Come si confronta la resistenza alla corrosione interstiziale di un acciaio inossidabile super duplex con quella del PTFE nell'acqua di mare?

Gli scambiatori di calore per il raffreddamento con acqua salata sono realizzati sia in acciaio inossidabile super duplex che in PTFE, ma si proteggono in modi fondamentalmente diversi. Il super duplex si basa su un sottile rivestimento di ossido passivo che può essere degradato localmente in una fessura. Il PTFE non è in grado di corrodersi chimicamente, non avendo né film di ossido né struttura metallica.

Ciò è particolarmente significativo nei sistemi con acqua di mare calda dove zone stagnanti, depositi e giunti meccanici stretti sono inevitabili. Nella presente discussione ingegneristica sul super duplex rispetto alla corrosione interstiziale del PTFE nell'acqua di mare, non si tratta di confrontare due materiali, ma due comportamenti di corrosione totalmente diversi.

Perché la corrosione interstiziale è importante per i sistemi di acqua di mare
L’acqua di mare è uno dei fluidi industriali più ostili presenti in natura. L'elevata concentrazione di cloruro, ossigeno disciolto, attività biologica e conduttività forniscono le condizioni perfette per la corrosione localizzata.

Le fessure si trovano generalmente nei sistemi di raffreddamento in:

Giunzioni tubo-piastra tubiera

Interfacce di guarnizione

Film e depositi di incrostazioni

Fronte della flangia

Interfacce di fissaggio

Regioni-stagnanti a flusso basso

Anche i materiali con una buona resistenza generale alla corrosione possono cedere rapidamente in queste geometrie limitate.

Resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile Super Duplex
Gli acciai inossidabili super duplex come il 2507 si basano su un rivestimento di ossido passivo ricco di cromo- che cresce naturalmente sulla superficie metallica per fornire resistenza alla corrosione.

Questo strato passivo costituisce una minuscola barriera tra la lega e l'ambiente marino. Il film si autoripara-nelle normali condizioni di flusso in cui viene introdotto un piccolo danno.

La protezione è potenziata da diversi elementi di lega:

Il cromo migliora la passivazione

Il molibdeno migliora la resistenza alla vaiolatura

Il film passivo è stabilizzato dall'azoto.

Il nichel aiuta il bilanciamento della fase duplex

Pertanto, queste leghe sono particolarmente adatte per numerose applicazioni marine rispetto ai tradizionali acciai inossidabili.

Svantaggio del Super Duplex: Corrosione interstiziale
L'acciaio inossidabile super duplex ha un'ottima resistenza alla corrosione in massa, ma è suscettibile all'attacco localizzato delle fessure in determinate condizioni.

Mancanza di ossigeno nella fessura
L'ossigeno disciolto si esaurisce rapidamente in uno stretto spazio stazionario. Il rifornimento di ossigeno è limitato e quindi il rivestimento passivo di ossido non può mantenersi in modo efficiente.

Quando il film passivo viene distrutto:

Gli ioni cloruro si concentrano nella fessura

Aumento dell'acidità locale

La dissoluzione del metallo accelera

La corrosione è auto-accelerata.

La forma vincolata fornisce un efficace microambiente chimicamente aggressivo-, isolato dall'acqua di mare circostante.

Temperatura critica della fessura
Per il super duplex 2507 in acqua di mare la temperatura critica della fessura è solitamente compresa tra 35 e 40 gradi.

Una volta superata questa soglia, la probabilità di disintegrazione del film passivo è molto più elevata, soprattutto in circostanze di flusso stagnante o basso.

Questo intervallo di temperature viene spesso superato durante il funzionamento dei sistemi di raffreddamento marini caldi:

Acque tropicali, servizio marittimo.

Condensatore in funzione, caldo

Stato dell'attrezzatura: ferma

Funzionamento dello scambiatore di calore sporco

Eventi di circolazioneScarsa

Quando inizia, la corrosione interstiziale può propagarsi rapidamente anche con una buona resistenza alla corrosione della lega.

PTFE e il suo comportamento fondamentalmente diverso contro la corrosione
Il PTFE segue una strada molto diversa rispetto alla resistenza all'acqua salata.

Il super duplex sta conducendo una guerra elettrochimica. Il PTFE semplicemente non vuole partecipare.

Il PTFE è un polimero completamente fluorurato senza reticolo metallico, senza bordi di grano e senza potenziale elettrochimico. Il PTFE è impermeabile a questo meccanismo di guasto perché la corrosione interstiziale è un processo elettrochimico.

Perché il PTFE non può subire la corrosione interstiziale
Il PTFE è intrinsecamente resistente per i seguenti motivi:

Nessuna rottura del film di ossido passivo

Non viene creato alcun potenziale galvanico

Nessuna reazione elettrochimica è causata dal cloruro

Nessuna dissoluzione anodica localizzata"

Il PTFE è chimicamente stabile nei mari stagnanti, nelle zone-povere di ossigeno o sotto i depositi.

Questa immunità è incondizionata, non condizionata.

Comportamento della temperatura in acqua di mare
Il PTFE ha un'ottima resistenza chimica nell'acqua di mare ad alta temperatura.

Il PTFE è classificato per il servizio idrico continuo per un valore tipico fino a circa:

La temperatura operativa è continuamente di 110 gradi

Questo intervallo è notevolmente superiore ai parametri operativi della maggior parte dei sistemi di raffreddamento ad acqua di mare.

Al contrario, la prestazione alla corrosione del super duplex diventa più sensibile quando la temperatura dell’acqua salata raggiunge o supera la temperatura critica dell’interstizio.

Le cattive notizie sul PTFE
Anche se il PTFE è completamente resistente alla corrosione interstiziale, esistono dei compromessi tecnici-associati al suo utilizzo.

Conduttività termica ridotta
Il PTFE è un cattivo conduttore di calore rispetto alle leghe metalliche.

Valori tipici di conducibilità termica:

Conduttività termica approssimativa del materiale (W/mK)
Acciaio inossidabile super duplex ~14-19 W/m·K PTFE ~0,25 W/m·K
Questa notevole discrepanza diminuisce l’efficienza del trasporto del calore e può richiedere:

Scambiatori con superficie maggiorata

Parti con pareti più sottili

Altre geometrie per scambiatori

Capacità di bassa-pressione
La resistenza meccanica del PTFE è molto inferiore a quella dell'acciaio super duplex.

COSÌ:

Valori di pressione ridotti

Il supporto strutturale è più cruciale

Il comportamento strisciante deve essere preso in considerazione

Le applicazioni del vuoto potrebbero richiedere un rinforzo

Stabilità della dimensione
La dilatazione termica del PTFE è molto maggiore di quella dei metalli, quindi è necessario considerare attentamente la progettazione dello scambiatore e delle tubazioni.

Dove il PTFE ha un grande vantaggio in termini di affidabilità
In molti sistemi marini è quasi impossibile eliminare tutte le lacune.

Ad esempio:

Fasci di tubi

Giunto con guarnizione

Scambiatori soggetti a incrostazioni

Siti di accumulo del biofilm

Ingranaggio di riserva in posizione

In questi contesti, il modello di affidabilità per il PTFE è fondamentalmente diverso, poiché non vi è alcun meccanismo di corrosione localizzata che possa innescarsi.

Questo attributo può essere particolarmente utile in:

Sistemi di raffreddamento offshore

Impianti di rimozione del sale-

Lavorazioni chimiche marine

I condensatori riscaldano l'acqua di mare

I circuiti di raffreddamento risparmiano

Nelle applicazioni in cui l'accesso per l'ispezione è limitato o le ripercussioni di un guasto sono gravi, gli svantaggi del PTFE in termini di proprietà termiche e meccaniche possono essere compensati eliminando del tutto il meccanismo di corrosione.

Super Duplex vs PTFE per il servizio con acqua di mare
La differenza tra i due materiali può essere vista più chiaramente nelle loro modalità di cedimento dominanti.

Proprietà Super Duplex 2507 PTFE
Protezione passiva dall'ossido. Meccanismo di corrosione. Chimicamente inerte
Probabilità di corrosione interstiziale Nessuna possibile sopra i 35-40 gradi
Conduttività termica Alta Molto bassa
Capacità di pressione Buona Limitata
Resistenza meccanica Alta Media
Attività elettrochimica Sì No
Flusso d'acqua in continuo Ottimo con limiti Fino a ~110 gradi
Questo confronto è un buon esempio del motivo per cui le valutazioni sulla corrosione interstiziale dell'acqua di mare tra super duplex e PTFE dipendono così tanto dalle priorità operative del sistema.

Conclusione
Il PTFE è una soluzione fondamentalmente più duratura contro la corrosione interstiziale rispetto agli acciai inossidabili super duplex di prima qualità per scambiatori di calore con acqua di mare e sistemi di raffreddamento in cui le fessure stagnanti non possono essere completamente rimosse. Leghe come 2507 super duplex offrono un'eccellente resistenza alla corrosione in vari ambienti marini, ma la loro protezione dipende dal mantenimento di una fragile pellicola di ossido passivo che può essere scomposta localmente in fessure prive di ossigeno al di sopra di circa 35-40 gradi.

Il PTFE, d'altro canto, non presenta alcun processo di corrosione elettrochimica. È un polimero completamente fluorurato che resiste all'attacco del cloruro, all'acqua di mare stagnante e alla chimica delle fessure localizzate.

Il compromesso- è una minore conduttività termica, una minore capacità di pressione e una progettazione meccanica più complessa. Tuttavia, nelle applicazioni in cui l’affidabilità contro la corrosione è più importante dell’efficienza termica, il PTFE fornisce una vera soluzione a rischio zero per la protezione dalla corrosione interstiziale.

La migliore protezione nell'ingegneria della corrosione non è un rivestimento autoriparante migliore-, ma un materiale che non ne ha bisogno.