Prevenção de Corrosão em Caldeiras: Estratégias Comprovadas para Qualidade Superior da Água de Alimentação

A falha de caldeiras é uma grande preocupação para usinas de aquecimento e energia, e a corrosão associada à qualidade da água da caldeira é conhecida como a principal causa. O custo total de falhas de tubos de caldeira em usinas de energia é estimado em cerca de $5 bilhões por ano (observa-se que este valor é de 2009, então provavelmente é muito maior). Para garantir a operação segura de longo prazo de uma caldeira, a qualidade da água precisa ser continuamente mantida dentro dos requisitos de tolerância da caldeira.

Impurezas na Água de Alimentação da Caldeira

Fontes de água contêm impurezas que, em certos níveis, podem ser muito prejudiciais. Em altas temperaturas, até mesmo quantidades vestigiais de certas substâncias na água de alimentação podem causar danos severos a equipamentos e tubulações em curto período. Sólidos dissolvidos ou suspensos problemáticos, oxigênio, dióxido de carbono e matéria orgânica podem causar incrustação, contaminação e corrosão. Por exemplo:

• O ferro pode depositar em partes internas e tubos da caldeira, danificar equipamentos a jusante e afetar a qualidade de certos processos de fabricação.
• O cobre pode causar depósitos em turbinas de alta pressão, diminuindo sua eficiência e exigindo limpeza custosa ou substituição de equipamentos.
• A sílica pode causar incrustação extremamente dura, especialmente em caldeiras de alta pressão.
• O cálcio pode causar incrustação em várias formas dependendo da química da água de alimentação da caldeira.
• O magnésio pode aderir ao interior da caldeira e tubos revestidos, atraindo mais sólidos e contribuindo para incrustação, especialmente se combinado com fosfato.
• O alumínio pode depositar como incrustação no interior da caldeira e pode reagir com sílica para aumentar ainda mais a probabilidade de incrustação.
• A dureza causa depósitos e incrustação em partes e tubulações da caldeira.
• Gases dissolvidos como oxigênio e dióxido de carbono podem causar corrosão severa em tubos e partes da caldeira.

O tipo mais comum de corrosão é ataque por pites devido ao oxigênio dissolvido. Isso é caracterizado por pequenos mas profundos buracos que penetram paredes de tubos e causam falha eventual. Fatores que afetam a gravidade incluem concentração de oxigênio dissolvido, pH e temperatura. (Leitura relacionada: Como Reconhecer, Prevenir e Tratar Efetivamente a Corrosão por Pites.)

Para prevenir corrosão, a água da caldeira precisa ser ligeiramente alcalina e não ácida. Acidez imprópria e água ligeiramente alcalina podem dissolver o metal e o filme protetor nas superfícies metálicas.

Ataque ácido ocorre se o pH cair abaixo de 8,5. Nesta condição, materiais são suscetíveis a afinamento superficial causado por ataque químico. Qualquer área tensionada seria a mais vulnerável neste tipo de ataque.

Ataque cáustico ocorre se o pH estiver acima de 12,9, e é frequentemente encontrado em altas temperaturas envolvendo caldeiras tratadas com fosfato. Depósitos em áreas de alta transferência de calor podem remover filme de magnetita do material base.

Transbordo por Espuma

O transbordo por espuma é causado por impurezas normais da caldeira se tornarem muito concentradas, supertratamento com produtos químicos ou introdução acidental de matéria orgânica (graxa ou óleo) na água de alimentação da caldeira ou retorno de condensado. A espuma dentro da caldeira é facilmente forçada para fora da saída de vapor da caldeira e pode causar grandes danos. Golpe de aríete em linha de vapor, erosão em tubulação de vapor e eventos de baixo nível de água na caldeira são exemplos.

Figura 1. Vídeo descrevendo operação da caldeira.

Sistemas de Tratamento de Água de Alimentação da Caldeira

Um sistema de tratamento de água de alimentação da caldeira é composto por várias tecnologias individuais que abordam a condição da água de alimentação para atender aos requisitos da caldeira específica. O sistema de tratamento é composto pelos componentes necessários para remover impurezas que estão sempre presentes independentemente da fonte. Um sistema básico de tratamento de água de alimentação de caldeira tipicamente inclui algum tipo de coagulação, filtração, troca iônica, desalcalinização, desaeração e processos de membrana como osmose reversa. Esses componentes são descritos nas seções a seguir. (Leitura relacionada: Como Evitar Corrosão Baseada em Quelantes em Tubo de Água de Caldeira.)

Coagulação e Precipitação Química

Após a remoção de todos os objetos grandes da fonte de água original, vários produtos químicos são adicionados a um tanque de reação para remover a maior parte dos sólidos suspensos e vários outros contaminantes. Este processo começa com uma variedade de reatores de mistura, que são tipicamente um ou dois reatores que adicionam produtos químicos específicos para remover todas as partículas mais finas na água combinando-as em partículas mais pesadas via coagulação que eventualmente precipitam e assentam.

Filtração e Ultrafiltração

A próxima etapa é geralmente passar a água por filtração para remover quaisquer partículas suspensas como sedimento, turbidez e certos tipos de matéria orgânica. É frequentemente útil fazer isso no início do processo, pois a remoção de sólidos suspensos a montante pode ajudar a proteger membranas e resinas de troca iônica de contaminação mais tarde no processo de pré-tratamento.

Ablandamento por Troca Iônica

Uma resina abrandadora pode ser usada para tratar alta dureza contendo bicarbonatos, sulfatos, cloretos ou nitratos. Este procedimento usa um processo de troca catiônica de ácido forte, onde a resina é carregada com íon sódio. Água dura passa por um abrandador, e o cálcio e magnésio trocam de lugar com íons sódio. Íons sódio são mantidos frouxamente e são facilmente substituídos por íons cálcio e magnésio. Durante este processo, íons sódio "livres" são liberados na água.

Desalcalinização

A desalcalinização pode reduzir a alcalinidade ou pH, que é uma impureza que pode causar espuma, corrosão e fragilização. A desalcalinização com cloreto de sódio usa uma resina de troca aniônica forte para substituir bicarbonato, sulfato e nitrato por ânions cloreto.

Osmose Reversa e Nanofiltração

A osmose reversa (OR) e nanofiltração (NF) forçam água pressurizada através de membranas semipermeáveis, retendo contaminantes como bactérias, sais, orgânicos, sílica e dureza, enquanto permitem a passagem de água concentrada e purificada. Estas unidades de filtração são usadas principalmente com caldeiras de alta pressão onde a concentração de sólidos suspensos e dissolvidos precisa ser mantida extremamente baixa.

Desaeração ou Desgasificação

O condensado sendo retornado misturará com a água de reposição tratada e entrará em um processo de desaeração ou desgasificação. Qualquer oxigênio e dióxido de carbono em traços podem ser extremamente corrosivos para equipamentos e tubulações da caldeira. Portanto, remover esses gases a níveis aceitáveis é imperativo para maximizar a vida útil e segurança do sistema de caldeira. Existem vários tipos de dispositivos de desaeração que vêm em uma gama de configurações, mas desaeradores do tipo bandeja ou spray para desgasificação ou sequestrantes de oxigênio são os tipos mais comuns.

Caldeiras de Alta Pressão e Baixa Pressão

Os requisitos de qualidade da água de alimentação dependem da pressão e vazão. Para certas pressões, há um nível máximo de contaminantes, e à medida que a pressão aumenta, torna-se mais crítico o tratamento completo da água que produza água de maior qualidade.

Caldeiras de baixa pressão (600 PSI ou menos) e água com baixa quantidade de sólidos dissolvidos totais (SDT) tipicamente requerem apenas filtração simples e abrandamento de água. Conforme a química da água possa ditar, ou conforme a pressão aumenta, um desalcalinizador pode ser necessário.

Caldeiras de alta pressão (600 PSI ou mais) geralmente requerem algum tipo de desmineralização, troca iônica ou dispositivos de polimento baseados em resina do tipo sanduíche ou leito misto. Osmose reversa usada em combinação com tecnologia de polimento é muito popular onde água de pureza extremamente alta é necessária.

Teste e Controle de Qualidade da Água de Alimentação

Prevenir e minimizar processos de corrosão em caldeiras é muito importante na indústria de energia térmica. A qualidade da água de alimentação deve ser mantida em nível correspondente aos padrões de projeto, seguido pela observação de quaisquer flutuações nos parâmetros medidos. Existem instrumentos analíticos sensíveis online e offline que podem ser usados para medir os parâmetros diagnósticos-chave que são cruciais para segurança e desempenho da caldeira.

Saber onde a qualidade da fonte de água de alimentação está em relação à qualidade da água requerida para uma caldeira específica é essencial, porque tratamento inadequado de água pode levar a incrustação, corrosão e contaminação da caldeira e equipamentos a jusante.