Nel servizio con acqua di mare calda (60–90 gradi, 3–4% di salinità), i riscaldatori PFA proteggono il nucleo metallico dall'attacco chimico diretto. Tuttavia, difetti microscopici o percorsi di permeazione alla fine consentono agli ioni cloruro di raggiungere il nucleo. Una volta che il cloruro entra in contatto con il metallo, la tensocorrosione (SCC) diventa il meccanismo di guasto dominante. Un nucleo in titanio di grado 2 resiste all'SCC indotto dal cloruro-quasi indefinitamente, mentre un nucleo in Incoloy 825 si rompe nel giro di pochi mesi o alcuni anni sotto stress da trazione. La differenza deriva dalla stabilità del film passivo: il titanio forma uno strato tenace di TiO₂ che si autoripara rapidamente in presenza di ossigeno o acqua. Incoloy forma una pellicola di ossido di cromo (Cr₂O₃) vulnerabile all'attacco degli ioni cloruro, che porta alla vaiolatura e al successivo innesco di crepe. Per i riscaldatori PFA in ambienti caldi con acqua di mare o salata, un nucleo in titanio prolunga la durata di servizio di 5–10 volte rispetto all'Incoloy.
Meccanismo di stress cracking indotto dal cloruro-su Incoloy
Incoloy 825 (Ni-Cr-Mo-Fe) si basa su una pellicola passiva di ossido di cromo per la resistenza alla corrosione. Nell'acqua di mare calda, gli ioni cloruro si adsorbono sulla superficie della pellicola, distruggendola localmente. Il metallo esposto si dissolve, formando una fossa. Sulla punta del pozzo, l'ambiente acido e ricco di cloruro-previene la ri-passivazione. Lo stress da trazione (dovuto all'espansione termica o allo stress residuo di produzione) si concentra nella fossa, dando origine a una fessura. Una volta che si forma una fessura, questa si propaga transgranularmente attraverso l'Incoloy. Per un riscaldatore PFA con guaina rotta o cloruro permeato, il nucleo Incoloy in genere si guasta entro 1.000–5.000 ore a 80 gradi, anche se il PFA appare intatto. La fessura fa sì che il nucleo perda la continuità elettrica o la messa a terra del PFA, provocando un guasto del riscaldatore.
Il titanio grado 2 (commercialmente puro) forma una pellicola di TiO₂ estremamente stabile in ambienti contenenti cloruro. La pellicola si riforma quasi istantaneamente se danneggiata, a condizione che sia presente ossigeno o acqua. L’acqua di mare contiene abbondante ossigeno disciolto. Gli ioni cloruro non interrompono il film di TiO₂; in realtà lo stabilizzano. Il titanio è immune al cloruro SCC a temperature inferiori a 120 gradi. Nell'acqua di mare calda, i nuclei in titanio non mostrano SCC dopo 50,000+ ore di esposizione, anche se sollecitati meccanicamente.
Prestazioni comparative in acqua di mare calda (80 gradi, 3,5% NaCl, stress applicato 50 MPa sul nucleo)
| Materiale con anima in metallo | Pellicola passiva | Tempo di pitting (ore) | Tempo per l'avvio del crack (ore) | Tempo prima del fallimento (ore) | Modalità di fallimento dominante | Vita relativa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Incoloy 825 (come-ricevuto) | Cr₂O₃ | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 2,000–5,000 | SCC transgranulare | 1.0× |
| Incoloy 825 (passivato) | Cr₂O₃ | 1,000–2,000 | 2,000–4,000 | 4,000–8,000 | SCC | 1.5–2.0× |
| Titanio grado 2 (ricotto) | TiO₂ | >50.000 (nessuno) | >50,000 | >50,000 | Nessuno (rottura duttile possibile) | >10× |
| Titanio grado 7 (legato al Pd-) | TiO₂ | >50,000 | >50,000 | >50,000 | Nessuno | >10× |
| Acciaio inossidabile 316L | Cr₂O₃ | 200–500 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | Vaiolatura + SCC | 0.3–0.5× |
Prove sul campo provenienti da scambiatori di calore marini
Una centrale elettrica costiera utilizzava riscaldatori PFA con nuclei Incoloy 825 in uno scambiatore di calore raffreddato ad acqua di mare- (80 gradi). I riscaldatori si guastavano ogni 12-18 mesi a causa della rottura del nucleo. L'analisi post-fallimento ha mostrato la penetrazione del cloruro attraverso vuoti microscopici di PFA e il successivo SCC dell'Incoloy. L'impianto ha sostituito i riscaldatori con guaine identiche in PFA ma nuclei in titanio di grado 2. Dopo 5 anni di funzionamento continuo non si è verificato alcun guasto. I nuclei in titanio non hanno mostrato vaiolature o screpolature. Lo stabilimento ora specifica nuclei in titanio per tutti i riscaldatori PFA-esposti all'acqua di mare.
Perché Incoloy è ancora comune e quando è accettabile
L'Incoloy rimane ampiamente utilizzato perché è meno costoso (circa il 50% del costo del titanio) e funziona adeguatamente in ambienti privi di-cloruri o a temperature più basse (<50°C). For freshwater or deionized water service, Incoloy cores can last 10+ years. For hot seawater, brine, or any chloride-rich environment above 60°C, Incoloy is a liability. The additional cost of titanium (typically $200–500 per heater) is recovered after one prevented failure event.
Raccomandazioni di progettazione per il servizio Chloride
| Ambiente | Concentrazione di cloruro | Temperatura | Materiale del nucleo consigliato | Motivazione |
|---|---|---|---|---|
| Acqua dolce (deionizzata) | <10 ppm | Qualunque | Incoloy (economico-) | Nessun rischio di SCC |
| Acqua salmastra | 100–1.000 ppm | <50°C | Incoloy | Accettabile |
| Acqua salmastra | 100–1.000 ppm | >60 gradi | Titanio grado 2 | Rischio SCC superiore a 60 gradi |
| Acqua di mare (circuito aperto) | 30.000–40.000 ppm | Qualunque | Titanio grado 2 | Obbligatorio |
| Salamoia (evaporatore) | >100.000 ppm | >70 gradi | Titanio Grado 2 o Grado 7 | Obbligatorio |
| Acqua di mare calda (scambiatore di calore) | 35.000 pagine al minuto | 80 gradi | Titanio grado 2 | Proven life >5 anni |
Conclusione: il nucleo in titanio elimina la rottura da stress da cloruro nell'acqua di mare calda
Nel servizio con acqua di mare calda (80 gradi, 3,5% NaCl), un riscaldatore PFA con un nucleo metallico in titanio di grado 2 mostra una durata 10 volte più lunga rispetto a un nucleo Incoloy 825 perché la pellicola passiva TiO₂ del titanio è immune alla tensocorrosione indotta da cloruro-. La pellicola di ossido di cromo di Incoloy si rompe in cloruri, causando vaiolatura, formazione di crepe e guasti nel giro di pochi mesi o pochi anni. Per qualsiasi riscaldatore PFA che funziona in ambienti ricchi di cloruro- con temperatura superiore a 60 gradi, specificare il nucleo in titanio. Il sovrapprezzo iniziale viene recuperato eliminando i tempi di inattività e i costi di sostituzione. Gli ingegneri che selezionano i materiali per il settore marino, la desalinizzazione o il riscaldamento con salamoia devono dare priorità al titanio. Incoloy appartiene all'acqua dolce; il titanio governa il mare.
