Modalità comuni di guasto dei tubi per scambiatori di calore: corrosione, perdite e scelta dei materiali

I guasti dei tubi negli scambiatori di calore sono causati più frequentemente da corrosione, erosione e scelta errata del materiale. Comprendere le modalità di guasto come la dezincificazione, la corrosione galvanica e l’assottigliamento delle pareti aiuta ingegneri e buyer a selezionare il materiale tubiero corretto e a prevenire perdite, fermi impianto non programmati e sostituzioni costose.

I tubi degli scambiatori di calore operano all’intersezione tra pressione, temperatura, chimica del fluido e velocità. Quando si verificano guasti, raramente sono il risultato di un singolo fattore. Nella maggior parte dei casi, sono la conseguenza di una mancata corrispondenza tra materiale e ambiente, combinata con condizioni operative che accelerano il degrado nel tempo.

Comprendere come e perché i tubi degli scambiatori di calore si guastano è essenziale per ingegneri, team di manutenzione e professionisti dell’approvvigionamento che vogliono ridurre i tempi di fermo, estendere la vita utile delle apparecchiature ed evitare sostituzioni premature.

Questo articolo analizza le modalità di guasto più comuni dei tubi per scambiatori di calore e spiega come una corretta selezione del materiale svolga un ruolo centrale nella loro prevenzione.

I guasti dei tubi non sono eventi casuali. Sono esiti prevedibili di scelte di progettazione e specifica effettuate nelle prime fasi di un progetto.

I fattori contributivi più comuni includono:

• chimica del fluido aggressiva o scarsamente controllata

• elevate velocità di flusso e turbolenza

• temperature elevate e cicli termici

• metallurgia mista tra tubi e piastre tubiere

• requisiti di ispezione o collaudo insufficienti

Quando le proprietà del materiale del tubo non sono allineate a queste condizioni, i meccanismi di degrado iniziano ad agire molto prima che compaiano perdite visibili.

La corrosione è la causa predominante dei guasti dei tubi nei settori della generazione di energia, marino, raffinazione e desalinizzazione.

Si verifica quando il materiale del tubo reagisce chimicamente o elettrochimicamente con il fluido circostante o con i depositi presenti sulla superficie del tubo. Nel tempo, ciò porta all’assottigliamento delle pareti, alla perdita di resistenza meccanica e, infine, a perdite.

Leghe diverse resistono alla corrosione in modi differenti, motivo per cui una selezione generica del materiale porta spesso a prestazioni scadenti nel lungo periodo.

L’erosione-corrosione è un meccanismo di guasto combinato, di natura meccanica e chimica.

Un’elevata velocità del fluido, soprattutto in presenza di solidi sospesi o bolle d’aria, rimuove gli strati protettivi di ossido dalla superficie del tubo. Una volta esposto, il metallo base si corrode rapidamente.

Questa modalità di guasto è comune in:

• sistemi di acqua di raffreddamento

• condensatori

• scambiatori di calore ad alta portata

I materiali con resistenza insufficiente all’erosione mostrano un assottigliamento localizzato, generalmente in corrispondenza degli ingressi dei tubi o nelle aree di disturbo del flusso.

La dezincificazione è un meccanismo di corrosione selettiva che interessa alcune leghe di ottone.

In condizioni di acqua aggressiva o stagnante, lo zinco viene lisciviato preferenzialmente dalla lega, lasciando una struttura indebolita e porosa, ricca di rame. Sebbene i tubi possano apparire integri esternamente, la loro resistenza meccanica risulta gravemente compromessa.

Questo fenomeno è particolarmente rilevante quando:

• si utilizza ottone standard invece di leghe inibite

• la chimica dell’acqua è scarsamente controllata

• il servizio prevede acqua calda o leggermente acida

La corretta selezione della lega è fondamentale per prevenire questa modalità di guasto silenziosa ma distruttiva.

La corrosione galvanica si verifica quando due metalli dissimili sono elettricamente collegati in presenza di un elettrolita.

Negli scambiatori di calore, ciò avviene spesso tra:

• tubi e piastre tubiere

• tubi e supporti dei tubi

• riparazioni eseguite con materiali incompatibili

Il metallo meno nobile si corrode preferenzialmente, causando un attacco accelerato nei punti di contatto. Anche leghe con buona resistenza alla corrosione in condizioni isolate possono guastarsi rapidamente se accoppiate in modo errato.

Le perdite dei tubi sono generalmente il sintomo finale, non la causa principale.

Derivano da una perdita progressiva di spessore dovuta a corrosione, erosione o attacchi localizzati sotto i depositi. Quando le perdite vengono rilevate, un degrado significativo del materiale si è già verificato.

L’assottigliamento delle pareti nelle fasi iniziali spesso passa inosservato senza adeguati metodi di ispezione, rendendo la selezione del materiale e i requisiti di collaudo ancora più importanti.

La scelta del materiale corretto per i tubi è il modo più efficace per mitigare il rischio di guasto.

La selezione del materiale dovrebbe basarsi su:

• composizione del fluido

• temperatura di esercizio

• velocità e turbolenza

• vita utile prevista

• compatibilità con i componenti adiacenti

Di seguito sono riportate le strategie di materiale comunemente utilizzate per prevenire le modalità di guasto più frequenti.

Le leghe di ottone ammiragliato sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni di acqua di raffreddamento e nei condensatori grazie a una combinazione equilibrata di resistenza meccanica, conducibilità termica e resistenza alla corrosione.

Se correttamente specificato, l’ottone ammiragliato inibito offre una buona resistenza alla corrosione generale e alla dezincificazione in condizioni di acqua controllata.

L’ottone all’alluminio offre una maggiore resistenza all’erosione-corrosione e al biofouling rispetto agli ottoni standard.

Il film protettivo di ossido di alluminio migliora le prestazioni in sistemi ad alta velocità e in acque moderatamente aggressive, rendendolo una scelta frequente per centrali elettriche e grandi condensatori.

Le leghe rame-nichel sono specificamente progettate per il servizio in acqua di mare.

La loro eccellente resistenza al biofouling, alla corrosione indotta dai cloruri e all’erosione le rende la soluzione preferita in ambienti marini e di desalinizzazione, dove altre leghe subiscono un degrado rapido.

In questo caso, la scelta del materiale determina direttamente la vita utile.

Molti guasti dei tubi hanno origine da decisioni guidate dal costo iniziale piuttosto che dalla realtà operativa.

L’utilizzo di una lega a basso costo in un ambiente aggressivo può ridurre la spesa iniziale, ma spesso comporta:

• riduzione della vita utile

• manutenzione frequente

• fermi impianto non programmati

• costi del ciclo di vita più elevati

La selezione del materiale dovrebbe quindi essere considerata una decisione di gestione del rischio, non un acquisto di commodity.

Per ridurre il rischio di guasto, ingegneri e buyer dovrebbero seguire questi principi:

• abbinare la lega del tubo alla chimica del fluido e alla temperatura

• controllare la velocità del flusso per evitare l’erosione

• evitare metallurgie miste senza un’adeguata separazione

• specificare metodi di ispezione come il controllo a correnti indotte

• richiedere tracciabilità e certificazioni per i servizi critici

Questi passaggi estendono in modo significativo la vita dei tubi e migliorano l’affidabilità del sistema.

I guasti dei tubi negli scambiatori di calore sono raramente inevitabili. Nella maggior parte dei casi, derivano da interazioni prevedibili tra le proprietà dei materiali e le condizioni operative.

Comprendendo le modalità di guasto più comuni e selezionando di conseguenza i materiali dei tubi, i team di ingegneria e approvvigionamento possono prevenire la corrosione, ridurre le perdite ed evitare costosi tempi di fermo.

Se stai valutando materiali tubieri per un’applicazione critica di scambiatore di calore, collaborare con un fornitore che comprenda sia i materiali sia gli ambienti operativi è essenziale. Contatta Admiralty Industries per discutere strategie di selezione dei materiali adattate ai requisiti del tuo sistema.

Richiedi un preventivo tecnico