La norma EN 12953-10: requisits de qualitat de l'aigua en calderes pirotubulars industrials
Anàlisi tècnica dels paràmetres que la norma estableix per a l'aigua d'alimentació i l'aigua de caldera, i la seva rellevància per a la integritat i la seguretat dels sistemes de generació de vapor.
La qualitat de l'aigua és, juntament amb les condicions de disseny i fabricació, el factor que més influència exerceix sobre la integritat a llarg termini d'una caldera pirotubular. La norma europea EN 12953-10 estableix els requisits mínims de qualitat de l'aigua d'alimentació i de l'aigua de caldera per a aquest tipus d'equips, amb l'objectiu fonamental de minimitzar el risc per al personal i per a les instal·lacions circumdants.
Per als tècnics de procés, responsables de manteniment i gestors d'instal·lacions que operen sistemes de generació de vapor, comprendre el marc que defineix aquesta norma —quins paràmetres controla, per quines raons i amb quins criteris— és un element essencial de la gestió tècnica de la planta.
1. Marc normatiu i àmbit d'aplicació
La norma EN 12953-10:2003 —adoptada a Espanya com a UNE-EN 12953-10:2004— forma part de la sèrie EN 12953, que regula en el seu conjunt el disseny, la fabricació, la documentació i l'operació de les calderes pirotubulars (també denominades calderes de fums, firetube boilers o shell boilers). La part 10 s'ocupa específicament dels requisits de qualitat de l'aigua d'alimentació (feedwater) i de l'aigua de caldera (boiler water).
El seu àmbit d'aplicació comprèn totes les calderes pirotubulars, escalfades per combustió d'un o diversos combustibles o per gasos calents, destinades a la generació de vapor i/o aigua calenta. La norma s'aplica als components compresos entre l'entrada de l'aigua d'alimentació i la sortida del vapor del generador. Queda expressament exclosa de l'abast de la norma la qualitat del vapor produït, que en cas d'exigències específiques requereix documents normatius addicionals.
El Reial Decret 2060/2008, de 12 de desembre, pel qual s'aprova el Reglament d'Equips a Pressió, estableix que l'usuari de calderes de vapor o d'aigua calenta està obligat a mantenir l'aigua dins de les especificacions de les normes UNE-EN 12953-10 (calderes pirotubulars) o UNE-EN 12952-12 (calderes aquotubulars). Es tracta, per tant, d'una obligació legal de compliment per a l'explotador de la instal·lació.
2. Objectiu tècnic de la norma: els mecanismes de dany que es pretenen evitar
La precipitació de sals de calci, magnesi i silicats sobre les superfícies de transferència de calor genera capes de baixa conductivitat tèrmica. Un dipòsit d'només 1 mm pot incrementar el consum de combustible al voltant d'un 5–8 % i incrementar localment la temperatura de la paret metàl·lica fins a valors que comprometen la seva integritat.
L'oxigen dissolt i el diòxid de carboni lliure són els principals agents corrosius. La corrosió per oxigen genera picades localitzades (pitting) que poden progressar fins a perforar la paret del tub. Un pH inadequat afavoreix diverses formes d'atac químic sobre l'acer al carboni.
La presència de sòlids dissolts totals (TDS) en concentració elevada, o de determinades substàncies orgàniques, pot provocar formació d'escuma a la superfície del nivell d'aigua. Aquest fenomen comporta l'arrossegament de gotes d'aigua de caldera amb el vapor (priming), contaminant el vapor amb sals.
Les impureses en suspensió i els precipitats que no s'eliminen mitjançant purga poden acumular-se formant llots a les zones de baixa velocitat de l'aigua, dificultant la circulació i la transferència de calor, i afavorint la corrosió sota el dipòsit.
3. Distinció fonamental: aigua d'alimentació i aigua de caldera
La norma diferencia amb precisió dos tipus d'aigua que presenten requisits diferents i que es controlen de forma independent.
L'aigua d'alimentació (feedwater) és l'aigua que entra a la caldera per reposar el volum evaporat. És una barreja composta habitualment pel condensat recuperat i l'aigua d'aportació (make-up water), que ha estat sotmesa als tractaments externs previs necessaris.
L'aigua de caldera (boiler water) és l'aigua que es troba dins del cos de la caldera durant l'operació. En ser l'aigua d'alimentació una font contínua d'impureses, l'aigua de caldera experimenta un procés de concentració progressiva d'aquestes substàncies. Els seus paràmetres admissibles es gestionen mitjançant les purgues del sistema.
4. Paràmetres de qualitat: descripció tècnica
Determina el caràcter àcid o alcalí de l'aigua. Un pH alcalí moderat en l'aigua d'alimentació inhibeix la corrosió per oxigen; en l'aigua de caldera, l'alcalinitat és necessària per mantenir la passivació de l'acer.
Expressa la concentració d'ions de calci i magnesi, principals formadors d'incrustacions calcàries. La norma exigeix nivells extremadament baixos en l'aigua d'alimentació, que en la pràctica requereixen tractament d'estovament o desmineralització.
Agent corrosiu primari. S'ha d'eliminar combinant desgasificació tèrmica i dosificació de segrestants d'oxigen. La norma distingeix els límits segons la pressió de disseny de la caldera.
Indicador indirecte de la concentració total de sals dissoltes (TDS). La norma classifica el règim d'operació en funció de si la conductivitat directa de l'aigua d'alimentació és superior o inferior a 30 µS/cm.
Es determina passant la mostra per un intercanviador catiònic fortament àcid. Resulta especialment sensible a la presència de CO₂, clorurs i sulfats, i proporciona una mesura més fiable dels anions agressius.
Procedeix principalment de la corrosió de canonades d'acer del circuit de condensats. Forma dipòsits sobre les superfícies de calefacció que deterioren la transferència de calor.
Procedeix de la corrosió d'equips i canonades d'aliatges de coure presents en el circuit. La seva deposició sobre superfícies d'acer pot accelerar la corrosió galvànica.
Forma incrustacions de silicats de calci i magnesi de molt baixa conductivitat tèrmica i gran duresa mecànica, difícils d'eliminar sense neteja química. El seu límit en l'aigua de caldera varia en funció de la pressió d'operació.
La seva presència provoca espumació intensa i arrossegaments d'aigua amb el vapor. Pot afavorir la corrosió al crear pel·lícules sobre les superfícies metàl·liques que alteren les condicions de transferència de calor.
Les substàncies orgàniques poden descompondre's tèrmicament en les condicions d'operació de la caldera, generant àcid carbònic i altres productes àcids que augmenten la conductivitat àcida i provoquen corrosió.
5. Paràmetres de l'aigua de caldera: el paper de la purga
Donat que l'aigua de caldera es concentra progressivament, la gestió de la seva qualitat requereix una estratègia activa d'eliminació d'impureses. L'instrument fonamental per a això és la purga.
La norma contempla la dosificació d'agents d'acondicionament químic en l'aigua de caldera amb l'objectiu de: mantenir el pH en el rang prescrit, controlar els llots en suspensió, inhibir la formació d'incrustacions i eliminar traces residuals d'oxigen. El tipus i la dosi d'aquests agents han de ser determinats per un especialista en tractament d'aigües.
La norma estableix rangs de pH per a l'aigua de caldera significativament més alcalins que els de l'aigua d'alimentació. Aquesta alcalinitat és necessària per a la passivació de l'acer, però ha d'estar acotada: determinats nivells d'alcalinitat no són permissibles per a calderes que operen per sobre de 20 bar, ja que un excés d'hidròxid sòdic lliure pot provocar corrosió càustica (caustic cracking).
6. La classificació per conductivitat de l'aigua d'alimentació
Una de les característiques estructurals de la EN 12953-10 és que els paràmetres de l'aigua de caldera es presenten en dos règims diferenciats, segons la conductivitat directa de l'aigua d'alimentació sigui superior o inferior a 30 µS/cm:
- Conductivitat directa de l'aigua d'alimentació ≤ 30 µS/cm: correspon al règim de baixa TDS, característic d'instal·lacions que utilitzen desmineralització o òsmosi inversa com a pretractament.
- Conductivitat directa de l'aigua d'alimentació > 30 µS/cm: correspon al règim d'alta TDS, habitual en instal·lacions que utilitzen únicament estovament per intercanvi iònic com a pretractament.
7. La sílice: una restricció dependent de la pressió
A diferència de la majoria de paràmetres, el límit màxim admissible de sílice en l'aigua de caldera varia de forma contínua en funció de la pressió d'operació, segons la corba representada a la Figura 5-2 de la norma. A mesura que augmenta la pressió d'operació, incrementa la volatilitat relativa de la sílice, la seva tendència a passar al vapor en forma d'àcid ortosilícic o metasilícic.
Els intercanviadors de calor que utilitzen vapor com a fluid calefactor poden veure's afectats per la qualitat del vapor si aquest arrossega sílice o altres sals. A més, en configuracions en les quals l'aigua de procés de l'intercanviador retorna com a condensat al sistema d'alimentació de la caldera, la gestió de la contaminació del condensat resulta crítica per mantenir la qualitat de l'aigua d'alimentació dins dels límits prescrits per la EN 12953-10.
8. Aigua d'aportació per a calderes d'aigua calenta
La norma inclou també disposicions específiques per a l'aigua d'aportació de calderes d'aigua calenta, que operen en circuit tancat. En aquests sistemes, els requisits se centren principalment en el farciment inicial i en la composició de l'aigua en operació, prestant especial atenció al pH i a l'absència d'agents corrosius.
La norma estableix per a l'aigua de circulació de calderes d'aigua calenta uns rangs de pH diferenciats segons si el circuit empra metalls ferrosos únicament o inclou metalls no ferrosos (coure, llautó, bronze).
9. Requisits de monitorització i anàlisi
Freqüència i mètode de control
La norma prescriu que els paràmetres rellevants —pH, conductivitat directa, conductivitat àcida, duresa i oxigen o segrestant d'oxigen— han de ser verificats de forma contínua i/o periòdica. L'ús d'analitzadors continus fiables permet reduir la freqüència dels controls manuals, però no els elimina.
Punts de mostreig
La presa de mostres s'ha de realitzar en punts representatius del sistema. La norma identifica com a punts típics: l'aigua d'alimentació a la vàlvula d'entrada, l'aigua de caldera des d'un baixant o des de la línia de purga contínua, l'aigua d'aportació aigües avall de l'equip de tractament i el condensat a la sortida del condensador.
Mètodes analítics de referència
| Paràmetre | Norma de referència analítica |
|---|---|
| Capacitat àcida (alcalinitat) | EN ISO 9963-1 |
| Conductivitat | ISO 7888 |
| Coure | ISO 8288 |
| Ferro | ISO 6332 |
| Oxigen dissolt | ISO 5814 |
| pH | ISO 10523 |
| Fosfats | ISO 6878-1 |
| Potassi / Sodi | ISO 9964-2 / ISO 9964-1 |
| Carboni orgànic total (TOC) | ISO 8245 |
| Duresa total (Ca + Mg) | ISO 6059 |
10. Condicions operacionals que requereixen consideració específica
- La presència d'escletxes escalfades (heated crevices) o d'interfícies de fase escalfades, que poden concentrar localment els soluts.
- L'operació a pressions significativament inferiors a la pressió de disseny, que pot alterar les condicions de transferència de calor.
- L'ús de materials diferents de l'acer al carboni —com l'acer inoxidable— que presenten mecanismes de corrosió diferents.
- La presència de substàncies orgàniques en l'aigua, la composició i comportament de les quals en les condicions d'operació resulten difícils de predir.
- Les aplicacions en les quals el vapor o l'aigua calenta es destinin a la indústria alimentària, farmacèutica o a l'alimentació de turbines.
La norma estableix expressament que els valors prescrits són aplicables al funcionament continu. Durant l'arrencada, la parada o els canvis operacionals significatius, alguns paràmetres poden desviar-se transitòriament dels valors normals durant un breu període. Quan els valors es desvien durant l'operació contínua, pot ser degut a un tractament deficient de l'aigua d'aportació, a una dosificació insuficient d'acondicionadors, a contaminació del condensat o a processos de corrosió actius en parts de la instal·lació.
11. Responsabilitats i obligacions de l'explotador
El compliment dels requisits de qualitat de l'aigua no és únicament una bona pràctica operacional: en el context del marc normatiu espanyol, constitueix una obligació legal de l'explotador de la instal·lació. El Reial Decret 2060/2008 atribueix a l'usuari la responsabilitat de mantenir l'aigua dins de les especificacions, així com de realitzar —directament o a través de tercers— les anàlisis pertinents.
12. Reflexió final
La EN 12953-10 defineix un marc tècnic rigorós fonamentat en els mecanismes de dany coneguts que la qualitat de l'aigua pot induir en una caldera pirotubular. La seva correcta aplicació requereix, en la pràctica, l'actuació coordinada de tres parts: el fabricant de la caldera, l'especialista en tractament d'aigües i l'explotador —que és el responsable últim d'operar la instal·lació dins dels límits prescrits.
La norma no és, en cap cas, una recepta d'aplicació directa: és un marc de mínims que ha de ser interpretat i adaptat a cada instal·lació específica.