Qual é a espessura da bainha verificada para aquecedores de fluxo de aço inoxidável 316 em 50% propilenoglicol com 2.000 ppm de cloretos a 90 graus e condições de baixo fluxo

A compensação básica-na inibição do glicol com a contaminação por cloreto

O propilenoglicol (PG) é o fluido de transferência de calor preferido no processamento de alimentos, na fabricação de produtos farmacêuticos e em aplicações cervejeiras, onde a toxicidade do etilenoglicol é inaceitável. Uma solução de PG a 50% em água oferece boa proteção contra congelamento até cerca de -35°C e também funciona como inibidor de corrosão quando preparada corretamente. No entanto, em circuitos PG industriais, os cloretos tendem a entrar no circuito a partir de diversas fontes, como agentes de limpeza residuais, infiltração de água da torre de resfriamento através de trocadores de calor ou uso de água de reposição simples (não amolecida). O PG perde sua proteção contra corrosão em níveis de cloreto de 2.000 ppm, que é um nível normalmente observado em sistemas com manutenção deficiente ou sistemas com vazamento de água do mar. A uma temperatura operacional de 90 graus e circunstâncias de baixo fluxo que favorecem a estagnação da camada limite, o aço inoxidável 316 corre um risco considerável de corrosão por pites e frestas. Nesta aplicação, a espessura da bainha não é um simples cálculo de tolerância à corrosão, mas um exercício de verificação para demonstrar que a parede selecionada pode suportar o ataque combinado de cloretos, temperatura elevada e transferência de calor reduzida devido ao baixo fluxo.

Mecanismo de corrosão induzida por cloreto em soluções de propilenoglicol

Os 2.000 ppm de cloretos em solução de 50% de propilenoglicol a 90 graus são um ambiente agressivo para o filme passivo do aço inoxidável 316. O próprio propilenoglicol é fracamente inibitório, porém seu mecanismo de inibição depende da adsorção da molécula de glicol na superfície do metal. A 90 graus a camada adsorvida é menos eficiente devido ao movimento térmico. Os íons cloreto são altamente móveis e minúsculos e competem por localizações na superfície e causam corrosão em pontos fracos, como inclusões de sulfeto ou arranhões na superfície após romper o revestimento passivo. A temperatura crítica de corrosão do aço inoxidável 316 em solução de cloreto de 2.000 ppm é de cerca de 50-60 graus somente em água. A presença do inibidor glicol aumenta a temperatura crítica de corrosão em 50% de propilenoglicol em cerca de 10-15 graus para cerca de 65-75 graus. A temperatura operacional é de 90 graus e o sistema é, portanto, operado acima da temperatura crítica de corrosão, de modo que a questão do início da cava não é “se”, mas “quando”. Uma vez formada uma cava, a taxa de seu crescimento pode ser prevista por uma tendência logarítmica ou linear, dependendo da disponibilidade de oxigênio e da resistividade da solução. Os resultados publicados para o aço inoxidável 316 em glicol contaminado com cloreto a 90 graus revelam taxas de crescimento de pites de 0,2 – 0,6 mm/ano para condições arejadas. Uma vala que se expanda a uma taxa de 0,4 mm/ano perfuraria uma parede de 1,5 mm em 3,75 anos para um aquecedor com um tempo de funcionamento esperado de 5.000 horas por ano (cerca de 60% de serviço). Uma parede de 2,0 mm estenderia isso para 5 anos. Contudo, estes cálculos são baseados em uma única cava, quando na verdade uma série de cavas são iniciadas e a ruptura é controlada pela mais profunda.

Efeitos das condições de baixo fluxo na corrosão e sua amplificação

Para esta aplicação, as condições de baixo fluxo são particularmente prejudiciais, pois permitem que a camada limite na superfície do revestimento fique supersaturada com produtos de corrosão e íons cloreto. A convecção de cloretos para longe da superfície é fortemente limitada para velocidades de fluxo inferiores a 0,5 m/s. O teor de cloreto na superfície do metal pode ser cinco ou dez vezes maior que no volume e, portanto, reduz bastante o potencial de corrosão. O baixo fluxo também favorece a ebulição parcial ou a ebulição do filme na superfície da bainha quando o fluxo de calor é forte. A formação e o colapso de bolhas degradam mecanicamente a camada passiva e criam soluções de cloreto concentradas localmente na fina película líquida abaixo da bolha. Este mecanismo leva ao padrão característico de "anel de corrosão" que é observado em torno dos locais de nucleação de bolhas em aquecedores com falha. Por exemplo, para um aquecedor de fluxo feito de aço inoxidável 316 usado em uma temperatura aparente de 90 graus e uma densidade de watt de revestimento de 7-8 W/cm2, a temperatura da superfície da camada limite pode ser superior a 110-120 graus, mesmo em condições de baixo fluxo. A estas temperaturas o limiar crítico de corrosão é largamente excedido e a taxa de propagação de corrosão pode ser de 1-2 mm/ano. A espessura verificada deve, portanto, levar em consideração não apenas a concentração e a temperatura de cloreto a granel, mas também o impacto da amplificação localizada do baixo fluxo. Uma espessura que parece suficiente em ambientes a granel pode quebrar dentro de meses quando o fluxo for inferior a 0,3 m/s.

Interações Térmicas Hidráulicas Limitando a Espessura Máxima

A interação entre espessura da parede, transmissão de calor e baixo fluxo impõe um limite adicional à espessura máxima praticável do revestimento. Com o aumento da espessura da parede, a resistência térmica aumenta, o que aumenta a temperatura da superfície da bainha para a mesma entrada de energia elétrica. Em fluxo baixo, o coeficiente de transferência de calor convectivo já é reduzido-normalmente 300–600 W/m²·K a 0,3 m/s em comparação com 1.500–2500 W/m²·K a 2 m/s. Uma parede mais espessa aumenta a resistência condutiva em um cenário convectivo ruim. Aumentar a espessura da parede de um tubo de diâmetro externo de 12 mm em 50% PG, a 90 graus e com uma velocidade de fluxo de 0,3 m/s de 1,2 mm para 2,0 mm aumenta a temperatura da bainha de ∼125 graus para 155 graus a uma densidade de watts de 7 W/cm2. O aumento de temperatura de 30 graus resulta num aumento de 3 a 5 vezes na taxa de corrosão por cloretos seguindo o comportamento de Arrhenius. A parede mais espessa, que supostamente oferece tolerância à corrosão, torna o ataque de pite tão rápido que a vida útil líquida pode ser menor do que com uma parede mais fina e mais fria. Esse ciclo de feedback auto{26}}destrutivo significa que em sistemas de baixo-fluxo e alto-cloretoglicol há uma faixa ideal de espessura além da qual mais metal diminui a vida útil em vez de prolongá-la. Dados de campo verificados para aquecedores de circulação de cervejarias e indústrias alimentícias mostram que o valor ideal está entre 1,4 e 1,8 mm para a maioria dos sistemas 50% PG com contaminação por cloretos.

Recomendações de espessura confirmadas para vários regimes de fluxo

Onde a velocidade do fluxo pode ser sempre superior a 1,0 m/s, uma espessura de 1,5-1,7 mm proporciona um serviço confiável por cinco anos na presença de 2.000 ppm de cloretos. A espessura moderada mantém a temperatura da bainha abaixo de 120 graus em densidades normais de watts e o fluxo turbulento evita a concentração de cloreto na superfície. A espessura mínima verificada passa a ser de 1,8-2,0 mm para sistemas com fluxo intermitente ou onde o fluxo pode ser inferior a 0,5 m/s em algumas fases operacionais. Este metal adicional não é tanto para permitir a corrosão, mas para suportar a rápida corrosão que ocorre durante eventos de baixo fluxo. No entanto, para uma parede de 2,0 mm, a densidade de watts deve ser limitada a 5-6 W/cm2 para manter a temperatura da bainha abaixo de 135 graus em fluxo baixo. Caso não seja possível reduzir a densidade de watts devido a limitações de espaço ou capacidade de aquecimento, a espessura deve ser limitada a 1,5–1,6 mm para evitar a aceleração térmica da corrosão, e o proprietário do sistema deve aceitar uma vida útil reduzida de três a quatro anos. 316 o aço inoxidável não é sugerido para sistemas onde o fluxo pode ficar totalmente estagnado (velocidade zero) durante os ciclos de aquecimento, independentemente da espessura. Sob condições de estagnação, a ebulição localizada é inevitável e a alta temperatura da superfície, o teor de cloreto e a ação mecânica da bolha perfurarão qualquer espessura prática em um a dois anos. Nessas circunstâncias, uma bainha de titânio ou um aquecedor Incoloy 825 devem ser especificados.

Verificação através de testes de corrosão e dados de campo

As três fontes de evidência que apoiam as recomendações acima para espessura são: Profundidades de corrosão de 0,2–0,3 mm/ano foram observadas em testes com agitação (alto fluxo) e 0,5–0,8 mm/ano em testes sem agitação (baixo fluxo) durante testes de imersão em laboratório de 316 cupons de aço inoxidável em 50% PG com 2.000 ppm de NaCl a 90 graus. Em segundo lugar, as inspeções de campo de aquecedores de circulação retirados de serviço após três a cinco anos em circuitos de glicol de fábricas de alimentos, onde foram relatados níveis de cloreto de 1.500 a 2.500 ppm, mostram que unidades com paredes de 1,5 a 1,6 mm e fluxo turbulento têm profundidades máximas de poço de 0,4 a 0,7 mm, deixando parede residual suficiente. Unidades com paredes de 2,0 a 2,2 mm e fluxo fraco têm profundidades de poço de 0,8 a 1,2 mm, não por serem um material menos resistente, mas porque o aumento da espessura da parede aumentou a temperatura da superfície e acelerou o ataque. Terceiro, varreduras de polarização eletroquímica do aço inoxidável 316 em PG contaminado com cloreto a 80-100 graus mostram que o potencial de corrosão cai drasticamente acima de 100 graus, confirmando que manter a temperatura da bainha abaixo deste limite é mais importante do que adicionar espessura.

Conclusão: a faixa verificada de espessura para um serviço confiável

Uma faixa validada para a determinação da espessura da bainha para aquecedores de fluxo de aço inoxidável 316 em 50% de propilenoglicol com 2.000 ppm de cloretos a 90 graus em condições de baixo fluxo é necessária para equilibrar a resistência à corrosão e a aceleração térmica. Para sistemas de bom projeto, com velocidades de fluxo de 1,0 m/s e densidades de watts de 6-8 W/cm2, uma espessura de 1,5-1,7 mm fornece uma vida útil validada de 5 anos. Para sistemas com vazão de operação normal abaixo de 0,5 m/s, a espessura deve ser aumentada para 1,8-2,0 mm, mas somente se a densidade de watts for simultaneamente diminuída para 5-6 W/cm². Nenhum sistema onde possa ocorrer estagnação de fluxo é aceitável para aço inoxidável 316, independentemente de sua espessura. Os engenheiros que especificam um aquecedor para este ambiente difícil devem especificar não apenas a espessura da parede, mas também a velocidade de fluxo mais baixa permitida, a densidade máxima de watts e o método de verificação (teste de cupom ou monitoramento eletroquímico) a ser seguido durante o serviço. Isso altera um requisito dimensional básico para uma técnica validada de gerenciamento de corrosão que relaciona diretamente a espessura da parede à resistência à corrosão e ao desempenho térmico em sistemas de glicol contaminados com cloreto.