In uno scrubber con desolforazione dei gas di scarico (FGD) che utilizza tubi in titanio, perché una parete più spessa non sempre fornisce una migliore protezione contro la corrosione interstiziale indotta dal cloruro-sulle guarnizioni?

Compromesso fondamentale nella progettazione di riscaldatori in titanio per Scrubber FGD
Gli scrubber per la desolforazione dei gas di combustione (FGD) dipendono da fanghi di cloruri concentrati provenienti dal carbone che vengono ricircolati. A 60-80 gradi sono frequenti concentrazioni di cloruro di 20.000-50.000 ppm. Il punto di guasto più frequente per i tubi riscaldanti in titanio in questo servizio non è il tubo dritto, ma la fessura generata nel punto in cui il tubo passa attraverso una flangia con guarnizione o una staffa di supporto. L’intuizione ingegneristica è che una parete di titanio più spessa dovrebbe essere migliore nel prevenire la corrosione interstiziale poiché c’è più materiale da consumare prima della perforazione. Questa ipotesi è contraddetta dai dati sul campo delle centrali elettriche in funzione. L'aumento dello spessore delle pareti non risolve direttamente la corrosione interstiziale, che è un meccanismo differenziale di ossigeno guidato dalla geometria e può, in alcuni modelli di guarnizioni, accelerarla. Se vuoi sapere perché un muro più spesso può effettivamente essere una cattiva idea, devi considerare la geometria della fessura, la diffusione dell’ossigeno e gli effetti della temperatura di un muro più spesso.

Effetto sull'integrità meccanica Il collo di bottiglia della diffusione dell'ossigeno
La corrosione interstiziale inizia quando una sottile fessura (solitamente 0,1-0,5 mm) tra la guaina di titanio e una guarnizione ostacola il passaggio dell'ossigeno. La superficie esterna è ancora completamente ossigenata e passiva, ma l'interno della fessura è deossigenato. Questa differenza nella cella di aerazione provoca la dissoluzione anodica all'interno dell'intercapedine. Il pH scende a 2-3 a causa dell'idrolisi del cloruro di titanio. La larghezza della fessura e non lo spessore della parete del tubo è la caratteristica chiave per l'avvio. Se lo spazio è più ampio di 0,5 mm, una sufficiente diffusione di ossigeno può sostenere la passività. Lo spazio inferiore a 0,05 mm è completamente bloccato. L'attacco veloce avviene indipendentemente dallo spessore del metallo. Ad esempio, un tubo in titanio più grande (2,0 mm contro 1,2 mm) richiede solitamente una maggiore compressione della guarnizione per sigillare, il che può ridurre la larghezza effettiva della fessura del 30-50% per un dato materiale della guarnizione. L'analisi degli elementi finiti indica che una guarnizione piatta in PTFE compressa contro un tubo da 2,0 mm produce una fessura larga 0,08 mm, mentre la guarnizione identica compressa contro un tubo da 1,2 mm produce uno spazio di 0,25 mm a causa della deformazione elastica leggermente diversa. Ciò significa che un muro più spesso crea indirettamente una fessura più stretta e più aggressiva.

Effetto sulle prestazioni termiche: il fattore temperatura
Data la densità di potenza (ad es. . 2.5 W/cm²), l'aumento dello spessore della parete in titanio aumenta la temperatura della guaina esterna a causa della maggiore resistenza conduttiva. La temperatura della superficie esterna di una parete da 1,2 mm in un liquame di lavaggio a 80 gradi è di circa 93 gradi. Nelle stesse condizioni una parete spessa 2,0 mm raggiunge una temperatura di circa 102 gradi. La cinetica della corrosione interstiziale segue una relazione di Arrhenius, con un aumento della temperatura di 9 gradi che quasi raddoppia la velocità di corrosione. I risultati sperimentali sul liquore FGD simulato (50.000 ppm Cl-, pH 4,5) suggeriscono che il tempo per perforare una parete di 2,0 mm in una fessura stretta (spazio di 0,08 mm) è di 14 mesi, mentre una parete di 1,2 mm in una fessura più ampia (spazio di 0,25 mm) è maggiore di 72 mesi. Il tasso di corrosione è più di 3 volte superiore a causa della geometria più stretta e della temperatura più elevata. Di conseguenza, nonostante la parete più spessa contenga il 67% di materiale in più, si rompe più velocemente.

Sintetizzare il compromesso-off: una matrice di selezione del controllo delle fessure delle guarnizioni
Tipo di guarnizione e larghezza della fessura raggiunta Spessore della parete in titanio consigliato Motivazione della progettazione del nucleo Durata prevista della corrosione della fessura
Guarnizione a busta in PTFE stampato con centro elastomerico (larghezza della fessura 0,35–0,50 mm)1,2 mm – 1,5 mm 6 – 8 anni L'ampio spazio fornisce la penetrazione dell'ossigeno per ripassivare il titanio. Parete più sottile, temperatura superficiale più bassa. Questa combinazione è ideale per le nuove installazioni FGD.
Guarnizione piatta in PTFE, serrata correttamente (larghezza fessura 0,15–0,25 mm) 1,5 mm – 1,8 mm 3 – 4 anni Uno spazio moderato rallenta l'attacco ma non lo ferma. La parete si ispessisce per tenere conto della corrosione; una superficie più calda toglie parte del guadagno. Accettabile per una durata di servizio modesta.
Guarnizione compressa in fibra non-di amianto (larghezza fessura<0.10 mm due to high compressive creep)Any thickness (not recommended) < 18 months Gap too narrow for oxygen transport. The thicker walls fail faster at higher operating temperatures. Switch gasket type, not wall thickness.
Welded titanium stub flange or flare tube (no gasket, no crevice)1.0 mm – 1.2 mm >10 anniL'unico rimedio completo è l'eradicazione delle fessure. Lo spessore della parete è necessario solo per la pressione nominale (solitamente 1,0 mm è sufficiente per pressioni FGD inferiori a 10 bar).
Ingegneria oltre il muro: larghezza della fessura e scelta della guarnizione
Per i riscaldatori scrubber FGD, l'approccio più affidabile per prevenire la corrosione interstiziale indotta da cloruro- consiste nell'eliminare completamente la fessura saldando il tubo in titanio a una flangia in titanio o svasando l'estremità del tubo per stabilire una tenuta metallo-a-metallo. Se è necessaria una giunzione con guarnizione, è meglio specificare una guarnizione comprimibile che fornisca uno spazio regolato di 0,3–0,5 mm piuttosto che aumentare lo spessore della parete. Uno dei principali errori di installazione è l'eccessiva coppia di serraggio dei bulloni della flangia che si traduce in una riduzione della larghezza della fessura e in un attacco rapido. Le chiavi dinamometriche impostate secondo le specifiche del produttore sono fondamentali. Un controllo regolare delle condizioni della guarnizione ogni 12 mesi consente la diagnosi precoce della formazione di fessure prima della perforazione.

Conclusione: lo spessore della parete è meno importante della geometria della fessura
L'ispessimento della parete di un riscaldatore dello scrubber FGD con tubi in titanio non fornisce necessariamente protezione contro la corrosione interstiziale indotta da cloruro-sulle guarnizioni. I fattori chiave sono l’ampiezza della fessura (controllo della diffusione dell’ossigeno) e la temperatura superficiale (accelerazione della cinetica). Una guarnizione ermetica contro una parete da 2,0 mm forma una piccola fessura riscaldata che si corrode in meno di due anni, mentre una guarnizione ad ampio spazio-costruita correttamente contro una parete da 1,2 mm dura più di sei anni. L’approccio tecnico corretto alla corrosione interstiziale non è quello di specificare una guaina in titanio più spessa, ma di controllare la geometria della fessura con la selezione della guarnizione e la gestione della coppia, o meglio ancora, eliminare la fessura con saldatura o svasatura. Quando si specificano i riscaldatori scrubber FGD, fornire al produttore il contenuto stimato di cloruro e il tipo di guarnizione; chiedere un muro più spesso come cuscinetto di sicurezza a volte è inutile.