Bescanviadors de calor per a gasos corrosius: mecanismes de degradació, materials i normativa aplicable
La selecció de materials per a bescanviadors de calor de tubs i aletes i recuperadors gas-gas en presència de gasos industrials corrosius —H₂S, clor, HCl, SO₂, amoníac o HF— és una de les decisions tècniques de major impacte en la fiabilitat i la vida útil de l'equip.
En la indústria química, petroquímica, de tractament de gasos i de producció de fertilitzants, els bescanviadors de calor operen sovint en contacte amb corrents gasosos que contenen substàncies agressives per als materials metàl·lics convencionals. Un error en la selecció del material dels tubs, les aletes o els col·lectors es pot manifestar mesos o anys després de la posada en marxa, amb conseqüències que van des de la pèrdua de rendiment fins a la fallada estructural de l'equip. La comprensió dels mecanismes de degradació específics de cada gas és el punt de partida de qualsevol procés de selecció rigorós.
1. Mecanismes de degradació: el vocabulari tècnic necessari
Els mecanismes de degradació de materials metàl·lics en presència de gasos corrosius no es redueixen a la corrosió generalitzada per pèrdua de gruix. En molts casos industrials, el mecanisme dominant és de naturalesa localitzada o mecanicoquímica, amb una cinètica que pot ser difícil de detectar abans que el dany sigui significatiu.
2. Gasos corrosius més freqüents en procés industrial
La norma NACE MR0175 / ISO 15156 —Petroleum and natural gas industries — Materials for use in H₂S-containing environments in oil and gas production— és el document tècnic de referència per a la selecció de materials en entorns amb H₂S. Defineix el concepte de «servei àcid» (sour service), estableix els llindars de pressió parcial de H₂S que n'activen els requisits, i especifica les condicions de composició química, tractament tèrmic i assajos de qualificació que han de complir els materials. La seva aplicació no es limita a la producció de petroli i gas: la norma es referencia habitualment en projectes de refí, petroquímica i tractament de gas sempre que hi hagi presència de H₂S. La norma consta de tres parts: la primera estableix el marc general, la segona s'aplica a acers i fosos, i la tercera a acers resistents a la corrosió i altres materials.
3. Implicacions específiques per a bescanviadors de tubs i aletes
En els bescanviadors de calor de tubs i aletes, el gas corrosiu circula habitualment per l'exterior dels tubs —en contacte amb les aletes— mentre que el fluid de procés circula per l'interior. Aquesta configuració implica que els materials en contacte amb el gas són els tubs i les aletes, i que la selecció d'uns i altres no es pot fer de manera independent.
- Els tubs són la barrera primària: el material dels tubs és el que determina la resistència de l'equip al gas corrosiu. En serveis amb H₂S o gasos halogenats, la selecció incorrecta del material dels tubs és la causa principal de fallada prematura. Els tubs d'acer al carboni són la solució de menor cost, però la seva aplicació s'ha d'acotar a entorns sense H₂S en servei àcid, sense clorurs significatius i a temperatures moderades.
- Les aletes d'alumini: adequades per a servei general, no per a gasos corrosius: l'alumini és el material estàndard per a aletes en bescanviadors industrials per la seva bona conductivitat tèrmica, el baix pes i el cost. Tanmateix, és vulnerable a entorns amb HCl, HF, bases fortes o amoníac amb humitat. Per a gasos amb aquestes substàncies, les alternatives són aletes d'acer inoxidable (major resistència, menor conductivitat) o aletes amb recobriment protector específic (PVDF, Heresite o altres, amb limitacions de temperatura).
- La unió tub-aleta: punt crític de corrosió galvànica: quan els tubs i les aletes són de materials diferents —per exemple, tubs d'acer inoxidable i aletes d'alumini— la unió entre ambdós pot ser un focus de corrosió galvànica si el gas és humit o si hi ha condensació ocasional. En entorns secs, el risc és molt menor. La solució més robusta és emprar el mateix material per a tubs i aletes, encara que això incrementa el cost.
- Els col·lectors i capçals: en configuracions amb gas corrosiu al costat de les aletes, els col·lectors del fluid intern no estan en contacte amb el gas. Tanmateix, si la temperatura del gas és prou alta, els col·lectors han de ser compatibles amb ella des del punt de vista mecànic, i el seu material ha de ser compatible amb el fluid intern.
4. El punt de rosada àcida: paràmetre de concepció amb dues estratègies possibles
En els recuperadors de calor que refreden gasos de combustió o gasos de procés que contenen SO₂, SO₃, HCl o HF, hi ha una temperatura per sota de la qual el gas comença a condensar àcids sobre les superfícies de l'equip. Aquest límit —el punt de rosada àcida— és específic de la composició del gas i varia segons el combustible, les condicions del procés i la pressió. No és una dada que es pugui mesurar directament en operació: s'ha de calcular o estimar a partir de la composició del gas i verificar-la quan sigui possible.
Davant d'aquest fenomen, hi ha dues estratègies de disseny tècnicament vàlides, amb implicacions molt diferents quant a materials, eficiència energètica i cost:
L'equip es dissenya perquè la temperatura mínima de paret del bescanviador es mantingui en tot punt per sobre del punt de rosada àcida, evitant així la condensació. Això s'aconsegueix mitjançant el control de la temperatura del fluid de refrigeració, el disseny geomètric de l'equip i la selecció de materials resistents a la corrosió a la zona de major risc. És l'estratègia habitual en recuperadors convencionals. La seva limitació és que la temperatura de sortida dels gasos queda acotada per sobre del punt de rosada, la qual cosa restringeix la quantitat de calor recuperable i exclou el calor latent del vapor d'aigua contingut en els gasos.
Quan l'equip està concebut específicament per treballar en règim de condensació —economitzadors condensants o recuperadors de condensació— els gasos es refreden per sota del punt de rosada de manera controlada. Això permet recuperar no només el calor sensible dels gasos sinó també el calor latent de condensació del vapor d'aigua present en ells, que en gasos de combustió de gas natural és significatiu atesa l'alta proporció d'H₂O resultant de la combustió del metà. El resultat és un major rendiment tèrmic global de la instal·lació. Aquesta estratègia és viable en gasos de combustió de gas natural, gasoil, fuel oil i altres combustibles, sempre que l'equip estigui dissenyat amb materials adequats per al contacte amb el condensat àcid generat, amb una geometria que permeti el drenatge correcte del condensat, i amb els sistemes de gestió de les aigües de condensació que el procés requereixi. La composició del combustible —particularment el seu contingut en sofre— determina l'agressivitat del condensat i, per tant, els requisits de material.
La decisió entre evitar la condensació o concebre l'equip per operar-hi depèn de diversos factors que s'han d'avaluar conjuntament: la composició del gas i l'agressivitat esperada del condensat, la temperatura del fluid de refrigeració disponible (un fluid molt fred afavoreix la condensació, desitjada o no), l'objectiu d'eficiència energètica del procés, i els requisits de gestió del condensat. En instal·lacions on el fluid de refrigeració entra a baixa temperatura —com en certs processos de recuperació de calor residual o en sistemes de calefacció de districte— la condensació pot ser difícil d'evitar fins i tot si no s'ha previst en el disseny original; en aquests casos, l'estratègia B amb materials adequats és tècnicament més robusta que intentar mantenir la temperatura de paret per sobre del punt de rosada quan les condicions de procés no ho permeten de manera estable.
5. Normativa de referència per a l'avaluació de dany
Més enllà dels codis de càlcul i certificació a pressió (PED, ASME VIII, EN 13445), l'avaluació de l'estat dels bescanviadors en servei amb gasos corrosius es recolza en un conjunt de documents tècnics específics del sector de processos.
| Norma / Document | Organisme | Contingut rellevant |
|---|---|---|
| NACE MR0175 / ISO 15156 | NACE International / ISO | Materials en entorns amb H₂S; definició de servei àcid; requisits de duresa, composició i tractament tèrmic |
| NACE MR0103 | NACE International | Materials resistents al H₂S específicament en refineries; complementa la MR0175 per a aquest sector |
| API 571 | American Petroleum Institute | Catàleg exhaustiu de mecanismes de dany en equips fixos de refineria: SSC, HIC, SCC, HTHA, corrosió per punt de rosada àcida, entre d'altres. Referència fonamental per a enginyers d'inspecció. |
| API 941 | American Petroleum Institute | Corbes de Nelson per a la selecció de materials en servei de H₂ a alta temperatura; límits de temperatura i pressió parcial de H₂ per tipus d'acer |
| API 661 | American Petroleum Institute | Air-Cooled Heat Exchangers per a refineries; especificació de disseny mecànic, materials i assajos |
| ASTM G48 | ASTM International | Mètodes d'assaig de resistència a la corrosió per picadura i clivella en acers inoxidables (assaig de clorur fèrric) |
| EN 10088-1/2/3 | CEN / AENOR | Acers inoxidables: composició, propietats mecàniques i condicions tècniques de subministrament |
| PED 2014/68/UE | Comissió Europea | Requisits essencials de seguretat, classificació de fluids (el Grup 1 inclou H₂S, Cl₂, HF) i procés de certificació per a equips a pressió a la UE |
6. Criteris de selecció: preguntes clau abans d'especificar el material
- El gas conté H₂S? Si la resposta és afirmativa i hi ha humitat, l'aplicació pot estar dins de l'àmbit de la NACE MR0175 / ISO 15156 (servei àcid). La duresa del material i el tipus d'acer queden condicionats, independentment de la concentració de H₂S.
- Hi ha clorurs o halògens presents? La concentració, la temperatura i la presència d'humitat determinen si el risc de pitting o SCC en acers inoxidables austenítics és significatiu. Per sobre de certes temperatures, el pitting en SS pot produir-se amb concentracions de clorurs relativament baixes.
- Es pot produir condensació àcida en algun punt de l'equip? La resposta defineix l'estratègia de disseny. Si l'objectiu és evitar la condensació, la temperatura mínima de paret s'ha de mantenir per sobre del punt de rosada àcida en totes les condicions d'operació, incloent-hi arrencades i variacions de càrrega. Si l'equip es concep com a economitzador condensant —per recuperar també el calor latent del vapor d'aigua dels gasos— la condensació és una condició de disseny prevista, i els materials, la geometria i el sistema de gestió del condensat han d'estar concebuts específicament per a ella. Ambdues estratègies són tècnicament vàlides; l'elecció depèn de les condicions del procés, la composició del gas i l'objectiu d'eficiència energètica.
- Són compatibles els materials de tubs i aletes entre si en l'entorn del gas? La verificació de la compatibilitat galvànica és especialment rellevant en entorns humits o amb condensacions ocasionals.
- Quina és la classificació PED del gas? Els gasos inflamables, tòxics o oxidants són del Grup 1 en la PED, la qual cosa activa taules de categorització més exigents i pot requerir la intervenció d'un Organisme Notificat en la certificació de l'equip.
BOIXAC treballa en la concepció i el subministrament de bescanviadors de tubs i aletes i recuperadors gas-gas per a instal·lacions industrials amb gasos de procés corrosius. Per a cada projecte, l'equip tècnic de BOIXAC treballa amb la composició real del gas, les condicions de temperatura i pressió, i els requisits normatius per identificar la combinació de materials i la configuració adequada. La compatibilitat definitiva de materials per a un servei concret ha de ser validada per l'enginyer de materials o de corrosió responsable del projecte.