Prevenir la corrosión en calderas: Estrategias probadas para una calidad superior del agua de alimentación

El fallo de calderas es una preocupación importante para plantas de calefacción y energía, y la corrosión asociada con la calidad del agua de la caldera se sabe que es la causa principal. El coste total de fallos de tubos de caldera en plantas de energía se estima en unos 5.000 millones de dólares al año (nota: esta cifra es de 2009, por lo que probablemente sea mucho mayor). Para garantizar el funcionamiento seguro a largo plazo de una caldera, la calidad del agua debe mantenerse continuamente dentro de los requisitos de tolerancia de la caldera.

Impurezas en el agua de alimentación de calderas

Las fuentes de agua contienen impurezas que, en ciertos niveles, pueden ser muy dañinas. A altas temperaturas, incluso cantidades traza de ciertas sustancias en el agua de alimentación pueden causar daños graves a equipos y tuberías en poco tiempo. Sólidos disueltos o suspendidos problemáticos, oxígeno, dióxido de carbono y materia orgánica pueden causar incrustación, ensuciamiento y corrosión. Por ejemplo:

• El hierro puede depositarse en partes internas y tubos de la caldera, dañar equipos aguas abajo y afectar la calidad de ciertos procesos de fabricación.
• El cobre puede causar depósitos que se asientan en turbinas de alta presión, disminuyendo su eficiencia y requiriendo limpieza costosa o cambios de equipos.
• La sílice puede causar incrustación extremadamente dura, especialmente en calderas de alta presión.
• El calcio puede causar incrustación en varias formas dependiendo de la química del agua de alimentación de la caldera.
• El magnesio puede adherirse al interior de la caldera y tubos recubiertos, atrayendo más sólidos y contribuyendo a la incrustación, especialmente si se combina con fosfato.
• El aluminio puede depositarse como incrustación en el interior de la caldera y puede reaccionar con sílice para aumentar aún más la probabilidad de incrustación.
• La dureza causa depósitos e incrustación en partes y tuberías de la caldera.
• Gases disueltos como oxígeno y dióxido de carbono pueden causar corrosión severa en tuberías y partes de la caldera.

El tipo más común de corrosión es el ataque por picaduras debido al oxígeno disuelto. Esto se caracteriza por agujeros pequeños pero profundos que penetran las paredes de los tubos y causan fallo eventual. Los factores que afectan la gravedad incluyen concentración de oxígeno disuelto, pH y temperatura. (Lectura relacionada: Cómo reconocer, prevenir y tratar efectivamente la corrosión por picaduras.)

Para prevenir la corrosión, el agua de la caldera necesita ser algo alcalina y no ácida. La acidez inadecuada y el agua ligeramente alcalina pueden disolver el metal y la película protectora en las superficies metálicas.

El ataque ácido ocurre si el pH cae por debajo de 8,5. En esta condición, los materiales son susceptibles a adelgazamiento superficial causado por ataque químico. Cualquier área tensionada sería la más vulnerable en este tipo de ataque.

El ataque cáustico ocurre si el pH está por encima de 12,9, y a menudo se encuentra a altas temperaturas en calderas tratadas con fosfato. Los depósitos en áreas de alta transferencia de calor pueden despojar la película de magnetita del material base.

Espuma y arrastre

La espuma y arrastre es causada por impurezas normales de la caldera volviéndose demasiado concentradas, sobredosis de químicos o una introducción accidental de materia orgánica (grasa o aceite) en el agua de alimentación de la caldera o retorno de condensado. La espuma dentro de la caldera es fácilmente forzada fuera de la salida de vapor de la caldera y puede causar daños mayores. El golpe de ariete en una línea de vapor, erosión en tuberías de vapor y eventos de bajo nivel de agua en la caldera son ejemplos.

Sistemas de tratamiento de agua de alimentación de calderas

Un sistema de tratamiento de agua de alimentación de caldera está compuesto por varias tecnologías individuales que abordan la condición del agua de alimentación para cumplir con los requisitos de la caldera específica. El sistema de tratamiento está compuesto por los componentes necesarios para eliminar impurezas que siempre están presentes independientemente de la fuente. Un sistema básico de tratamiento de agua de alimentación de caldera típicamente incluye algún tipo de coagulación, filtración, intercambio iónico, desalcalinización, desaireación y procesos de membrana como ósmosis inversa. Estos componentes se describen en las siguientes secciones. (Lectura relacionada: Cómo evitar la corrosión basada en quelantes en una tubería de agua de caldera.)

Coagulación y precipitación química

Después de que se eliminan todos los objetos grandes de la fuente de agua original, se añaden varios químicos a un tanque de reacción para eliminar los sólidos suspendidos en masa y otros varios contaminantes. Este proceso comienza con una variedad de reactores de mezcla, que típicamente son uno o dos reactores que añaden químicos específicos para eliminar todas las partículas más finas en el agua combinándolas en partículas más pesadas mediante coagulación que eventualmente precipitan y se asientan.

Filtración y ultrafiltración

El siguiente paso es generalmente hacer pasar el agua a través de filtración para eliminar cualquier partícula suspendida como sedimentos, turbidez y ciertos tipos de materia orgánica. A menudo es útil hacer esto temprano en el proceso, ya que la eliminación de sólidos suspendidos upstream puede ayudar a proteger membranas y resinas de intercambio iónico de ensuciamiento más adelante en el proceso de pretratamiento.

Ablandamiento por intercambio iónico

Una resina ablandadora puede usarse para abordar alta dureza que contiene bicarbonatos, sulfatos, cloruros o nitratos. Este procedimiento usa un proceso de intercambio catiónico de ácido fuerte, donde la resina se carga con un ion de sodio. El agua dura pasa a través de un ablandador, y el calcio y magnesio intercambian lugares con iones de sodio. Los iones de sodio se mantienen flojamente y son reemplazados fácilmente por iones de calcio y magnesio. Durante este proceso, iones de sodio "libres" se liberan en el agua.

Desalcalinización

La desalcalinización puede reducir la alcalinidad o pH, que es una impureza que puede causar espuma, corrosión y fragilización. La desalcalinización con cloruro de sodio usa una resina de intercambio aniónico fuerte para reemplazar bicarbonato, sulfato y nitrato por aniones cloruro.

Ósmosis inversa y nanofiltración

La ósmosis inversa (OI) y la nanofiltración (NF) fuerzan agua a presión a través de membranas semipermeables, atrapando contaminantes como bacterias, sales, orgánicos, sílice y dureza, mientras dejan pasar agua concentrada y purificada. Estas unidades de filtración se usan mayormente con calderas de alta presión donde la concentración de sólidos suspendidos y disueltos necesita mantenerse extremadamente baja.

Desaireación o desgasificación

El condensado que se devuelve se mezclar con el agua de alimentación tratada y entrará en un proceso de desaireación o desgasificación. Cualquier traza de oxígeno y dióxido de carbono puede ser extremadamente corrosiva para equipos y tuberías de la caldera. Por tanto, eliminar estos gases a niveles aceptables es imperativo para maximizar la vida útil y seguridad del sistema de caldera. Hay varios tipos de dispositivos de desaireación que vienen en una gama de configuraciones, pero un desaireador de tipo bandeja o rociado para desgasificación o scavengers de oxígeno son los tipos más comunes.

Calderas de alta presión y baja presión

Los requisitos de calidad del agua de alimentación dependen de la presión y el caudal. Para ciertas presiones, hay un nivel máximo de contaminantes, y a medida que la presión aumenta se vuelve más crítico un tratamiento de agua exhaustivo que produzca agua de mayor calidad.

Calderas de baja presión (600 PSI y menos) y agua con una baja cantidad de sólidos disueltos totales (SDT) típicamente solo requieren filtración simple y ablandamiento de agua. Como la química del agua pueda dictar, o a medida que aumenta la presión, puede necesitarse un desalcalinizador.

Calderas de alta presión (600 PSI y más) usualmente requieren algún tipo de desmineralización, intercambio iónico o dispositivos de pulido basados en resina de lecho mixto o sándwich. La ósmosis inversa usada en combinación con una tecnología de pulido es muy popular donde se requiere agua de pureza extremadamente alta.

Pruebas y control de calidad del agua de alimentación

Prevenir y minimizar los procesos de corrosión en calderas es muy importante en la industria de energía térmica. La calidad del agua de alimentación debe mantenerse a un nivel correspondiente a los estándares de diseño, seguido de notar cualquier fluctuación en los parámetros medidos. Hay instrumentos analíticos sensibles en línea y fuera de línea que pueden usarse para medir los parámetros diagnósticos clave que son cruciales para la seguridad y rendimiento de la caldera.

Saber dónde se encuentra la calidad de la fuente de agua de alimentación en relación con la calidad de agua requerida para una caldera específica es esencial, porque un tratamiento de agua inadecuado puede llevar a incrustación, corrosión y ensuciamiento de la caldera y equipos aguas abajo.