Per gli ingegneri responsabili dei riscaldatori di bypass delle torri di raffreddamento nei sistemi HVAC e nel raffreddamento dei processi industriali, la combinazione dell'acqua di ricircolo con concentrazioni variabili di cloruro e il funzionamento intermittente del riscaldatore crea un ambiente difficile per la corrosione. L'acqua della torre di raffreddamento contiene tipicamente 200–2.000 ppm di cloruro provenienti dall'acqua di reintegro e dalla concentrazione di evaporazione, con picchi superiori a 5.000 ppm durante i mesi estivi. I riscaldatori di bypass funzionano per prevenire il congelamento in inverno o per mantenere la temperatura del processo, spesso accendendosi e spegnendosi con sbalzi di temperatura significativi. Una guaina in acciaio inossidabile 316 da 1,2 mm è comune a causa dei requisiti di risposta termica e dei vincoli di costo. Questo articolo identifica la combinazione specifica di concentrazione di cloruro e temperatura superficiale della guaina alla quale una guaina 316 da 1,2 mm subisce la penetrazione di vaiolatura entro 90 giorni di servizio.
Comportamento della vaiolatura del 316 nell'acqua della torre di raffreddamento
La resistenza alla vaiolatura del 316 nelle soluzioni di cloruro è regolata dalla temperatura critica di vaiolatura, che diminuisce all'aumentare della concentrazione di cloruro. Nell'acqua della torre di raffreddamento con 500 ppm di cloruro, la temperatura critica di vaiolatura è di circa 60°C. A 1.000 ppm scende a 50°C. A 2.000 ppm si scende a 40°C. A 5.000 ppm, la temperatura critica è di circa 25°C. Per un riscaldatore di bypass, la temperatura della superficie della guaina è generalmente di 15–30°C superiore alla temperatura dell'acqua in massa a causa della densità di watt. Una torre di raffreddamento che funziona a 30°C di acqua sfusa con un riscaldatore da 8 W/cm² produce una temperatura superficiale della guaina di 45–55°C. Se la concentrazione di cloruro è di 1.000 ppm, la temperatura critica di vaiolatura di 50°C viene avvicinata o superata e la vaiolatura inizia nel giro di giorni o settimane. Una volta iniziati, gli alveoli si propagano a una velocità di 0,2–1,0 mm al mese nell'acqua calda della torre di raffreddamento, penetrando in una parete di 1,2 mm in 1–4 mesi. La soglia di penetrazione di 90 giorni (3 mesi) viene raggiunta quando la combinazione della concentrazione di cloruro e della temperatura superficiale della guaina produce l'instaurarsi di cavità entro 30 giorni e il completamento della propagazione entro i successivi 60 giorni.
Soglie critiche per la penetrazione di 90 giorni
Sulla base dei test di immersione di 316 campioni nell'acqua di una torre di raffreddamento sintetica con livelli tipici di ossigeno disciolto e pH 7,5–8,5, le seguenti combinazioni di concentrazione di cloruro e temperatura superficiale della guaina producono penetrazione di vaiolatura entro 90 giorni per una parete di 1,2 mm.
| Concentrazione di cloruro (ppm) | Temperatura critica di vaiolatura (°C) | Temperatura superficiale della guaina per l'avvio del pozzo entro 30 giorni | Tasso di propagazione dei pozzi alla temperatura della guaina (mm/mese) | Tempo per la penetrazione di 1,2 mm dopo l'inizio (mesi) | Vita utile totale (mesi) |
|---|---|---|---|---|---|
| 300 – 500 | Superiore a 60°C | 65 – 70°C | 0,3 – 0,5 | 2,5 – 4 | 3,5 – 5 |
| 500 – 800 | 55 – 60°C | 60 – 65°C | 0,4 – 0,7 | 1.7-3 | 2.7-4 |
| 800 – 1.200 | 45 – 55°C | 50 – 60°C | 0,5 – 0,9 | 1.3 – 2.5 | 2.3 – 3.5 |
| 1.200 – 1.500 | 40 – 45°C | 45 – 50°C | 0,7 – 1,2 | 1.0 – 1.7 | 2.0 – 2.7 |
| 1.500 – 2.000 | 35 – 40°C | 40 – 45°C | 0,8 – 1,5 | 0,8 – 1,5 | 1,8 – 2,5 |
| 2.000 – 3.000 | 30 – 35°C | 35 – 40°C | 1.0 – 2.0 | 0,6 – 1,2 | 1.6 – 2.2 |
| 3.000 – 5.000 | 25 – 30°C | 30 – 35°C | 1,5 – 2,5 | 0,5 – 0,8 | 1.5 – 1.8 |
Per una torre di raffreddamento con 1.000 ppm di cloruro e un riscaldatore che produce una temperatura superficiale della guaina di 55°C, la soglia di penetrazione di 90-giorni viene superata. Le fosse iniziano entro 30 giorni e si propagano fino a 1,2 mm in circa 1,5–2,5 mesi, per una durata totale di 2,5–3,5 mesi, proprio al limite dei 90 giorni. A 1.500 ppm di cloruro con una temperatura superficiale della guaina di 50°C, la durata totale scende a 2 mesi.
Busta operativa sicura per una durata di servizio di 90 giorni
La tabella seguente fornisce la temperatura massima sicura dell'acqua della torre di raffreddamento per una guaina 316 da 1,2 mm a varie densità di watt per ottenere una durata di servizio di 90 giorni a diversi intervalli di concentrazione di cloruro. I valori garantiscono che la temperatura superficiale della guaina rimanga almeno 5°C al di sotto della temperatura critica di vaiolatura per il livello di cloruro specificato.
| Intervallo di concentrazione del cloruro (ppm) | Temperatura critica di vaiolatura meno 5°C di margine di sicurezza | Temperatura massima di sicurezza in massa a 5 W/cm² (aumento di 12°C) | Temperatura massima di sicurezza in massa a 8 W/cm² (aumento di 20°C) | Temperatura massima di sicurezza in massa a 10 W/cm² (aumento di 25°C) |
|---|---|---|---|---|
| Sotto 300 ppm | 65°C | 53°C | 45°C | 40°C |
| 300 – 500 pagine al minuto | 55°C | 43°C | 35°C | 30°C |
| 500 – 800 pagine al minuto | 50°C | 38°C | 30°C | 25°C |
| 800 – 1.200 ppm | 40°C | 28°C | 20°C | 15°C |
| 1.200 – 1.500 ppm | 35°C | 23°C | 15°C | 10°C |
| 1.500 – 2.000 ppm | 30°C | 18°C | 10°C | 5°C |
| Oltre 2.000 ppm | Sotto i 25°C | Non fattibile | Non fattibile | Non fattibile |
Per una torre di raffreddamento con 800 ppm di cloruro funzionante a una temperatura dell'acqua di massa di 25°C, una guaina 316 da 1,2 mm a 8 W/cm² produce una temperatura superficiale della guaina di circa 45°C. Il limite di sicurezza per 800 ppm è 40°C, quindi il riscaldatore supera la soglia. Per raggiungere una durata di servizio di 90 giorni sarebbe necessario ridurre la densità di watt a 5 W/cm² (superficie 37°C) o abbassare la temperatura dell'acqua in massa.
Modifiche progettuali per estendere la durata oltre i 90 giorni
Quando le condizioni della torre di raffreddamento richiedono una guaina 316 da 1,2 mm e la durata di servizio di 90-giorni non è sufficiente, tre modifiche al progetto possono prolungare la durata. Il primo è installare un timer o un regolatore della temperatura che limiti il funzionamento del riscaldatore ai periodi in cui la temperatura dell'acqua è inferiore a 25°C. Il funzionamento solo durante i mesi invernali, quando l'acqua della torre di raffreddamento è fredda, riduce il tempo in cui le temperature della guaina sono elevate. La seconda modifica consiste nel migliorare il controllo della chimica dell'acqua. Mantenere il pH sopra 8,0 e aggiungere un inibitore della corrosione come ortofosfato o zinco può aumentare la temperatura critica di vaiolatura di 5–10°C, spostando l'involucro di sicurezza. La terza modifica consiste nell'aumentare la velocità dell'acqua attraverso la superficie del riscaldatore. Un circuito di bypass con un piccolo circolatore può aumentare il flusso da stagnante a 1 m/s, riducendo l'aumento della temperatura superficiale della guaina da 20°C a 8–10°C alla stessa densità di watt. Per le torri di raffreddamento con concentrazioni di cloruro costantemente superiori a 1.000 ppm, gli ingegneri dovrebbero specificare una lega più resistente alla vaiolatura come l'acciaio inossidabile 317 (3,5% di molibdeno) o il titanio. Il costo incrementale di 317 rispetto a 316 è generalmente del 15–25%, ma la durata di servizio si estende da 3–6 mesi a 2–3 anni. Per le applicazioni HVAC critiche in cui un guasto del riscaldatore potrebbe causare danni da congelamento, il titanio è la scelta più affidabile. Quando si specificano i riscaldatori di bypass per le torri di raffreddamento, ottenere sempre i dati sulla concentrazione di cloruro da più eventi di campionamento durante tutto l'anno. Un riscaldatore specifico per condizioni invernali con 500 ppm di cloruro può guastarsi rapidamente in estate quando l'evaporazione concentra i cloruri a 2.000 ppm. La soglia di penetrazione di 90 giorni non è un numero fisso ma una funzione prevedibile della concentrazione di cloruro e della temperatura superficiale della guaina. Misurando entrambi i parametri e applicando i margini di sicurezza nella tabella, gli ingegneri possono prevedere la durata del riscaldatore e pianificare la manutenzione, evitando guasti imprevisti della protezione antigelo.
