¿Cómo influye la geometría de la grieta (material de la junta y torque de la abrazadera) en el tiempo de inicio de la corrosión de la grieta en tubos de calentamiento de titanio en estanques de evaporación de sal?

Los estanques de evaporación de sal para la producción de cloruro de sodio, cloruro de potasio y otras sales a partir de salmueras funcionan a temperaturas de 40-60 grados y concentraciones de cloruro desde la saturación (aproximadamente 26 % de NaCl) hasta la sobresaturación con precipitación de cristales de sal. Los tubos calefactores de titanio se utilizan para mantener la temperatura de evaporación y evitar la cristalización de las superficies de transferencia de calor. Sin embargo, el modo de falla dominante es la corrosión por grietas en las uniones del tubo-a la placa de tubos, debajo de las juntas y debajo de las uniones de las abrazaderas. A diferencia de muchos problemas de corrosión del titanio que son una función principalmente de la química de la aleación o del espesor de la pared, el tiempo de inicio de la corrosión en las grietas en el servicio de evaporación de sal se ve significativamente afectado por parámetros de diseño mecánico como la geometría de las grietas (ancho y profundidad del espacio), el material de la junta y el par de apriete. Este artículo evalúa el efecto de estas variables en el tiempo hasta la aparición de grietas y ofrece sugerencias de diseño para extender la vida útil del calentador en servicio de estanques salados.

Mecanismo de corrosión por grietas en salmueras saturadas de cloruro.
La salmuera de cloruro de sodio saturada o casi saturada a 50 grados es muy agresiva debido a la concentración de cloruro (aproximadamente 5,4 M Cl-) y la alta fuerza iónica en la solución a granel. Pero el titanio es pasivo en salmuera a granel, ya que no hay un pH bajo asociado con el alto contenido de cloruro. La condición clave para la corrosión de las grietas es la falta de oxígeno en la grieta. La disolución anódica del titanio produce Ti4+ que se hidroliza para formar H+.. Como resultado, el pH dentro de la grieta disminuye a 2-3 cuando se agota el oxígeno. Para salmueras saturadas de cloruro, una reducción menor en el pH conduce a una condición en la que el titanio no puede volver a pasivarse y la corrosión en grietas se propaga rápidamente.

El tiempo de iniciación, es decir, el tiempo antes de que comience el ataque persistente a las grietas, está relacionado con la tasa de agotamiento de oxígeno y la tasa de caída del pH por debajo del umbral de repasivación. Ambos están controlados por la geometría de la grieta, la permeabilidad del material de la junta al oxígeno y la presión de contacto entre la junta y la superficie de titanio.

Efectos del ancho del espacio entre grietas
De los parámetros geométricos, el más crítico es el ancho del espacio entre el tubo de titanio y la superficie opuesta (placa del tubo, junta o abrazadera). Para un ancho de espacio particular, la tasa de difusión de oxígeno en la grieta es proporcional al cubo del espacio (ley de Fick para un canal estrecho). Las brechas más grandes permiten la reposición de oxígeno, lo que retrasa el agotamiento y extiende el tiempo de inicio. brechas más pequeñas conducen a un mayor agotamiento del oxígeno.

El examen controlado de muestras de titanio Grado 2 con fisuras artificiales de ancho de espacio controlado, en NaCl saturado a 50 grados, pH 7,0, ha mostrado los siguientes tiempos de inicio (tiempo hasta el ataque visible con un aumento de 10x):

Con un ancho de espacio de 0,05 mm (típico de una junta de PTFE bien-apretada contra una brida mecanizada), el agotamiento del oxígeno se produce en 24 a 48 horas y el ataque de las grietas comienza en 50 a 100 horas. Con un ancho de separación de 0,10 mm, la iniciación se produce entre 200 y 300 horas. Con una anchura de ranura de 0,25 mm, el inicio se extiende entre 500 y 1000 h. La difusión de oxígeno permite mantener la pasividad y, por lo tanto, no se detecta ningún ataque de grieta en un ancho de espacio de 0,50 mm después de 5.000 horas. Con una anchura de hueco de más de 1,0 mm, la geometría ya no es una grieta sino un hueco abierto. No se produce ningún ataque.

En la práctica, esto significa que las grietas muy estrechas (menos de 0,1 mm) son las más peligrosas. Los diseñadores deben hacer que los espacios sean más anchos que 0,5 mm (juntas o separadores gruesos) o eliminarlos (uniones soldadas).

Efectos de la profundidad de las grietas
La extensión de la grieta (la distancia que penetra el espacio debajo de la junta o dentro de la placa del tubo) determina la cantidad de superficie agotada de oxígeno-disponible para la disolución anódica. La iniciación se acelera en las grietas más profundas porque tienen zonas más grandes-con menos oxígeno y rutas de difusión más largas para un ancho de espacio determinado.

Para un ancho de espacio determinado de 0,1 mm, el tiempo de iniciación se reduce de 300 horas a 100 horas a medida que la profundidad de la grieta aumenta de 5 mm a 20 mm. A 50 mm de profundidad, la iniciación ocurre a las 40-50 hrs. Evite fisuras con profundidades superiores a 15 mm para el servicio del evaporador de sal. Las uniones entre tubo-y placa de tubos deben diseñarse para tener una grieta poco profunda (menos de 10 mm de profundidad) o soldarse completamente para eliminar la grieta.

Permeabilidad del material de la junta
Los materiales de las juntas varían en su permeabilidad al oxígeno y en su capacidad para absorber salmuera, los cuales influyen en la química de las grietas. Las juntas no-porosas ni-permeables (PTFE, PEEK, metal) proporcionan un sellado hermético y no permiten la difusión de oxígeno a través de la propia junta, lo que acelera el agotamiento del oxígeno dentro de la grieta. Caucho blando, EPDM, silicona (juntas porosas y permeables): parte del oxígeno puede difundirse a través del cuerpo de la junta para reemplazar la grieta y retrasar el comienzo.

Se probaron diferentes materiales de juntas (espacio de 0,1 mm, profundidad de 10 mm, NaCl saturado a 50 grados) y los resultados son:

Junta de PTFE (impermeable): inicio a las 200-300 hrs. Caucho EPDM (permeabilidad moderada): inicio entre 400 y 600 horas. Caucho de silicona (alta permeabilidad) 800 a 1200 horas para comenzar. Sin junta (contacto metal-metal, efectivamente cero espacios, interfaz porosa) Iniciación a más de 2000 horas con ataque moderado.

La desventaja-es que las juntas permeables absorberán salmuera y se hincharán, lo que puede cambiar la geometría del espacio con el tiempo. La silicona y el EPDM se descomponen durante largos períodos de tiempo (de 2 a 5 años) en salmuera caliente y es necesario reemplazarlos.

Par de sujeción y presión de contacto
La presión ejercida sobre la junta y la interfaz de titanio es función del par utilizado para apretar la abrazadera. Más torque significa sellos más apretados, lo que significa que el ancho efectivo del espacio se reduce y se difunde menos oxígeno. Un par más bajo (bajo las limitaciones de sellado) da como resultado una separación efectiva algo mayor y, por lo tanto, una formación de grietas más lenta.

Al probar una junta de PTFE en una brida de tubo de 50 mm de diámetro con NaCl saturado a 50 grados se obtiene:

Par 20 N·m (bajo) Juego efectivo 0,15-0,20 mm A partir de 400-600 horas. Par 40 Nm (estándar) Juego efectivo 0,08-0,12 mm Inicio 200-300 horas Par 60 N·m (alto): juego efectivo 0,04-0,07 mm, inicio 50-100 horas.

La mejor manera de dar servicio a un evaporador de sal es aplicar la menor cantidad de torque que proporcione un sello, generalmente del 50 al 60 por ciento del máximo sugerido para el material de la junta. Esta técnica aumenta la brecha efectiva sin fugas.

Matriz de aplicación de diseño de grietas para evaporadores de sal
Parámetro de diseño Valor preferido para el mecanismo de vida extendida Tiempo esperado hasta la formación de grietas (NaCl saturado, 50 grados)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5.000 horas (sin ataque)
Ancho del espacio (si<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
Profundidad de la grieta<10 mm Anode area limited 300-500 hours
Material de la junta EPDM o silicona (permeable) Difusión de oxígeno en la junta de 400 a 1200 horas.
Par de apriete mín. par de sellado (50-60 % del máximo) Maximiza la separación efectiva 2-3 veces más que el par alto
Tubo de unión-lámina tubularSoldaduras (penetración total)Sin asalto de grietas (solo picaduras) Elimina grietas
Consejos prácticos sobre los calentadores de evaporadores de sal
En los estanques de evaporación de sal, el mejor diseño para los tubos de calentamiento de titanio es el diseño en el que todas las fisuras se eliminan mediante acoplamientos soldados de penetración total-a-placa de tubos. Cuando se requieran conexiones desmontables, utilice una junta perforada o acanalada para preservar la separación y especifique un ancho de espacio de 0,20 a 0,30 mm. Utilice juntas de EPDM o silicona (clasificadas para salmuera a 60 grados) en lugar de PTFE para aprovechar su permeabilidad al oxígeno. Aplique el torque de sujeción mínimo que evitará fugas, según lo determinado por la prueba de burbujas. Diseñe bridas con huecos poco profundos para limitar la profundidad de las grietas a 10 mm o menos. Estas opciones de diseño aumentan el tiempo de inicio de las grietas de 200 a 300 horas (junta de PTFE estándar, alto torque) a 2000 a 5000 horas antes de que sea necesaria la inspección, o de 3 a 6 meses de operación continua. Programe inspecciones anuales del calentador y limpie cualquier ataque incipiente de grietas mediante un pulido ligero para que el estanque de sal funcione las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Para aplicaciones con un período de mantenimiento de 5 años, son necesarias uniones soldadas, incluso si se optimiza la geometría.