximos de cloruro que podemos usar?

Una de las preguntas más comunes es "¿Cuál es el nivel máximo de cloruro que se puede tolerar para un grado particular de acero inoxidable?" La respuesta varía considerablemente. Los factores incluyen el pH, la temperatura, la presencia y el tipo de grietas y el potencial de especies biológicas activas. Se agrega una herramienta en el eje derecho de la Figura 5 para ayudar en esta decisión. Se basa en tener un flujo de agua de pH neutro a 35 grados centígrados (para evitar que se acumulen depósitos y se formen grietas) común en muchas aplicaciones de condensación y BOP. Una vez que se selecciona una aleación con una química particular, se puede determinar el PREn y luego cruzarlo con la línea inclinada apropiada. El nivel máximo de cloruro sugerido se puede determinar dibujando una línea horizontal en el eje derecho. En general, si se considera una aleación para aplicaciones salobres o de agua de mar, debe tener un CCT superior a 25 grados centígrados medido por la prueba G 48.

Al usar esta guía, se deben considerar advertencias adicionales:

Como es evidente, las aleaciones superferríticas, ejemplificadas por Sea-Cure®, suelen ser adecuadas incluso para aplicaciones de agua de mar. También hay otro beneficio de estos materiales que debe ser resaltado. Durante años se han observado problemas con la corrosión por manganeso de 304 y 316 SS, incluidas las plantas a lo largo del río Ohio. Más recientemente, se han atacado intercambiadores de calor en plantas a lo largo de los ríos Mississippi y Missouri. La corrosión por manganeso también es un problema común en los sistemas alimentados por agua de pozo. El mecanismo de corrosión ha sido identificado como una reacción del dióxido de manganeso (MnO2) con biocidas oxidantes que crean ácido clorhídrico debajo del depósito. HCl es lo que realmente ataca al metal. [WH Dickinson y RW Pick, "Corrosión dependiente del manganeso en la industria de servicios públicos eléctricos"; presentado en la NACE Annual Corrosion Conference2002, Denver, Colorado.] Los aceros ferríticos son resistentes a este mecanismo de corrosión.

Incluso con actualizaciones de materiales, no descuide la química adecuada del tratamiento del agua

La selección de materiales de calidad superior para los tubos del condensador y del intercambiador de calor no sustituye el control químico adecuado del tratamiento del agua. Como el autor Buecker ha señalado en artículos anteriores de Power Engineering, los programas de tratamiento químico correctamente diseñados y operados son necesarios para minimizar el potencial de incrustaciones, corrosión y ensuciamiento. La química de polímeros está emergiendo como un fuerte reemplazo de la antigua química de fosfatos/fosfonatos para controlar la corrosión y las incrustaciones en los sistemas de torres de enfriamiento. El control del ensuciamiento microbiológico es, y seguirá siendo, un tema crítico. Si bien la química oxidante con cloro, lejía o compuestos similares es una piedra angular para el control microbiológico, los tratamientos complementarios a menudo pueden mejorar la eficiencia de los programas de tratamiento. Un ejemplo de ello es la química estabilizadora que ayuda a mejorar la tasa de liberación y la eficiencia de los biocidas oxidantes a base de cloro, sin introducir ningún compuesto peligroso en el agua. Además, la alimentación suplementaria de un biocida no oxidante puede ser muy beneficiosa para controlar el desarrollo microbiano. El resultado es que hay varios métodos disponibles para mejorar la sostenibilidad y la confiabilidad de los intercambiadores de calor de las centrales eléctricas, pero cada sistema es diferente y, por lo tanto, es importante una planificación cuidadosa y la consulta con expertos de la industria para la selección de materiales y programas químicos. Este artículo está escrito en gran parte desde la perspectiva del tratamiento del agua, donde no participamos en la toma de decisiones sobre los materiales, pero estamos llamados a ayudar a gestionar el impacto de esas decisiones una vez que la unidad esté en funcionamiento. La decisión final sobre la selección de materiales debe tomarla el personal de la planta según una serie de factores que dicta cada aplicación.

Sobre el autor: Brad Buecker es publicista técnico sénior de ChemTreat. Tiene 36 años de experiencia en la industria de la energía o está afiliado a ella, gran parte de ella en puestos de química de generación de vapor, tratamiento de agua, control de calidad del aire y ingeniería de resultados en City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) y Kansas City Power & La estación de La Cygne, Kansas de Light Company. También pasó dos años como supervisor interino de agua/aguas residuales en una planta química. Buecker tiene una licenciatura en química de la Universidad Estatal de Iowa con cursos adicionales en mecánica de fluidos, balances de energía y materiales y química inorgánica avanzada.

dan janikowski es director técnico de Plymouth Tube. Ha estado involucrado en el desarrollo de metales y la fabricación y prueba de productos tubulares que incluyen aleaciones de cobre, aceros inoxidables, aleaciones de níquel, titanio y aceros al carbono durante más de 35 años. Habiendo estado en Plymouth Tube desde 2005, Janikowski ocupó varios puestos de alto nivel antes de convertirse en gerente técnico en 2010.