Las unidades de desulfuración de gases de combustión (FGD) en centrales eléctricas alimentadas con carbón-utilizan recalentadores para elevar la temperatura de los gases de combustión limpios antes de que entren en la chimenea. El titanio es el material elegido debido a su resistencia a la corrosión en ambientes ácidos y ricos en cloruro-. Sin embargo, los gases de combustión de FGD contienen partículas de cenizas volantes-angulares, duras (principalmente sílice y alúmina), con tamaños que oscilan entre 1 y 100 µm. Estas partículas viajan con el gas a velocidades de 15 a 25 m/s. Cuando la corriente de gas encuentra una curva en el tubo de titanio, las partículas más pesadas no pueden cambiar de dirección tan rápidamente como el gas. Continúan a lo largo de su trayectoria original, impactando la pared del tubo en el radio exterior de la curva. Este impacto de partículas provoca erosión, eliminando preferentemente material del lado aguas arriba del codo. Con el tiempo, el adelgazamiento de las paredes provoca perforaciones y fugas de gases de combustión o condensados.

Mecanismo de erosión de cenizas volantes en las curvas de los tubos

El mecanismo de erosión es una combinación de desgaste por impacto y corte. Las partículas de cenizas volantes golpean la superficie del titanio en ángulos típicamente de 20 a 50 grados con respecto a la tangente de la superficie. El titanio, aunque resistente, tiene una dureza relativamente baja (180-220 HV para el Grado 2) en comparación con la sílice (aproximadamente 1200 HV). Cada impacto de partícula desplaza un pequeño volumen de titanio-del orden de 1 a 10 µm³ para una partícula de 20 µm a 20 m/s. La tasa de erosión sigue una ley de potencia: Erosión ∝ (V)^n × (d)^m × (concentración de partículas), donde V es la velocidad, d es el diámetro de las partículas, n es aproximadamente 2,3 para el titanio y m es aproximadamente 2,0. En las curvas, la velocidad de impacto efectiva es mayor que la velocidad del gas en masa debido a la aceleración de las partículas alrededor de la curva. El lado aguas arriba del tubo recibe la mayor densidad de impactos porque las partículas aún no han sido desviadas por colisiones anteriores.

Tasas de erosión cuantitativa en diferentes ubicaciones de curvas

Las mediciones de campo y las pruebas de laboratorio (velocidad del gas de 20 m/s, cenizas volantes de 50 mg/m³, tamaño medio de partícula de 20 µm) han establecido las siguientes tasas de erosión para el titanio de Grado 2:

Sección de tubo recto, flujo uniforme: Tasa de erosión de 0,05 a 0,10 mm por año. La eliminación de material es relativamente uniforme alrededor de la circunferencia. Aceptable para una vida útil de 10 a 15 años con un espesor de pared de 1,5 mm.

Radio exterior de curvatura, codo de 90 grados, lado aguas arriba: Tasa de erosión de 0,6 a 1,2 mm por año. La pérdida máxima de pared ocurre en el punto donde la trayectoria de la partícula hace contacto por primera vez con el tubo. El adelgazamiento localizado puede perforar una pared de 1,5 mm en 1 a 2 años.

Radio exterior de curvatura, lado aguas abajo (después del impacto): Tasa de erosión de 0,2 a 0,4 mm por año. Las partículas han perdido energía cinética después del impacto inicial. La erosión secundaria sigue siendo significativa.

Radio interior de curvatura (intradós): Tasa de erosión de 0,02 a 0,05 mm por año. Menor densidad de impacto de partículas. Generalmente protegido por la capa límite de gas.

Múltiples curvaturas en serie (p. ej., recalentador serpentino): Las tasas de erosión aumentan entre un 20% y un 50% en cada curvatura posterior porque las partículas se vuelven más angulares y agresivas después de los impactos iniciales.

Guía de selección de diseño y mitigación de la erosión

La siguiente tabla proporciona un marco de decisión para gestionar la erosión por cenizas volantes en curvaturas de tubos de titanio en función de la carga de partículas y la velocidad del gas:

Ingeniería más allá de la resistencia a la erosión

El grado de aleación de titanio afecta la resistencia a la erosión. El grado 7 (paladio-estabilizado) tiene una dureza (180–220 HV) y una tasa de erosión similares al grado 2. El grado 12 (molibdeno-níquel) es ligeramente más duro (200–240 HV) y reduce la erosión entre un 15% y un 20%. Los tratamientos superficiales pueden mejorar la resistencia a la erosión: la nitruración produce una capa superficial de TiN (500–800 HV) que reduce la erosión entre un 70% y un 80% pero aumenta los costos. El espesor de la pared del tubo en las curvas debe aumentarse más allá del requisito de la sección recta. Un diseño típico utiliza una pared de 1,5 mm para secciones rectas y una pared de 2,5 mm para radios exteriores de curvatura. La geometría de curvatura es fundamental: las curvaturas de radio-largo (R=5D) experimentan una erosión un 50 % menor que las curvaturas de radio-estándar (R=1.5D). El patrón de flujo de gas se puede modificar girando paletas aguas arriba de las curvas para redirigir las partículas lejos del radio exterior.

Hacer una especificación informada

Al especificar un tubo recalentador de titanio para servicio FGD con cenizas volantes, identifique todas las curvas en la ruta del gas. Para cada curvatura, especifique un mayor espesor de pared (2,0–2,5 mm) en el radio exterior, ya sea utilizando un tubo curvado sin costura con una pared más gruesa o aplicando una capa de soldadura de titanio o carburo de tungsteno en el lado aguas arriba. Solicite un modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) de las trayectorias de partículas a través del recalentador para identificar zonas de alta-erosión. Durante el funcionamiento, realice pruebas de espesor ultrasónicas anualmente en los radios exteriores de curvatura. Establezca un umbral crítico de espesor de pared (p. ej., 0,8 mm restantes) en el que se debe reemplazar o reparar el tubo. Para instalaciones nuevas, especifique un radio de curvatura mínimo de 3D (tres veces el diámetro exterior del tubo). Si las limitaciones de espacio requieren curvas cerradas (R=1.5D), requiera un recubrimiento de carburo de tungsteno o manguitos de desgaste reemplazables. Al abordar la erosión preferencial en las curvas como una consideración de diseño distinta, el ingeniero extiende la vida útil de los recalentadores FGD de titanio de 1 a 2 años a 10 a 15 años en corrientes de gases de combustión cargados de-cenizas-.