Compatibilità dei materiali negli scambiatori di calore raffreddati ad acqua di mare

Tra le varie fonti di raffreddamento per navi e impianti nelle aree costiere, l’acqua di mare è una delle fonti sostenibili e presenta un basso costo, ma rappresenta uno dei mezzi corrosivi più aggressivi per i materiali degli scambiatori di calore. Molti fattori contribuiscono al degrado di questo ambiente: alti livelli di cloruri e ossigeno disciolto, attività biologica accentuata alle alte temperature, presenza di solidi sospesi e fluttuazioni termiche.

Comprensione dell’ambiente corrosivo

Gli scambiatori di calore dei sistemi di raffreddamento a base di acqua di mare possono presentare diversi rischi combinati. La corrosione generale assottiglia lentamente le superfici metalliche, mentre la corrosione localizzata (pitting) forma piccoli fori nel metallo e può provocare il cedimento del tubo in una posizione critica. La corrosione galvanica si verifica quando due metalli diversi sono collegati nell’elettrolita conduttivo costituito dall’acqua di mare, causando un attacco accelerato sul metallo meno nobile. La corrosione da fessura (crevice corrosion) avviene in presenza di scarsa circolazione d’acqua nelle fessure sotto le guarnizioni e nei punti di connessione tra tubi e lamiera tubiera. La corrosione indotta da microrganismi (MIC) è un fenomeno causato da microorganismi, come batteri, che proliferano all’interno dei metalli e accelerano drasticamente i processi corrosivi. La scelta tra queste opzioni richiede un’attenta valutazione del materiale più idoneo, considerandone non solo la composizione elementare, ma anche le condizioni operative, ovvero l’ambiente di esposizione all’acqua di mare, la temperatura, la corrente e il regime di clorazione.

Famiglie comuni di leghe e loro prestazioni

Le leghe di rame, come il cupronichel (90/10 e 70/30) e l'ottone alluminifero, sono da tempo materiali comuni per i tubi degli scambiatori di calore per acqua di mare. Presentano buona resistenza alla corrosione, eccellente conducibilità termica e si dice che siano resistenti all'incrostazione biologica. Tuttavia, subiscono corrosione-erosione ad alte velocità di flusso e un attacco accelerato in presenza di solfuri. Gli acciai inossidabili, nelle configurazioni duplex, austenitici ad alta resistenza e superaustenitici, offrono eccellenti proprietà di resistenza a trazione e di resistenza alla corrosione localizzata. Gli acciai ad alta resistenza, indipendentemente dalla loro forma di rinforzo, sono soggetti a corrosione da fessura alle temperature indicate sopra, e la clorazione deve essere controllata per limitarne l'insorgenza.

Le leghe a base di nichel presentano un’elevatissima resistenza alla corrosione su un’ampia gamma di temperature, ma risultano tra le leghe più costose, il che potrebbe renderle troppo care per applicazioni di valore più modesto. Le leghe di alluminio, invece, sono molto leggere e poco costose, ma offrono una scarsa resistenza all’acqua di mare e in genere richiedono rivestimenti speciali per evitare la perforazione del tubo.

Il caso del titanio

La resistenza alla corrosione e la resistenza meccanica del titanio lo rendono il materiale migliore per gli scambiatori di calore raffreddati ad acqua di mare. Quasi impermeabile all'attacco dei cloruri, la sua pellicola ossidica passiva garantisce protezione contro la corrosione localizzata (pitting) e la corrosione da fessura anche in acque marine calde e clorurate. I tubi in titanio offrono un’ottima resistenza ai danni causati dall’erosione, dalla MIC (corrosione indotta da microrganismi) e dalla fatica e possono essere utilizzati a elevate velocità. Nella maggior parte dei casi, la durata operativa a lungo termine di un recipiente o di un impianto in titanio (tipicamente superiore a 30 anni senza necessità di sostituzione) rappresenta l’opzione più conveniente dal punto di vista economico, considerando sia i costi iniziali di investimento sia quelli complessivi di manutenzione nel corso della vita utile, rispetto ai costi associati alle leghe di rame. Quando si tratta di applicazioni particolarmente impegnative, nelle quali l’integrità del funzionamento è essenziale — come il raffreddamento dei sistemi delle piattaforme offshore o la circolazione in cima ai serbatoi LNG — nessun materiale sembra superare il titanio.

Strategie di mitigazione oltre alla selezione del materiale

Nella scelta di una lega specifica, altri fattori come l’uso previsto e i metodi di progettazione sono altrettanto importanti. La durata dei tubi può essere migliorata mediante protezione catodica, sia con anodo sacrificale sia con corrente impressa, per prevenire attacchi galvanici o corrosione localizzata sul materiale del tubo. I rivestimenti offrono una protezione positiva sotto forma di barriera fisica, ad esempio mediante guarnizioni in gomma o sistemi privi di solventi a base di resina epossidica, rallentando così il tasso di corrosione degli elementi in acciaio al carbonio. Gli inibitori di incrostazioni/corrosione possono risultare efficaci nel prevenire la corrosione sotto deposito, grazie a dosaggi controllati che proteggono contro la corrosione localizzata, poiché i depositi non causano attacchi sul materiale. Il monitoraggio periodico di parametri quali potenziale di corrosione, composizione chimica dell’acqua e spessore della parete del tubo consente di rilevare tempestivamente i segni di degrado, permettendo interventi di manutenzione preventiva prima che si verifichi un guasto catastrofico.

Conclusione

La compatibilità dei materiali per l’uso negli scambiatori di calore raffreddati ad acqua di mare richiede un approccio accurato, che tenga conto della natura corrosiva dell’acqua di mare, delle proprietà dei materiali scelti e dei costi di installazione e manutenzione. In quanto parte del gruppo SME, vantiamo oltre 20 anni di esperienza nell’ingegneria marina e nei servizi per scambiatori di calore, per supportare i nostri clienti nelle decisioni complesse. Grazie al nostro laboratorio di oltre 5000 m² a Nantong e alla certificazione ISO dei nostri sistemi qualità, il nostro team di oltre 100 ingegneri e tecnici è qualificato per offrire soluzioni complete: dalla consulenza sulla scelta delle leghe, alla progettazione teorica del retrofit, fino alla fornitura di ricambi e all’esecuzione di interventi di riparazione e manutenzione. Che si tratti di sostituire i tubi in un condensatore in acciaio rivestito in titanio o di effettuare modifiche per prestazioni superiori, siamo pronti ad assistervi. Contattate subito il nostro team tecnico, richiedete un preventivo per qualsiasi servizio oppure scoprite di più sui nostri servizi attraverso studi di caso e documentazione prodotto.