La dessalinització d'aigua de mar suposa exigències extraordinàries als equips d'intercanvi de calor. La combinació d'eleves concentracions de clorur, temperatures de funcionament elevades i flux continu crea un entorn on els materials convencionals es degraden ràpidament. El titani ofereix una resistència excepcional a la corrosió induïda per l'aigua de mar i el clor-, però les làmines de tub de titani sòlid continuen sent prohibitivament cares per a les instal·lacions de dessalinització a gran-escala. Aquesta limitació econòmica ha impulsat la indústria cap a una solució elegant: plaques de tub d'acer revestides de titani-produïdes mitjançant soldadura explosiva.
- El repte de la corrosió en els intercanviadors de calor de dessalinització
Les plantes dessalinitzadores, tant si utilitzen processos multi-flash (MSF), com destil·lació multi-efecte (MED) o osmosi inversa (RO), depenen àmpliament dels intercanviadors de calor-i-tubs. Aquestes unitats manipulen salmorra a temperatures elevades, exposant les làmines de tubs a un atac continu dels ions clorur. El titani i els seus aliatges presenten una resistència excepcional a l'aigua de mar, solucions de clorur i propietats d'erosió de fluids-que els converteixen en el metall escollit per als sistemes de refrigeració per aigua-costa i salobre. El metall forma naturalment una pel·lícula d'òxid densa i estable quan s'exposa a entorns oxidants, proporcionant protecció contra la corrosió per picadura i l'atac d'esquerdes que afecten els acers inoxidables i els aliatges de coure en servei salí.
L'obstacle sempre ha estat el cost. El titani és car i la fabricació d'una làmina de tub sencera a partir de titani sòlid comporta els costos dels equips més enllà dels límits pràctics per a les grans instal·lacions de dessalinització. Aquí és on els materials revestits entren a la imatge.
Soldadura explosiva
La soldadura explosiva, també coneguda com a revestiment d'explosió, segueix sent el mètode industrial dominant per produir plaques compostes de titani. El procés utilitza detonacions controlades per accelerar una placa de revestiment de titani cap a un substrat d'acer a gran velocitat. La pressió d'impacte genera un enllaç metal·lúrgic entre els dos metalls diferents a temperatura ambient-un procés de soldadura en estat sòlid-que evita els compostos interfacials i la distorsió tèrmica associada a la soldadura per fusió.
La interfície resultant presenta una morfologia ondulada característica, una signatura d'una soldadura explosiva reeixida. Aquesta estructura d'ones periòdiques, normalment amb longituds d'ona i amplituds mesurables en centenars de micres, resulta d'ones de cisalla plàstica i d'una intensa agitació localitzada durant l'esdeveniment de detonació. La interfície d'ona proporciona un enclavament mecànic i una força d'enllaç superiors en comparació amb les interfícies planes, amb resistències de cisalla documentades que arriben a 150-200 MPa. En algunes aplicacions, la resistència al tall de la interfície supera els 210 MPa.
Fabricació i rendiment de la làmina de tubs
Les làmines de tub revestides de titani-produïdes per soldadura explosiva combinen una capa de titani-normalment titani pur comercialment de grau 1 o grau 2-amb un suport d'acer al carboni com ara SA516 Gr.70 o Q345R. El gruix de la capa de titani generalment oscil·la entre 3 i 8 mm, la qual cosa proporciona una gran capacitat de corrosió per a l'exposició a l'aigua de mar{11}}a llarg termini. El substrat d'acer proporciona la resistència estructural i la rigidesa necessàries per suportar els paquets de tubs i suportar les càrregues de pressió, mentre que el revestiment de titani gestiona l'entorn corrosiu de la salmorra.
L'enllaç metal·lúrgic entre les dues capes és integral i contínua, complint els requisits de ASTM B898, l'especificació estàndard per a plaques revestides de metall reactiu i refractari destinades a l'ús de recipients a pressió. La inspecció ultrasònica al cent per cent verifica la integritat de l'enllaç, amb estàndards de qualificació que normalment requereixen una taxa d'enllaç del 98% o superior.
El cas econòmic de les làmines de tub revestides de titani-és convincent. En comparació amb el titani sòlid, la construcció revestida redueix els costos del material entre un 35 i un 50 per cent. Algunes estimacions situen l'estalvi en aproximadament un 40 per cent mantenint una resistència a la corrosió equivalent. Aquesta rendibilitat fa que la resistència superior a la corrosió de l'aigua de mar del titani sigui accessible per a projectes de dessalinització a gran-escala on el titani sòlid seria poc pràctic econòmicament.
La fabricació requereix una atenció acurada als detalls. La perforació del forat del tub a les plaques revestides requereix eines amb punta de carbur-amb velocitats de tall mantingudes en el rang de 15 a 20 m/min per evitar la delaminació de la capa de titani. La soldadura de-a-tub a xapa de tub ha d'emprar gas inert de protecció-normalment argó-amb corrents en el rang 90-110 A per evitar l'oxidació interfacial. Les temperatures de disseny s'han de mantenir en o per sota dels 300 graus per mitigar els riscos de fragilització de l'hidrogen. Les juntes de transició entre les làmines de tub revestides de titani i les canonades d'acer s'aconsegueixen normalment amb peces de transició d'acer-titani.
L'experiència de camp amb plaques de tub revestides de-titani-soldat amb explosius en servei de dessalinització ha estat positiva. Les proves de rendiment a les plantes dessalinitzadores d'aigua de mar demostren un manteniment constant de l'eficiència tèrmica fins i tot en entorns d'alta-salinitat. El revestiment de titani manté la integritat de la seva pel·lícula d'òxid passiu en condicions de cicle tèrmic, amb un rendiment documentat en intervals de temperatura entre -40 graus i 300 graus. Els estudis d'exposició a llarg termini en entorns marins no mostren pràcticament cap corrosió mesurable després d'una dècada de servei continu.
La fabricació de làmines de tub revestides de titani-per a aplicacions de dessalinització segueix les normes establertes, com ara ASTM B898 i la norma xinesa NB/T 47002.3. Els protocols d'assegurament de la qualitat inclouen proves ultrasòniques de la interfície d'enllaç, proves mecàniques de resistència al tall i inspecció dimensional dels patrons de forats de tubs. Aquests estàndards asseguren que les làmines de tub revestides compleixin els mateixos criteris de rendiment que el titani sòlid al servei dels recipients a pressió.
A mesura que la capacitat de dessalinització d'aigua de mar continuï expandint-se a nivell mundial, la demanda de components d'intercanvi de calor resistents a la corrosió-efectius{1}}de cost creixerà en conseqüència. La soldadura explosiva de làmines de tub d'acer revestides de titani-ofereix una tecnologia madura i provada que equilibra el rendiment de la corrosió amb el cost de capital. El procés produeix enllaços metal·lúrgics fiables, els materials compleixen els estàndards establerts de la indústria i l'experiència operativa confirma la durabilitat a llarg termini-en el servei d'aigua de mar. Per als dissenyadors i operadors de plantes dessalinitzadores, les làmines de tubs revestides de titani-representen una solució pràctica a un dels reptes materials perdurables de la indústria.
