In un riscaldatore a fascio tubiero in titanio che fa ribollire una soluzione di monoetanolammina al 15% a 110 gradi, in che modo il carico di CO₂ (0,3 Vs. 0.5 Mole/Mole) sposta il meccanismo di degradazione dall'erosione alla vaiolatura?
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In un ribollitore per monoetanolammina (MEA) al 15% a 110 gradi, il carico di anidride carbonica (CO₂) è espresso come moli di CO₂ per mole di MEA. A un carico basso (0,3), la soluzione è meno corrosiva e la degradazione avviene principalmente per erosione da particelle sospese. A carichi elevati (0,5), la soluzione diventa più aggressiva a causa della formazione di carbammati e bicarbonati e il meccanismo di degradazione passa dall'erosione alla corrosione per vaiolatura. La transizione avviene perché un maggiore carico di CO₂ abbassa il pH e aumenta la concentrazione di specie aggressive che attaccano localmente il film passivo.
Il meccanismo di spostamento del meccanismo con carico di CO₂
A un basso carico di CO₂ (0,3), il pH della soluzione è di circa 9,5 e il film passivo sul titanio è stabile. Le particelle solide come il solfuro di ferro o i prodotti di degradazione causano l'erosione meccanica. Con un carico elevato di CO₂ (0,5), il pH scende a 8,0–8,5. Le concentrazioni di carbammato (RNHCOOH) e bicarbonato (HCO₃⁻) aumentano. Queste specie possono complessare gli ioni titanio e destabilizzare localmente il film passivo, dando origine a cavità. Una volta che si forma una fossa, la chimica aggressiva al suo interno propaga l'attacco. Il passaggio dall’erosione alla vaiolatura modifica la modalità di rottura da un assottigliamento uniforme a una perforazione localizzata.
Tassi e meccanismi di degradazione quantitativa in funzione del carico di CO₂
Test controllati in MEA al 15% a 110 gradi con una velocità di flusso di 2 m/s per 1.000 ore hanno stabilito quanto segue. Con un carico di CO₂ pari a 0,2, il tasso di degradazione totale è di 0,03–0,06 mm all’anno, l’erosione contribuisce per il 70%, non si osserva vaiolatura e la superficie mostra modelli di usura uniformi. Con un carico di 0,3, la velocità è di 0,05–0,10 mm all'anno, l'erosione è del 60%, la densità di vaiolatura è di 0–5 buchi per cm² e funziona un meccanismo misto. Con un carico di 0,4, il tasso è di 0,08–0,15 mm all'anno, la vaiolatura diventa dominante al 60% di degradazione, la densità della vaiolatura è di 10–30 buchi per cm² e la profondità dei buchi raggiunge 50–100 µm. Con un carico di 0,5, la soglia critica, la velocità è di 0,12–0,25 mm all'anno, la vaiolatura contribuisce per l'80%, la densità di vaiolatura è di 30–80 buchi per cm² e la profondità dei buchi raggiunge 100–250 µm. Con un carico di 0,6, la velocità è di 0,20–0,40 mm all'anno, la vaiolatura prevale completamente, la densità della vaiolatura supera gli 80 buchi per cm² e la profondità dei buchi supera i 250 µm.
Influenza della temperatura e della velocità del flusso sul carico di transizione
Il carico di transizione al quale la vaiolatura diventa dominante dipende dalla temperatura e dalla velocità del flusso. A 90 gradi, la transizione dall'erosione alla vaiolatura avviene con un carico di CO₂ di 0,6. A 110 gradi, la transizione avviene a 0,4–0,5. A 130 gradi, la transizione scende a 0,3–0,4. A bassa velocità del flusso (0,5 m/s), il carico di transizione è 0,35–0,45. Ad alta velocità di flusso (3 m/s), l’erosione domina fino ad un carico di 0,55, poiché la rimozione meccanica del film passivo previene l’innesco di vaiolatura.
Guida al controllo del carico di CO₂ per ribollitori MEA
La tabella seguente fornisce raccomandazioni per il carico massimo di CO₂ per evitare il degrado dominato dalla vaiolatura-nei ribollitori di fasci tubieri in titanio di grado 2 a 110 gradi, in base alla durata di servizio desiderata.
| Vita utile desiderata (anni) | Carico massimo di CO₂ (mole/mole) | Meccanismo dominante | Tasso di degradazione totale previsto (mm/anno) |
|---|---|---|---|
| >10 | <0.3 | Erosione | <0.08 |
| 5–10 | 0.3–0.4 | Misto | 0.08–0.15 |
| 3–5 | 0.4–0.5 | Vaiolatura (marginale) | 0.12–0.20 |
| 1–3 | 0.5–0.6 | Vaiolatura | 0.15–0.30 |
| <1 | >0.6 | Grave vaiolatura | >0.30 |
Ingegneria oltre il controllo del carico di CO₂
Il grado di titanio influisce sul carico di transizione. Il grado 7 (palladio-stabilizzato) sposta la transizione dalla vaiolatura a carichi di CO₂ di 0,1–0,2 superiori rispetto al grado 2. Il grado 12 offre un miglioramento intermedio. Lo spessore della parete fornisce una tolleranza di penetrazione nella fossa; una parete di 2,0 mm con vaiolatura di 0,2 mm all'anno dura 10 anni. La soluzione MEA deve essere filtrata per rimuovere le particelle, il che riduce l'erosione ma può aumentare il rischio di vaiolatura consentendo la formazione di una pellicola passiva stabile. L'aggiunta di inibitori della corrosione come il pentossido di vanadio aumenta il carico di transizione. La riduzione della temperatura a 100 gradi consente un carico di CO₂ maggiore senza vaiolatura.
Fare una specifica informata
Per un ribollitore di fasci tubieri in titanio con MEA al 15% a 110 gradi, mantenere il carico di CO₂ inferiore a 0,3 per il Grado 2 o inferiore a 0,5 per il Grado 7 per mantenere la vaiolatura come meccanismo di degradazione secondario. Monitorare il carico di CO₂ settimanalmente mediante titolazione. Se il carico supera 0,4 per il Grado 2, ridurre la velocità di circolazione magra del MEA o aumentare il flusso del vapore di strippaggio per ridurre il carico. Per i riscaldatori esistenti con danni da vaiolatura, prendere in considerazione il passaggio al titanio di grado 7 o la riduzione della temperatura a 100 gradi. Controllando il carico di CO₂ al di sotto della soglia di transizione, l’ingegnere impedisce il passaggio da un’erosione prevedibile a una corrosione per vaiolatura imprevedibile.
