En el servicio de agua de mar caliente (60 a 90 grados, 3 a 4 % de salinidad), los calentadores de PFA protegen el núcleo metálico del ataque químico directo. Sin embargo, los defectos microscópicos o las vías de permeación eventualmente permiten que los iones de cloruro lleguen al núcleo. Una vez que el cloruro entra en contacto con el metal, el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) se convierte en el mecanismo de falla dominante. Un núcleo de titanio Grado 2 resiste el SCC inducido por cloruro-casi indefinidamente, mientras que un núcleo de Incoloy 825 se agrieta en cuestión de meses a algunos años bajo tensión de tracción. La diferencia surge de la estabilidad pasiva de la película: el titanio forma una tenaz capa de TiO₂ que se autocura rápidamente en presencia de oxígeno o agua. Incoloy forma una película de óxido de cromo (Cr₂O₃) que es vulnerable al ataque de iones cloruro, lo que provoca picaduras y el posterior inicio de grietas. Para los calentadores de PFA en ambientes de agua de mar caliente o salmuera, un núcleo de titanio extiende la vida útil entre 5 y 10 veces en comparación con Incoloy.
Mecanismo de agrietamiento por tensión inducido por cloruro-en Incoloy
Incoloy 825 (Ni-Cr-Mo-Fe) se basa en una película pasiva de óxido de cromo para resistir la corrosión. En el agua de mar caliente, los iones de cloruro se adsorben en la superficie de la película, alterándola localmente. El metal expuesto se disuelve formando un hoyo. En la punta del pozo, el ambiente ácido y rico en cloruro-impide la re-pasivación. La tensión de tracción (de la expansión térmica o la tensión residual de fabricación) se concentra en la fosa, iniciando una grieta. Una vez que se forma una grieta, se propaga transgranularmente a través del Incoloy. Para un calentador de PFA con una funda rota o cloruro permeado, el núcleo de Incoloy generalmente falla entre 1000 y 5000 horas a 80 grados, incluso si el PFA parece intacto. La grieta hace que el núcleo pierda continuidad eléctrica o conexión a tierra del PFA, lo que provoca una falla del calentador.
El titanio de grado 2 (comercialmente puro) forma una película de TiO₂ que es extremadamente estable en ambientes con cloruro. La película se reforma casi instantáneamente si se daña, siempre que haya oxígeno o agua presente. El agua de mar contiene abundante oxígeno disuelto. Los iones de cloruro no alteran la película de TiO₂; en realidad lo estabilizan. El titanio es inmune al cloruro SCC a temperaturas inferiores a 120 grados. En agua de mar caliente, los núcleos de titanio no muestran SCC después de 50,{8}} horas de exposición, incluso cuando están sometidos a estrés mecánico.
Rendimiento comparativo en agua de mar caliente (80 grados, 3,5 % NaCl, tensión aplicada de 50 MPa en el núcleo)
| Material del núcleo metálico | Película pasiva | Tiempo hasta el deshuesado (horas) | Tiempo para iniciar el crack (horas) | Tiempo hasta el fallo (horas) | Modo de falla dominante | Vida relativa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Incoloy 825 (tal como-recibido) | Cr₂O₃ | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 2,000–5,000 | SCC transgranular | 1.0× |
| Incoloy 825 (pasivado) | Cr₂O₃ | 1,000–2,000 | 2,000–4,000 | 4,000–8,000 | CCS | 1.5–2.0× |
| Titanio Grado 2 (recocido) | TiO₂ | >50.000 (ninguno) | >50,000 | >50,000 | Ninguno (posible fallo dúctil) | >10× |
| Titanio Grado 7 (aleación de Pd-) | TiO₂ | >50,000 | >50,000 | >50,000 | Ninguno | >10× |
| Acero inoxidable 316L | Cr₂O₃ | 200–500 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | Picaduras + SCC | 0.3–0.5× |
Evidencia de campo de intercambiadores de calor marinos
Una central eléctrica costera utilizó calentadores de PFA con núcleos Incoloy 825 en un intercambiador de calor-enfriado con agua de mar (80 grados). Los calentadores fallaban cada 12 a 18 meses debido a grietas en el núcleo. El análisis posterior-a la falla mostró la penetración de cloruro a través de huecos microscópicos de PFA y el posterior SCC del Incoloy. La planta reemplazó los calentadores con fundas de PFA idénticas pero con núcleos de titanio de grado 2. Después de 5 años de funcionamiento continuo, no se produjo ninguna falla. Los núcleos de titanio no mostraron picaduras ni grietas. La planta ahora especifica núcleos de titanio para todos los calentadores de PFA expuestos al agua de mar-.
Por qué Incoloy sigue siendo común y cuándo es aceptable
Incoloy sigue siendo ampliamente utilizado porque es menos costoso (aproximadamente el 50 % del costo del titanio) y funciona adecuadamente en entornos sin-cloro o a temperaturas más bajas (<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.
Recomendaciones de diseño para servicio de cloruro
| Ambiente | Concentración de cloruro | Temperatura | Material del núcleo recomendado | Razón fundamental |
|---|---|---|---|---|
| Agua dulce (desionizada) | <10 ppm | Cualquier | Incoloy (rentable-) | Sin riesgo de SCC |
| agua salobre | 100 a 1000 ppm | <50°C | Incoloy | Aceptable |
| agua salobre | 100 a 1000 ppm | >60 grados | Titanio Grado 2 | Riesgo de SCC por encima de 60 grados |
| Agua de mar (circuito abierto) | 30 000 a 40 000 ppm | Cualquier | Titanio Grado 2 | Obligatorio |
| Salmuera (evaporador) | >100.000 ppm | >70 grados | Titanio Grado 2 o Grado 7 | Obligatorio |
| Agua de mar caliente (intercambiador de calor) | 35.000 ppm | 80 grados | Titanio Grado 2 | Proven life >5 años |
Conclusión: El núcleo de titanio elimina el agrietamiento por tensión de cloruro en agua de mar caliente
En servicio de agua de mar caliente (80 grados, 3,5 % NaCl), un calentador de PFA con un núcleo metálico de titanio Grado 2 exhibe una vida útil 10 veces más larga que un núcleo de Incoloy 825 porque la película pasiva de TiO₂ de titanio es inmune al agrietamiento por corrosión bajo tensión inducido por cloruro-. La película de óxido de cromo de Incoloy se descompone en cloruros, lo que provoca picaduras, inicio de grietas y fallas en cuestión de meses a algunos años. Para cualquier calentador de PFA que funcione en ambientes ricos en cloruro-por encima de los 60 grados, especifique el núcleo de titanio. La prima de costo inicial se recupera mediante la eliminación del tiempo de inactividad y los costos de reemplazo. Los ingenieros que seleccionan materiales para calentamiento marino, de desalinización o de salmuera deben priorizar el titanio. Incoloy pertenece al agua dulce; El titanio gobierna el mar.
