Manutenzione degli scambiatori di calore: guida pratica

La manutenzione degli scambiatori di calore è ciò che distingue un’unità in grado di soddisfare la propria portata di progetto per oltre 20 anni da una che perde dal 15 al 30 percento della propria capacità in pochi cicli. Il lavoro si articola in quattro discipline: monitorare le prestazioni rispetto ai valori di riferimento, ispezionare il degrado dei materiali, pulire per ripristinare il trasferimento di calore e decidere quando riparare oppure sostituire il fascio tubiero. Il piano giusto è quello adeguato al servizio, al tipo di costruzione e alla lega dei tubi. I piani generici tendono a pulire troppo poco, troppo spesso, o con sostanze chimiche che rimuovono i film protettivi dalle leghe di rame.

Uno scambiatore di calore non si guasta in modo evidente, si degrada. Il fouling deposita uno strato isolante sulla superficie di scambio termico. La corrosione assottiglia le pareti dei tubi un micron alla volta. Le vibrazioni allentano i supporti dei deflettori. Ognuno di questi fenomeni è invisibile finché l’unità non riesce più a mantenere la temperatura di uscita, finché un tubo non si rompe o finché la bolletta energetica non aumenta silenziosamente perché il sistema a monte sta compensando la perdita di portata.

Il cedimento dei tubi è una delle cause più comuni di fermo degli scambiatori di calore. I meccanismi sono ben documentati nella letteratura TEMA, AMPP e Copper Development Association e sono del tutto gestibili con un programma di manutenzione che sia adeguato alle minacce reali del servizio.

Il fouling è il principale responsabile. Vengono riconosciuti sei tipi: particolato (solidi in sospensione), cristallizzazione o incrostazione (precipitazione di minerali), biologico (batterico, algale, macrofouling), reazione chimica (polimerizzazione o coking), fouling da corrosione (ossidazione della superficie su sé stessa) e congelamento. Le unità reali mostrano di solito più di un tipo contemporaneamente e ognuno risponde a un metodo di pulizia diverso.

La corrosione attacca direttamente il materiale del tubo. I meccanismi più rilevanti per i tubi degli scambiatori di calore sono: assottigliamento uniforme, pitting, dezincificazione (nelle leghe di ottone non inibito), criccatura da tensocorrosione, attacco galvanico ed erosione-corrosione ad alte velocità. Ogni lega di tubi ha il proprio campo di applicazione, motivo per cui la manutenzione deve partire dalla lega.

Il degrado meccanico include i danni da vibrazione dei tubi ai deflettori, lo scorrimento delle guarnizioni e l’allentamento dei giunti tubo-piastra tubiera dovuto ai cicli termici.

Un programma basato su intervalli di calendario tenderà a manutenere eccessivamente un’unità pulita o ad arrivare troppo tardi su una già intasata. La base migliore è il monitoraggio rispetto ai valori di riferimento dell’unità stessa.

I quattro indicatori che contano:

• Il coefficiente globale di scambio termico (U) in diminuzione è il segnale di fouling più chiaro.

• La temperatura di approccio si allarga man mano che il fouling si accumula.

• La perdita di pressione in aumento sul lato tubi indica depositi interni o ostruzione parziale; sul lato mantello, fouling esterno o danni da vibrazione.

• La deriva della valvola di controllo e della velocità della pompa è un indicatore precoce del fatto che il sistema sta compensando la perdita di portata.

Un’euristica operativa comune prevede di attivare la pulizia al 10-15 percento di perdita del valore U rispetto al basale, ma il numero giusto dipende dal costo della pulizia, dal costo della perdita di portata e dalla velocità di degrado nel servizio specifico. Nota: questo intervallo è un’euristica, non uno standard. Validare rispetto ai propri dati.

Hai bisogno di aiuto per selezionare il materiale del tubo giusto, progettare un protocollo di pulizia rispettoso della lega o definire l’ambito di una sostituzione del fascio? Contatta il nostro team per discutere i requisiti e ricevere supporto esperto nella scelta dei materiali, nelle specifiche e nelle opzioni di produzione.

Il monitoraggio delle prestazioni indica che l’unità sta perdendo portata. L’ispezione indica perché.

I controlli visivi a ogni opportunità di fermo impianto rilevano il degrado superficiale, le condizioni delle guarnizioni e i segni di perdite. Il collaudo idraulico secondo ASME Sezione VIII verifica l’integrità dei tubi a un multiplo della pressione di esercizio.

Per i fasci tubi-mantello, i test non distruttivi sono la fonte dei dati operativi:

• Test a correnti parassite (ECT) per tubi non ferromagnetici (Cu-Ni, ottone ammiragliato, ottone all’alluminio, acciaio inossidabile austenitico, titanio). Screening rapido del fascio completo per pitting, perdita di spessore e danni ai deflettori.

• Test a campo remoto (RFT) per tubi ferromagnetici (acciaio al carbonio, acciaio inossidabile ferritico).

• Sistema di ispezione rotante interno (IRIS), ultrasonico, per la mappatura ad alta risoluzione dello spessore di parete. Utilizzato per confermare e quantificare quanto segnalato da ECT o RFT.

• Test a campo vicino (NFT) per fasci di tubi alettati, dove l’ECT standard è distorto dalla geometria delle alette.

Una tipica campagna utilizza ECT o RFT per lo screening dell’intero fascio, poi IRIS per confermare lo spessore di parete sui tubi segnalati.

Il metodo corretto dipende dal tipo di fouling, dalla costruzione (se il fascio è estraibile) e dalla lega dei tubi.

La pulizia meccanica (idropulitura, spazzolatura, foratura, pulizia con lancia) rimuove fisicamente i depositi. Efficace per foulant duri e aderenti. Negli scambiatori a piastra tubiera fissa, questo è generalmente applicabile solo al lato tubi, poiché il lato mantello è inaccessibile senza rimuovere il fascio.

La pulizia chimica scioglie i depositi mediante una circolazione di prodotti chimici. La chimica deve essere compatibile sia con il deposito che con il materiale del tubo:

• Le sostanze chimiche acide (HCl inibito, acido solforamico, acido citrico) sono efficaci sulle incrostazioni di calcio e i prodotti di corrosione, ma possono rimuovere il film protettivo su Cu-Ni e ottone se il pacchetto di inibitori non è adeguato.

• Le sostanze chimiche alcaline con chelanti agiscono sui depositi organici e oleosi.

• Gli agenti chelanti (EDTA, acido citrico, gluconico) rimuovono le incrostazioni senza l’aggressività degli acidi forti e sono spesso una buona soluzione per i tubi in lega di rame.

• I biocidi (ipoclorito, biossido di cloro) per il fouling biologico, con dose di ipoclorito controllata per la compatibilità con le leghe di rame.

La regola generale: consultare la scheda tecnica della lega dei tubi e la tabella di compatibilità del fornitore di prodotti chimici prima di qualsiasi pulizia chimica. Rimuovere il film protettivo da un tubo Cu-Ni può causare più danni in una sola pulizia di quanto farebbe il fouling in un anno.

Per fouling pesante, l’approccio più efficace è di solito un pretrattamento chimico per ammorbidire i depositi seguito dalla rimozione meccanica.

La lega determina quale chimica, quale pressione meccanica e quale regime di flusso sono sicuri.

Cu-Ni 90/10 (C70600) e 70/30 (C71500). Ottimi per acqua di mare e acqua salmastra. Attenzione alla rimozione del film protettivo da parte di acidi aggressivi o dosi eccessive di ipoclorito, e all’attacco da solfuri e ammoniaca. Usare chimica delicata ove possibile (chelanti piuttosto che acidi forti), clorazione controllata, pressione meccanica moderata. Vedere Guida ai tubi in rame-nichel.

Ottone ammiragliato (C44300). Ottimo per acqua dolce a basso contenuto di cloruri. Attenzione alla dezincificazione in acqua stagnante o inquinata e all’attacco da solfuri e ammoniaca. Evitare le sostanze chimiche acide che rimuovono il film. Vedere Ottone ammiragliato: composizione, proprietà e applicazioni.

Ottone all’alluminio (C68700). Tollera cloruri più elevati e l’impingement meglio dell’ottone ammiragliato, ma segue le stesse regole chimiche delle leghe di rame.

Acciaio inossidabile (316L, Duplex). Tollera una chimica di pulizia più aggressiva rispetto alle leghe di rame, ma è vulnerabile al pitting da cloruri e alla corrosione in fessura sotto i depositi. Evitare metodi meccanici che abradano lo strato passivo in servizio con cloruri.

Titanio (Grado 2). Il tubo più facile da mantenere pulito. Le precauzioni riguardano la compatibilità chimica (sensibile a certi acidi riducenti) piuttosto che la risposta al fouling.

Quando un tubo si guasta, la prima risposta standard è tapparlo ad entrambe le estremità della piastra tubiera. Rapido, economico e l’unità torna immediatamente in servizio. Il costo è la perdita di superficie, poiché ogni tubo tappato è capacità inutilizzata.

La maggior parte degli operatori fissa un limite di conteggio delle tappature del 5-10 percento del totale dei tubi prima di considerare la sostituzione del fascio. Nota: questa è una linea guida, non uno standard. Il limite corretto dipende dalla capacità di riserva dell’unità e dalla velocità di comparsa di nuovi guasti.

La sostituzione completa del fascio è la risposta giusta quando il tasso di nuovi guasti è in aumento, quando ECT o IRIS mostrano un assottigliamento generalizzato delle pareti, o quando il conteggio dei tubi tappati si avvicina al limite di capacità di riserva. La sostituzione del fascio è anche il momento giusto per aggiornare la lega se la specifica originale non era adatta al servizio.

Hai bisogno di aiuto per selezionare il materiale del tubo giusto, progettare un protocollo di pulizia rispettoso della lega o definire l’ambito di una sostituzione del fascio? Contatta il nostro team per discutere i requisiti e ricevere supporto esperto nella scelta dei materiali, nelle specifiche e nelle opzioni di produzione.

Con quale frequenza devono essere puliti gli scambiatori di calore?

Non esiste un intervallo unico corretto. La cadenza giusta è determinata dalla velocità di degrado delle prestazioni, che dipende dal servizio. Un trigger basato sulle prestazioni (una percentuale definita di calo del valore U rispetto al basale) è più affidabile di un intervallo di calendario fisso.

Qual è la causa più comune di guasto degli scambiatori di calore?

Il cedimento dei tubi causato da corrosione o erosione. Il meccanismo specifico dipende dalla lega e dal servizio: pitting e impingement nelle leghe di rame in servizio marino, pitting da cloruri nell’acciaio inossidabile, erosione all’ingresso e danni da vibrazione ai deflettori in tutte le leghe.

Posso usare qualsiasi chimica di pulizia su qualsiasi materiale del tubo?

No. Le sostanze chimiche acide possono rimuovere il film protettivo delle leghe di rame (Cu-Ni, ottone ammiragliato, ottone all’alluminio) e causare più danni del fouling. Confermare sempre la compatibilità chimica con la scheda tecnica della lega prima della pulizia.

Quando è meglio sostituire i tubi invece di tapparli?

Quando il tasso di nuovi guasti è in aumento, quando i test non distruttivi mostrano una perdita di spessore generalizzata nel fascio, o quando il conteggio dei tubi tappati si avvicina al limite di capacità di riserva dell’unità. Guasti isolati con un fascio in buona salute: tappare. Guasti diffusi o perdita di spessore generalizzata: sostituire il fascio e considerare un aggiornamento della lega.

I riferimenti autorevoli per la pratica di manutenzione degli scambiatori di calore: TEMA (standard per tubi-mantello e buone pratiche raccomandate), ASME (Codice per Caldaie e Recipienti a Pressione, Sezioni V e VIII), HEI (condensatori di superficie e riscaldatori d’acqua di alimentazione), AMPP (controllo della corrosione e selezione dei materiali), API(660, 661, 662, 510), CDA (leghe di rame negli scambiatori di calore) e EPRI (orientamenti operativi per la generazione di energia).