Desperdiciar

Una encuesta de cierre no planificado de Prewin Network de 2021 reveló que las fallas de los equipos en las plantas de conversión de residuos en energía (WtE) y de biomasa fueron responsables de un total de 22,9 días de cierres no planificados en 2021. También encontró que el 43 % de las clasificaciones de fallas de los equipos estaban relacionadas con calderas (Figura 1). Además, las calderas por sí solas fueron responsables de un promedio de 9,9 días de paradas no planificadas en 2021, siendo la parte de radiación responsable del 49 % de las fallas de caldera (Figura 2), seguida por el economizador (28 %), la parte convectiva (20 %). , y otros (3%).

Estas estadísticas más recientes brindan información sobre el rendimiento y la confiabilidad de los activos, destacando las calderas como uno de los equipos más problemáticos de administrar para los propietarios de plantas. Este artículo analiza uno de los factores contribuyentes más comunes detrás de la falla de la caldera: la corrosión.

Típicamente diseñadas para instalaciones medianas o grandes, las calderas WtE producen vapor para la generación de energía o calor, quemando biomasa, biomasa reciclada o residuos industriales o urbanos pretratados. La flexibilidad del combustible ofrece reducciones de costos relacionadas, pero da como resultado una mayor corrosión de la caldera.

Los entornos de combustión de combustibles mixtos crean condiciones extremas que pueden predisponer a los equipos a sufrir daños. Existe una amplia variedad de diseños de calderas: parrilla horizontal, parrilla inclinada, lecho fluidizado burbujeante, lecho fluidizado circulante, etc. Si la mezcla de combustible contiene plásticos y otros productos químicos, se pueden generar cloro, azufre y otros metales alcalinos y pesados, lo que aumenta drásticamente las tasas de pérdida de espesor de la parte de presión a través de mecanismos de corrosión acelerados. Sin el cuidado preventivo adecuado, estas condiciones pueden provocar fugas, interrupciones inesperadas y altos costos operativos y de mantenimiento, lo que reduce la disponibilidad, la eficiencia y los beneficios de emisión de estas calderas.

Aumentar la eficiencia de las calderas WtE significa aumentar la presión y la temperatura dentro de los tubos de la caldera. La combinación de nuevos tipos de combustible que contienen niveles más altos de agentes corrosivos con estas temperaturas y presiones más altas puede provocar el ablandamiento del material. La corrosión acelerada de la caldera junto al fuego comienza en las superficies de intercambio de calor de acero sin protección de los sobrecalentadores y la resistencia a la erosión del metal base disminuye.

La mayoría de los mecanismos de protección contra la corrosión consisten en generar una barrera contra la corrosión en el metal base mediante la formación de una capa de óxido. El desafío dentro de las calderas WtE es que esta capa se erosiona rápidamente, lo que fuerza la formación de otra capa y, en consecuencia, conduce al fenómeno de erosión-corrosión (Figura 3). El adelgazamiento por erosión y corrosión puede ocurrir rápidamente cuando las condiciones duras se combinan con materiales blandos o poco resistentes a la erosión a estas temperaturas elevadas.

La protección refractaria es la primera defensa contra los gases de combustión corrosivos y también puede tener excelentes propiedades de erosión. Sin embargo, las propiedades de intercambio de calor están limitadas ya que la eficiencia térmica es baja. Se pueden usar aleaciones refractarias, pero debido a los costos excesivos del material y la limitada resistencia a la erosión, la utilización de una capa de protección superficial suele ser una solución más rentable.

El uso de recubrimientos cerámicos delgados parece un enfoque atractivo, pero a menudo el desajuste de la expansión térmica y la fragilidad de tales recubrimientos hacen que esta solución no sea confiable. Los revestimientos tienden a agrietarse y se puede desarrollar corrosión debajo de la capa protectora, que luego es probable que se despegue. Algunas posibles soluciones incluyen las siguientes.

Revestimiento de metal de soldadura (WMO). Muchas calderas están diseñadas y fabricadas con protección de revestimiento de metal soldado (WMO) instalada en áreas críticas en riesgo de erosión o corrosión. A menudo, con el tiempo y durante el funcionamiento continuado, se observa una corrosión acelerada en los tubos desprotegidos más allá de la sección WMO, por ejemplo, en el segundo paso. Esto se conoce comúnmente como "deslizamiento por corrosión". En este caso, es necesario ampliar el alcance del área del tubo protegida por una barrera contra la corrosión (Figura 4).

En muchos casos, la solución convencional es retirar las secciones afectadas y reemplazarlas con nuevos paneles de tubos, que a su vez están protegidos con una barrera contra la corrosión WMO aplicada en el taller. Sin embargo, reemplazar las secciones de la pared de agua puede causar interrupciones prolongadas y problemas adicionales, como distorsiones e irregularidades en la geometría de la superficie en las juntas de la sección del panel y soldaduras a tope, entre otros. WMO es particularmente desafiante en los casos en que se trata de muebles externos.

La alternativa de la aplicación WMO de campo en el sitio es difícil de administrar desde una perspectiva de calidad, puede no ser posible en secciones de tubo más delgadas, requiere mucho tiempo debido a la entrada térmica y corre el riesgo de distorsión térmica, lo que prolonga las paradas de la planta. En otros casos, en ciertas partes de la caldera, el WMO aplicado puede comenzar a mostrar signos de desgaste acelerado debido a la erosión/corrosión por alta temperatura después de solo uno o dos años de servicio. Esta inversión original debe protegerse de una degradación más rápida, que pone en riesgo la integridad del límite de presión del muro de agua subyacente.

Pulverización térmica. La tecnología de rociado térmico se ha utilizado para la aplicación de aleaciones resistentes a la corrosión (CRA) en la industria energética desde la década de 1980 (Figura 5), ​​rociando aleaciones metálicas ampliamente utilizadas en el proceso WMO. Sin embargo, rápidamente se entendió que el proceso de rociado térmico en sí mismo afecta negativamente las propiedades de la aleación que se rocía.

El revestimiento resultante tal como se aplicó, al usar alambres de aleación de metal disponibles en el mercado y equipo de rociado térmico convencional, era permeable. Esta permeabilidad debida a la porosidad, la alta tensión interna, los óxidos encapsulados y las menores fuerzas de unión con el metal base crearon un camino perfecto para la corrosión y fallas prematuras. Todo lo contrario del resultado deseado.

Estos primeros fracasos dieron como resultado una gran desconfianza en la tecnología de pulverización térmica. Al mismo tiempo, esto brindó una gran oportunidad: ¿es posible mejorar la fuerza de unión y reducir la permeabilidad, la porosidad, los óxidos y la tensión interna del recubrimiento de rociado térmico aplicado?

Los ingenieros y científicos de materiales de Integrated Global Services (IGS) desarrollaron con éxito una solución a este problema al rediseñar tanto el equipo de transporte utilizado para aplicar la aleación metálica como el material de alimentación de la aleación metálica en sí.

Fuerza de unión. El problema de la fuerza de unión entre las partículas de metal aplicadas con rociado térmico y el sustrato se resolvió aumentando la velocidad de rociado y mejorando la calidad de la preparación de la superficie del sustrato. Cuando las partículas de metal fundido atomizadas impulsadas por el flujo de aire supersónico golpean el sustrato adecuadamente preparado, salpican como un panqueque y se incrustan en el sustrato, formando enlaces muy estrechos.

Creación de una barrera impermeable. Cuando las gotas de metal atomizado salen de la pistola de aspersión térmica, durante su vuelo hacia el sustrato, quedan expuestas a la atmósfera y al 21% de oxígeno. Como resultado, estas gotitas fundidas a alta temperatura experimentan oxidación durante el vuelo. Si no se controla, cuando las gotas de metal caen sobre el sustrato, se depositan con una fina capa de óxido que las acompaña, lo que compromete la permeabilidad de la microestructura aplicada.

IGS ha resuelto este problema de macroporosidad con sus sistemas de revestimiento de aleación de alta velocidad. Las aleaciones convencionales listas para usar se han reemplazado con aleaciones modificadas, que contienen componentes de aleación únicos para minimizar la oxidación en vuelo. Al mitigar la formación de óxido, se ha transformado el rendimiento frente a la corrosión y la permeabilidad de la barrera protectora de rociado térmico.

El horno Hitachi Zosen Inova (HZI) instalado en Renergia es una caldera WtE de cuatro pasos de parrilla móvil inclinada con un economizador externo. La capacidad térmica de la caldera es de 47 MW con un caudal de vapor de 58 t/h y una presión de vapor de 41 Bar a 410C.

Diseñado a propósito sin refractario, la capa de soldadura de aleación 625 se aplicó en el taller en los paneles de la pared de agua del lado del fuego para proteger los tubos de la caldera WtE de la corrosión del lado del fuego. Después de meses de funcionamiento, una inspección reveló una degradación acelerada de la capa protectora de la aleación 625, en particular, justo encima de la rejilla, que en algunos lugares perdía más de 0,5 milímetros de espesor por año. Se consideraron varias soluciones para gestionar el desperdicio de metal del tubo de la caldera y mejorar tanto la confiabilidad como la vida útil de las paredes de agua, incluido el reemplazo, la superposición de soldadura aplicada en el campo y la pulverización térmica.

Sin embargo, se tomó la decisión de probar la solución HVTS de IGS. La primera aplicación tuvo lugar en 2017 en un área de 20 metros cuadrados (m2) ubicada en la pared de la membrana izquierda hasta el nivel de la caldera WtE de parrilla móvil. La planta también tenía un revestimiento de rociado térmico (TS) aplicado por un proveedor diferente en el lado derecho de la membrana.

Luego, estas áreas se inspeccionaron en 2018 para determinar si el IGS HVTS y el TS del otro proveedor lograron detener la degradación del recubrimiento de soldadura. La inspección de la interfaz HVTS/WMO (Figura 6) mostró que el área revestida con IGS HVTS ya no estaba afectada por la erosión/corrosión. La aleación 625 WMO sin protección y el TS del otro proveedor, por otro lado, continuaron degradándose.

Se decidió que el alcance se ampliaría y que el revestimiento de aleación IGS HVTS se aplicaría a un área adicional de 20 m2 en 2019. Una inspección más tarde ese año, en agosto de 2019, confirmó lo siguiente: Las áreas protegidas con revestimiento de aleación HVTS no exhibiendo cualquier corrosión por picadura o desperdicio. Las secciones de revestimiento de soldadura de aleación 625 adyacentes sin protección mostraban signos de desgaste y degradación. Las inspecciones en curso y las ampliaciones del alcance en ambas líneas en Renergia en 2020, 2021 y 2022 han confirmado que el sistema IGS HVTS está funcionando de acuerdo con las expectativas y continúa protegiendo las áreas superpuestas con soldadura de aleación 625 de una mayor corrosión desde 2017.

Markus Benz, jefe de mantenimiento de Renergia Zentralschweiz AG, comentó: "IGS fue seleccionada en noviembre de 2017 para aplicar alrededor de 20 m² de su material IGS utilizando su tecnología HVTS. Se movilizaron de manera eficiente y realizaron dentro del apretado cronograma solicitado el alcance esperado del trabajo .

"Después de diez meses en funcionamiento, en septiembre de 2018 se realizó una breve inspección de la caldera de conversión de residuos en energía que confirmó el buen desempeño del revestimiento. Como resultado, se ordenó la aplicación de otra área en enero de 2019. A principios de enero, se una inspección más profunda confirmó el buen comportamiento general del revestimiento después de 14 meses de funcionamiento.

"El área protegida se ha duplicado, por lo que esperamos operar de manera segura hasta nuestro próximo cambio en 18 meses. IGS ha aplicado con éxito el alcance contratado dentro de la ruta crítica de manera altamente profesional, con una comunicación confiable y transparente".

Los hallazgos descritos en la encuesta de apagado no planificado de Prewin Network de 2021 enfatizan la importancia del mantenimiento de activos y la protección de los equipos de proceso contra la degradación y la pérdida de rendimiento. Las paradas no planificadas pueden tener un impacto financiero significativo tanto en la pérdida de productividad como en las obras de reparación de emergencia.

Hay otras soluciones disponibles en el mercado, a saber, WMO, que es un método fiable aunque lento y costoso. El rociado térmico es otra solución, que en teoría es una mejor alternativa a la OMM, pero puede provocar fallas prematuras.

IGS HVTS es la próxima evolución de los recubrimientos de rociado térmico (Figura 7), que brinda protección confiable a largo plazo contra la corrosión. Dado que la falla de los activos, en particular la falla de la caldera, continúa siendo un problema costoso para los gerentes de plantas de WtE, es crucial que se tomen medidas de mantenimiento preventivo para mejorar la vida útil y la disponibilidad de los activos, lo que genera ahorros y beneficios significativos.

—colin batemanes un experto en la materia de confiabilidad de calderas (SME) con Integrated Global Services (IGS).

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