Raffreddamento con acqua di mare nelle centrali elettriche costiere: selezione del materiale per tubazioni in acciaio inossidabile

Per i circuiti di raffreddamento con acqua di mare negli impianti elettrici costieri, l’acciaio inossidabile standard 316L di solito non è sufficiente; l’acqua di mare calda, ricca di cloruri e soggetta a bioincrostazioni richiede materiali con leghe più elevate, come il duplex 2205, le ghise superaustenitiche a 6Mo, il superduplex 2507 o il titanio, scelti in base a temperatura, velocità di flusso e regime di clorazione. Le principali minacce sono la corrosione da pitting e da fessurazione indotta dai cloruri, la corrosione influenzata microbiologicamente sotto i biofilm e la corrosione-erosione a elevata velocità di flusso; pertanto, la scelta ottimale bilancia resistenza alla corrosione, resistenza meccanica e costo in funzione dell’impiego specifico nelle tubazioni di presa, nei tubi dei condensatori e negli scambiatori di calore.

La sfida del raffreddamento con acqua di mare
Le centrali termiche e nucleari costiere scaricano enormi quantità di calore in mare, aspirando grandi volumi di acqua marina attraverso strutture di presa, schermi, pompe, condensatori e tubazioni di scarico. L’acqua di mare è pressoché altrettanto aggressiva quanto i fluidi industriali: contiene circa 19 000 ppm di cloruro, è completamente ossigenata, è biologicamente attiva e spesso assorbe ulteriore calore nel passaggio attraverso il condensatore. Ciascuno di questi fattori attacca gli acciai inossidabili convenzionali.
Prevale l’azione di tre meccanismi. I cloruri degradano il film passivo causando corrosione localizzata (pitting) e, nelle zone interstiziali, corrosione da fessura (crevice corrosion). Gli organismi marini si depositano sulle superfici formando biofilm che generano differenze di concentrazione di ossigeno nelle fessure, innescando la corrosione influenzata da microrganismi (MIC), capace di forare rapidamente i tubi sotto i depositi. Inoltre, poiché questi impianti movimentano l’acqua a elevata velocità, la corrente intensa rimuove i film protettivi e provoca usura del metallo per erosione-corrosione; al contempo, le zone stagnanti durante le fermate consentono ai depositi e alla MIC di consolidarsi.

Perché l’acciaio 316L spesso non è sufficiente
l'acciaio inossidabile 316L, con circa il 2% di molibdeno e un valore PREN prossimo a 24, offre ottime prestazioni in molti servizi contenenti cloruri, ma risulta appena sufficiente in acqua di mare calda. La sua temperatura critica di corrosione per pitting in cloruri simili a quelli dell'acqua di mare è bassa: pertanto, al di sopra di temperature modeste si verifica il pitting, ed è particolarmente soggetto alla corrosione da fessura sotto guarnizioni, giunzioni tra tubi e tubiere, e depositi di bioincrostazioni. In acqua di mare in movimento, il 316L può resistere a basse temperature e in condizioni pulite; tuttavia, la combinazione di calore, ristagno durante gli arresti e incrostazioni causa regolarmente guasti.
L'insegnamento derivante da decenni di impiego lungo le coste è che, per applicazioni in acqua di mare, occorre specificare i materiali in base al valore PREN e alla resistenza alla corrosione da fessura, non sulla base di esperienze generali con cloruri. Un parametro utile di riferimento è il seguente: una resistenza affidabile alla corrosione da fessura in acqua di mare richiede normalmente un valore PREN pari a circa 40 o superiore, ben al di là di quanto offerto dal 316L.

Opzioni con leghe ad alto contenuto di elementi leganti
Diverse famiglie di materiali soddisfano la sfida dell’acqua di mare, ciascuna con il proprio ambito d’impiego definito da temperatura, resistenza e budget. Il duplex 2205, con circa il 3% di molibdeno, azoto e un PREN nella fascia bassa dei trenta, offre una resistenza circa doppia rispetto ai gradi austenitici ed è ben performante in acqua di mare più fredda o controllata mediante clorazione, sebbene possa risultare appena sufficiente per servizi in fessure a temperature elevate. I gradi superaustenitici 6Mo, con circa il 6% di molibdeno e lo 0,2% di azoto per un PREN superiore a 40, rappresentano una soluzione consolidata per tubazioni e scambiatori di calore ad acqua di mare. Il superduplex 2507, con circa il 4% di molibdeno, un PREN superiore a 40 e un’elevatissima resistenza, è adatto a servizi gravosi in acqua di mare, inclusi tubi sottili e linee ad alta pressione. Il titanio è essenzialmente immune alla corrosione da pitting indotta da cloruri ed è tradizionalmente scelto per i tubi dei condensatori, limitato principalmente dal costo nonché da una resistenza e rigidità inferiori.

Tubi di condensatore e velocità di flusso
Il condensatore è il cuore del circuito di raffreddamento e i suoi tubi a parete sottile sono le parti più sensibili alla corrosione. I tubi in titanio e in acciaio inossidabile ad alta lega hanno storicamente sostituito le leghe di rame in presenza di carichi elevati di cloruri e inquinanti, poiché tollerano l’incrostazione biologica, la clorazione e le elevate velocità di flusso tipiche dei condensatori.
La velocità del flusso deve rientrare in una determinata fascia. Se è troppo bassa, si depositano sedimenti, limo e biofilm, favorendo la corrosione sotto deposito e quella influenzata da microrganismi; se è troppo alta, la corrosione da erosione rimuove i film protettivi nelle curve, negli ingressi e alle estremità dei tubi. Acciai inossidabili ad alta lega, come quelli con 6Mo e gli acciai super duplex, tollerano velocità maggiori rispetto alle leghe di rame, spesso diverse metri al secondo; tuttavia i progettisti evitano comunque turbolenze eccessive negli ingressi, utilizzano transizioni fluide e mantengono la velocità al di sopra del valore minimo necessario per impedire i depositi. La clorazione intermittente o continua controlla l’insorgenza di bioincrostazioni, ma la lega scelta deve resistere alle condizioni ossidanti e clorurate che ne derivano: ciò richiede nuovamente materiali con alto valore di PREN.

Progettazione e prassi operative
La scelta del materiale è solo una parte dell'affidabilità. Ridurre al minimo le fessure mediante saldature a piena penetrazione, guarnizioni ben posizionate e giunzioni tubo-fondo realizzate con arrotolamento o saldatura adeguati, poiché anche le leghe migliori presentano un limite di temperatura per le fessure. Progettare i sistemi in modo che possano essere svuotati e risciacquati con acqua dolce durante le fermate, per evitare che l'acqua di mare stagnante concentri i cloruri e alimenti la corrosione microbica indotta (MIC). La protezione catodica e un regime di clorazione ragionevole prolungano la vita utile; inoltre, è necessario evitare o gestire accuratamente le coppie galvaniche tra metalli diversi, poiché abbinare un componente in lega ad alta resistenza con un metallo meno nobile in ambiente marino può provocare una rapida corrosione di quest'ultimo.
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Conclusione
Il raffreddamento con acqua di mare danneggia i materiali sottospecificati. L’acqua di mare calda, ossigenata, biologicamente attiva e in rapido movimento degrada il 316L; pertanto, le centrali elettriche costiere devono selezionare i materiali in base al valore PREN e alla resistenza alla corrosione da fessurazione, orientandosi verso acciai duplex 2205, acciai superaustenitici a 6Mo, acciai superduplex 2507 o titanio, a seconda di temperatura, velocità del flusso e costo. Abbinati a una progettazione priva di fessure, a un flusso controllato, alla clorazione e al lavaggio durante gli arresti programmati, i giusti acciai ad alta lega garantiscono circuiti di raffreddamento resistenti ai cloruri, all’incrostazione biologica e all’erosione per tutta la lunga vita operativa richiesta da queste centrali.

Domande frequenti
D: Perché il 316L non è raccomandato per il raffreddamento con acqua di mare?
R: Con soltanto circa il 2% di molibdeno e un valore PREN prossimo a 24, il 316L subisce fenomeni di corrosione localizzata (pitting) in acqua di mare calda ed è altamente suscettibile alla corrosione da fessurazione sotto guarnizioni, giunzioni tubiere e incrostazioni biologiche. Una resistenza affidabile alla corrosione da fessurazione in acqua di mare richiede generalmente un valore PREN pari a circa 40 o superiore.
D: Qual è la velocità di flusso sicura per tubazioni in acciaio inossidabile per acqua di mare?
A: Esiste una finestra di velocità: questa deve rimanere sufficientemente elevata per prevenire depositi e biofilm, causa di corrosione sotto deposito e corrosione microbiologica, ma al contempo sufficientemente bassa per evitare corrosione da erosione. Le leghe ad alto contenuto di leganti, come le ghise 6Mo e le duplex super, tollerano diversi metri al secondo, ma sono essenziali transizioni lisce e una turbolenza controllata in corrispondenza di ingressi e curve.

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