Quanto cloreto?: Seleção de materiais de trocadores de calor para usinas elétricas

Vez após vez, os autores revisaram novas especificações de projetos de energia nas quais os projetistas de usinas rotineiramente selecionam aço inoxidável 304 ou 316 como material de tubo para condensadores e trocadores de calor auxiliares. Para muitos, o termo aço inoxidável evoca uma aura de invencibilidade à corrosão, quando na verdade os aços inoxidáveis ​​às vezes podem ser a pior escolha devido à sua suscetibilidade a ataques localizados. E, nesta era de diminuição da disponibilidade de água doce para reposição de água de resfriamento, combinada com torres de resfriamento que operam em altos ciclos de concentração, os possíveis mecanismos de falha de aço inoxidável são ampliados. Em algumas aplicações, os aços inoxidáveis ​​da série 300 sobreviveram por apenas meses e, às vezes, apenas semanas, antes de falhar. Este artigo destaca questões, principalmente de uma perspectiva de tratamento de água, que devem ser consideradas pelo menos ao selecionar os materiais dos tubos do condensador. 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.

Algumas definições

A adição de 12% ou mais de cromo ao aço induz a liga a formar uma camada contínua de óxido que protege o metal base subjacente. Assim, o termo inoxidável. Na ausência de outros materiais de liga, principalmente o níquel, os aços carbono fazem parte do grupo das ferritas, cujas células unitárias possuem estrutura cúbica de corpo centrado (BCC).

Quando o níquel em concentração de 8% ou mais é adicionado à mistura de liga, as células unitárias, mesmo à temperatura ambiente, existem em uma estrutura cúbica de face centrada (FCC) conhecida como austenita.

Como ilustra a Tabela 1, os aços inoxidáveis ​​da série 300 e outros têm teor de níquel para produzir a estrutura austenítica.

Os aços austeníticos provaram ser muito valiosos em muitas aplicações, inclusive como materiais para superaquecedores de alta temperatura e tubos reaquecedores em caldeiras de força. A série 300, em particular, costuma servir como material para tubos de troca de calor de baixa temperatura, incluindo condensadores de superfície para vapor. Mas é nessas aplicações que muitas pessoas perdem de vista os possíveis mecanismos de falha.

Problemas da série 300

A principal dificuldade com os aços inoxidáveis, e particularmente com os populares materiais 304 e 316, é que frequentemente a camada protetora de óxido pode ser rompida por impurezas na água de resfriamento e pela presença de fendas e depósitos que ajudam a concentrar as impurezas. Além disso, durante as condições de desligamento, a água parada permite o crescimento microbiológico, cujos subprodutos metabólicos podem ser altamente prejudiciais aos metais.

Chloride - O gorila de 800 libras na sala

Uma impureza comum da água de resfriamento, que está entre as mais difíceis de remover economicamente, é o cloreto. Este íon pode causar muitos problemas em um gerador de vapor, mas em condensadores e trocadores de calor auxiliares a principal dificuldade é que, em concentração suficiente, o cloreto penetrará e romperá a camada protetora de óxido no aço inoxidável para induzir corrosão localizada, ou seja, pitting.

O pitting é uma das formas mais insidiosas de corrosão, pois pode causar penetração na parede e falha do equipamento com muito pouca perda de metal.

A concentração de cloreto não precisa ser grande para induzir corrosão nos aços inoxidáveis ​​304 e 316, e a concentração máxima recomendada de cloreto para superfícies limpas sem quaisquer depósitos ou fendas é agora considerada como sendo:

Existem vários fatores que podem facilmente gerar concentrações de cloreto acima dessas diretrizes, seja em geral ou em pontos localizados. Primeiro, considere que o resfriamento único para novas usinas de energia tornou-se muito raro. A maioria está sendo construída com torres de resfriamento ou, em alguns casos, condensadores resfriados a ar (ACC). Para aqueles com torres de resfriamento, as impurezas na maquiagem são "recicladas" em concentração. Por exemplo, uma torre com uma concentração de cloreto de água de reposição de 50 mg/l que opera em cinco ciclos de concentração teria 250 mg/l de cloreto na água circulante. Isso por si só deve eliminar 304 SS de consideração. Além disso, em plantas novas e existentes, alternativas à água doce para a composição das plantas estão sendo cada vez mais necessárias. Uma alternativa comum é o efluente de águas residuais municipais. A Tabela 2 oferece uma comparação de análises de quatro fontes de água potável versus quatro fontes de águas residuais.