Quanto cloruro?: Selezione dei materiali per gli scambiatori di calore delle centrali elettriche

Di volta in volta, gli autori hanno esaminato le specifiche di nuovi progetti energetici in cui i progettisti dell'impianto scelgono abitualmente l'acciaio inossidabile 304 o 316 come materiale del tubo per condensatori e scambiatori di calore ausiliari. Per molti, il termine acciaio inossidabile evoca un’aura di invincibilità alla corrosione, quando in realtà gli acciai inossidabili a volte possono essere la scelta peggiore a causa della loro suscettibilità agli attacchi localizzati. E, in quest’epoca in cui la disponibilità di acqua dolce diminuisce per il reintegro dell’acqua di raffreddamento, combinata con le torri di raffreddamento che funzionano a cicli di concentrazione elevati, i potenziali meccanismi di guasto dell’acciaio inossidabile sono amplificati. In alcune applicazioni, gli acciai inossidabili della serie 300 sono sopravvissuti solo per mesi, e talvolta solo settimane, prima di cedere. Questo articolo evidenzia i problemi, principalmente dal punto di vista del trattamento dell'acqua, che dovrebbero almeno essere considerati quando si selezionano i materiali dei tubi del condensatore. Altri fattori non discussi in questo articolo ma che giocano un ruolo nella selezione dei materiali includono la resistenza del materiale, le proprietà di trasferimento del calore e la resistenza alle forze meccaniche, comprese la fatica e l'erosione-corrosione.

Alcune definizioni

L'aggiunta del 12% o più di cromo all'acciaio induce la lega a formare uno strato di ossido continuo che protegge il metallo base sottostante. Pertanto, il termine inossidabile. In assenza di altri materiali in lega, in particolare il nichel, gli acciai al carbonio fanno parte del gruppo della ferrite, le cui celle unitarie hanno una struttura cubica a corpo centrato (BCC).

Quando alla miscela di lega viene aggiunto nichel con una concentrazione dell'8% o superiore, le celle unitarie, anche a temperatura ambiente, esistono in una struttura cubica a facce centrate (FCC) nota come austenite.

Come illustra la Tabella 1, gli acciai inossidabili della serie 300 e altri hanno il contenuto di nichel necessario per produrre la struttura austenitica.

Gli acciai austenitici hanno dimostrato di essere molto preziosi in molte applicazioni, compresi come materiali per tubi di surriscaldamento e postriscaldamento ad alta temperatura nelle caldaie elettriche. La serie 300 in particolare è comunemente utilizzata come materiale per i tubi degli scambiatori di calore a bassa temperatura, compresi i condensatori di superficie del vapore. Ma è proprio in queste applicazioni che molte persone perdono di vista i potenziali meccanismi di fallimento.

Problemi della serie 300

La difficoltà principale con gli acciai inossidabili, e in particolare con i popolari materiali 304 e 316, è che spesso lo strato protettivo di ossido può essere distrutto dalle impurità presenti nell'acqua di raffreddamento e dalla presenza di fessure e depositi che aiutano a concentrare le impurità. Inoltre, durante le condizioni di arresto, l’acqua stagnante consente la crescita microbiologica, i cui sottoprodotti metabolici possono essere altamente dannosi per i metalli.

Cloruro: il gorilla da 800 libbre nella stanza

Una comune impurità dell'acqua di raffreddamento, tra le più difficili da rimuovere a livello economico, è il cloruro. Questo ione può causare molti problemi in un generatore di vapore, ma nei condensatori e negli scambiatori di calore ausiliari la difficoltà principale è che in una concentrazione sufficiente il cloruro penetra e distrugge lo strato protettivo di ossido sull'acciaio inossidabile inducendo corrosione localizzata, cioè vaiolatura.

La vaiolatura è una delle forme di corrosione più insidiose, poiché può causare la penetrazione attraverso la parete e il guasto delle apparecchiature con una perdita di metallo minima.

La concentrazione di cloruro non deve essere elevata per indurre vaiolatura degli acciai inossidabili 304 e 316 e la concentrazione massima raccomandata di cloruro per superfici pulite senza depositi o fessure è ora considerata:

Esistono diversi fattori che possono facilmente generare concentrazioni di cloruro superiori a queste linee guida, sia in generale che in punti localizzati. Innanzitutto si consideri che il raffreddamento una tantum per le nuove centrali elettriche è diventato molto raro. La maggior parte viene costruita con torri di raffreddamento o, in alcuni casi, condensatori raffreddati ad aria (ACC). Per quelli con torri di raffreddamento, le impurità nella composizione vengono "riciclate" in concentrazione. Ad esempio, una torre con una concentrazione di cloruro nell'acqua di reintegro di 50 mg/l che funziona a cinque cicli di concentrazione avrebbe 250 mg/l di cloruro nell'acqua circolante. Questo da solo dovrebbe di solito eliminare 304 SS dalla considerazione. Inoltre, sia negli impianti nuovi che in quelli già esistenti, sono sempre più necessarie alternative all'acqua dolce per la composizione delle piante. Un'alternativa comune è l'effluente delle acque reflue municipali. La tabella 2 offre un confronto tra le analisi di quattro forniture di acqua dolce e quattro forniture di acque reflue.