Lucha contra la corrosión en circuitos de refrigeración

Rich Roser, gerente de Laird Engineered Thermal Systems | 21 de noviembre de 2017

Muchas aplicaciones de enfriamiento requieren alta pureza en el fluido de enfriamiento del proceso. La corrosión contamina los fluidos, mientras que los requisitos de pureza para esos fluidos pueden contarse en partes por billón. En la mayoría de las aplicaciones, la corrosión del metal puede controlarse, ralentizarse o incluso detenerse mediante el uso de materiales y técnicas de prevención adecuados.

La corrosión en los circuitos de enfriamiento de líquidos puede ser causada por la acción química, electroquímica o abrasiva del fluido de transferencia de calor en las superficies mojadas. Las capas de productos químicos formadas por la corrosión pueden inhibir la transferencia de calor adecuada entre el líquido y las superficies metálicas mojadas. Los productos corrosivos pueden introducir desechos en el sistema de fluidos, lo que afecta el flujo de fluido, obstruye los filtros y las restricciones estrictas, o incluso daña los componentes de la bomba. En condiciones extremas, se pueden formar fugas.

Elegir los materiales adecuados

El acero inoxidable, y en particular el acero inoxidable de la serie 300 (austenítico), es inerte frente a casi todos los fluidos de transferencia de calor debido a la naturaleza de la capa de pasivación de óxido de cromo (III) que cubre las superficies de dichos aceros. Cuando se usa agua desionizada, el acero inoxidable y el níquel se consideran apropiados para superficies mojadas. Aunque el acero inoxidable es excelente para usar contra la corrosión en la mayoría de los casos, tiene una desventaja significativa. El acero inoxidable tiene una conductividad térmica bastante baja, especialmente en comparación con otros metales como el aluminio o el cobre. Sin embargo, las altas concentraciones de cloruro pueden superar la resistencia del acero inoxidable.

El aluminio tiende a ser susceptible a la corrosión o picaduras debido a las impurezas del agua no purificada. Incluso con una solución de glicol en agua destilada, tanto el etilenglicol como el propilenglicol forman compuestos ácidos bajo oxidación. Esto se vuelve corrosivo en las superficies mojadas y forma subproductos de ácidos orgánicos. Para evitar esto, los inhibidores de la corrosión se agregan habitualmente al glicol, en cuyo caso, su desempeño como retardante de la corrosión es mucho mejor que el del agua corriente.

La anodización de superficies de aluminio húmedo es la formación de una capa pasivada de óxido de aluminio (III) (Al2O3). Esto forma una capa más gruesa, por órdenes de magnitud, que la fina capa pasivada natural que se forma sobre el aluminio expuesto. La capa natural no es una barrera eficaz contra la corrosión, pero una capa anodizada puede serlo, siempre que se mantengan niveles de pH moderados y la concentración de iones de haluro se mantenga baja. Otros metales se pueden proteger con revestimientos como pintura o galvanoplastia. Las pinturas y recubrimientos anticorrosivos se usan comúnmente para proteger los metales de la degradación debido a la humedad, la niebla salina, la oxidación o la exposición a una variedad de condiciones ambientales o productos químicos industriales. Estas pinturas y revestimientos resistentes a la corrosión ofrecen protección adicional para las superficies metálicas. También se pueden aplicar revestimientos metálicos o chapado para inhibir la corrosión.

Las aleaciones de cobre y cobre-níquel tienen una buena resistencia a la corrosión y una resistencia natural al crecimiento biológico. Sin embargo, al igual que con el aluminio, se deben emplear inhibidores de corrosión para evitar la corrosión ácida.

Resolviendo el Desafío de la Corrosión del Pozo

Las picaduras también son una preocupación en los circuitos de enfriamiento. En un área de baja velocidad, se puede formar un hoyo debido a la alta concentración localizada de un agente de corrosión, como los iones de haluro. Una vez formada, la tasa de corrosión en la fosa se acelera debido a que el volumen dentro de la fosa no intercambia fluido con el resto del volumen de fluido, lo que resulta en concentraciones cada vez mayores de iones corrosivos y la expansión de la fosa.

El daño de este tipo de corrosión es particularmente peligroso, ya que ocurre con poco efecto observable en la apariencia o el rendimiento, y la corrosión afecta solo a una pequeña porción de la superficie. Sin embargo, la corrosión se propaga profundamente en el metal y puede crear fugas sin previo aviso.

Al igual que con otras formas de corrosión, la alta concentración de haluros, especialmente en presencia de oxígeno y niveles de pH más altos o más bajos, creará las condiciones ideales para que se produzcan picaduras en el aluminio o el acero. Se deben evitar las ubicaciones de flujo estancado y se pueden agregar inhibidores de corrosión para eliminar el oxígeno.

Superar la corrosión galvánica

La corrosión galvánica es el resultado de la diferencia en el potencial de electrodo de dos materiales diferentes en contacto a través de un camino eléctricamente conductor y un electrolito suficientemente conductor. Específicamente, es el resultado natural de los materiales que cambian químicamente a su estado más estable en un sistema con otros componentes capaces de transportar o absorber electrones e iones. La ruta eléctricamente conductora ocurrirá típicamente a través de plomería y hardware metálicos que conforman el sistema de enfriamiento.

El menos noble de los dos metales se corroerá con el tiempo y se disolverá en el agua. El aluminio y el cobre, dos metales de transferencia de calor comúnmente utilizados, son ejemplos de metales diferentes que tienden a provocar problemas de corrosión galvánica en la transferencia de calor. Las combinaciones de aleaciones de acero y cobre pueden ser problemáticas si se permite que el cobre se disuelva en el fluido y se deposite sobre las superficies de acero, lo que da como resultado una acción galvánica agresiva sobre el acero.

La selección de materiales húmedos que sean electroquímicamente similares reducirá el potencial entre ellos y reducirá la velocidad de la acción galvánica. La consulta de la serie galvánica mostrará la clasificación de los metales y su reactividad en un fluido, típicamente disponible para agua de mar y agua dulce. Cuanto mayor sea la diferencia entre los dos metales en cuestión, mayor será la velocidad de corrosión en el metal anódico menos noble.

La erosión como una forma de corrosión

La erosión es otra preocupación. La erosión ocurre cuando hay abrasión por desechos de materia sólida y altas velocidades de fluidos. La filtración adecuada, o mejor aún, el uso de las prácticas descritas anteriormente, reducirá la cantidad de desechos que deben tratarse. El problema de las altas velocidades de los fluidos requiere más análisis. Una ubicación de corrosión localizada tiende a estar protegida de una mayor corrosión en un volumen estancado por los productos de corrosión pasivados, pero el aumento de la velocidad del fluido alejará los productos y descubrirá el metal susceptible que no ha reaccionado debajo.

Estrategias para prevenir la corrosión

Se pueden agregar inhibidores de corrosión específicos para el metal a proteger a los fluidos refrigerantes, aunque estos pueden requerir un mantenimiento adicional para recargar el inhibidor, ya que se agotará con el tiempo. Diferentes tipos de fluidos, como agua destilada limpia, pueden reducir la tasa de corrosión. Se puede usar un fluido de transferencia de calor dieléctrico para eliminar el camino iónico del metal corrosivo si los requisitos del proceso y de rendimiento permitieran su uso.

La protección catódica es un método empleado para proteger contra la corrosión galvánica. La protección catódica utiliza un metal reactivo más sacrificado para actuar como ánodo preferencial. Funciona convirtiendo las áreas anódicas (activas) de sacrificio en la superficie de un metal en áreas catódicas (pasivas) mediante la aplicación de una corriente opuesta. La colocación adecuada del ánodo de sacrificio con respecto a los ánodos y cátodos es un asunto complejo. Se pueden emplear uniones dieléctricas para romper el camino conductor entre metales diferentes. Se debe tener especial cuidado con los componentes de ferretería y plomería, asegurándose de que no sean una fuente de metal diferente para la corrosión.

Para la prevención de la erosión, las restricciones de flujo y los cambios de dirección crean la oportunidad para regiones localizadas de alta velocidad, incluso cuando la tasa de flujo volumétrico general a través del sistema parece corresponder a una velocidad de fluido manejable. Deben evitarse cambios repentinos en el diámetro de los tubos o tuberías, especialmente de diámetros mayores a menores. Los cambios de dirección deben permitir el máximo radio de giro posible, con la eliminación de proyecciones agudas o huecos en la trayectoria del flujo.

Equilibrio de la resistencia a la corrosión y la eficacia del enfriamiento

Por supuesto, una mayor velocidad del fluido suele ser una característica de diseño deseada en un sistema de enfriamiento, con un rendimiento de transferencia de calor mejorado entre el fluido y las superficies de transferencia de calor. Esto requiere que se establezca un equilibrio entre el rendimiento de la transferencia de calor y la resistencia a largo plazo a los efectos de la corrosión por erosión. Deben evitarse velocidades superiores a 1-2 m/s en cualquier ubicación. Además, las velocidades de fluido aceptables disminuyen según la susceptibilidad de la superficie mojada en cuestión y la temperatura y agresividad del fluido de transferencia de calor, con temperaturas más altas obviamente aumentando la tasa de ataque químico en la superficie mojada.

Ningún metal es impermeable a la corrosión en todos los entornos. Sin embargo, a través de la comprensión de las condiciones clave que causan la corrosión, el monitoreo constante y el mantenimiento, la corrosión puede contenerse e incluso controlarse. El monitoreo de las condiciones de la superficie y la implementación de métodos de prevención apropiados son vitales para proteger los circuitos de enfriamiento contra el deterioro y la corrosión del metal.

Rich Roser es gerente de Laird Engineered Thermal Systems. Laird es una empresa de tecnología global enfocada en proporcionar sistemas, componentes y soluciones que permiten la conectividad a través de aplicaciones inalámbricas y sistemas de antena que protegen la electrónica de la interferencia electromagnética y el calor.

Imagen cortesía de Laird.

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