Danneggiamento da “Impingement attack”

Introduzione   Il raffreddamento del flusso proveniente dalle teste colonne di impianti di raffineria normalmente viene ottenuto tramite condensatori (aircoolers) a tubi alettati utilizzando come mezzo di raffreddamento l'aria, mentre altre necessità di raffreddamento vengono ottenute tramite refrigeranti ad acqua mare o con altro tipo di acqua anche in impianti di dissalazione per produzione di acqua potabile.. E’ comune esperienza che molti danneggiamenti di condensatori (aircoolers) avvengono nei primi 50-100 mm dei tubi del fascio. Il danneggiamento maggiore si manifesta con assottigliamento dello spessore del tubo sia all’imbocco che nella zona mandrinata in maniera tale da portare alla mancanza di tenuta e quindi alla perdita del tubo stesso nel caso dei condensatori; inoltre si può manifestare nei primi 150 mm, con attacco erosivo-corrosivo, anche nei tubi in lega di rame di scambiatori di raffreddamento (refrigeranti). Questo tipo di danneggiamento è una forma di corrosione-erosione denominata "impingement attack" ed è l’azione combinata di un attacco chimico ed un’abrasione fisica del fluido in movimento. E' un tipo di danneggiamento che coinvolge molti aspetti tecnici-economici e che molto spesso creano problemi alla continuità di esercizio, ai costi di manutenzione ed all'affidabilità intrinseca del componente. Non verranno prese in considerazione altre forme corrosive (corrosione da cloruri, bisolfuro di ammonio, pitting, ecc.) che interessano in vari modi la vita dei tubi di scambio sia di aircoolers che di refrigeranti. Per queste ultime forme di attacco corrosivo diventa necessario lo studio del problema per verificare quale può essere la soluzione più adeguata, sia in termini di processo che metallurgici. Verranno analizzate, quindi, le varie problematiche correlate a questo tipo di fenomeno e verranno fornite soluzioni per poter eliminare, in maniera quasi sempre definitiva, questo tipo di danneggiamento per l'ottenimento di fattori di servizio adeguati e riduzione dei costi manutentivi. E’ stato effettuato uno screening su diversi impianti di raffineria e petrolchimici per la presenza di questo tipo di danneggiamento che hanno fornito dati che consentono di affermare quale è la vita media di ritubatura escludendogli interventi manutentivi dovuti a perdite singole nel corso della vita stessa dei tubi. Su 300 scambiatori refrigeranti e aircoolers analizzati, per un totale di 349.000 tubi circa, è risultato che la vita media dei tubi di uno scambiatore o aircooler è di circa 2,5 anni!! Analisi del problema Nei refrigeranti ad acqua mare questo tipo di fenomeno è tipico nei tubi di leghe di rame tipo ASTM B 111 C 687000 (aluminum brass), ASTM B 111 C 443000 (admiralty brass) (utilizzati maggiormente in impianti di raffinazione) e ASTM B 111 C 070600 (90-10 Cu-Ni) (utilizzati normalmente in impianti di dissalazione) quando l’acqua contiene ossigeno e solidi sospesi e la velocità dell’acqua mare è ≥ 1,5 m/sec. La sensibilità dell’attacco aumenta notevolmente per la presenza ulteriore di cloruri e pH più basso del normale. Particolarmente suscettibili sono quei materiali che non hanno uno strato passivo superficiale molto aderente in quanto l’azione corrosiva attacca lo strato di passivazione sulla superficie interna e la turbolenza del fluido lo rimuove e se la velocità di riformazione dello strato passivante è inferiore alla velocità di rimozione, allora il fenomeno procede velocemente. Inoltre se vi sono solidi in sospensione la problematica è più aggravante. Anche il cambio di direzione crea delle turbolenze del fluido che formano bolle d’aria e che provocano l’asportazione del film passivo sugli imbocchi (fig. 1). Tuttavia, dopo circa 150 mm dall’ingresso, il moto turbolento si trasforma in laminare e l’erosione è decisamente ridotta. E’ comune esperienza che molti danneggiamenti di tubi di scambiatori (refrigeranti) (con tubi in lega di rame) avvengono nei primi 150 mm di tubi del fascio (Fig. 2 dove si nota la presenza di ossidi rameosi/rameici all’intorno del cratere formatosi per erosione-corrosione e Fig. 3 dove si notano molti tubi tappati su un refrigerante di un impianto di dissalazione) .   Anche i condensatori a tubi alettati che utilizzano aria come mezzo raffreddante sono suscettibili a questo tipo di fenomeno. L’erosione-corrosione degli imbocchi dei tubi di questi tipi di apparecchi che, normalmente montano tubi in acciaio al carbonio, è notata maggiormente, in quegli impianti dove lo stream, prima di entrare dentro l’aircooler, è costituito da una fase gassosa ed, anche minima, da una fase liquida, a prescindere dalla velocità che è anche importante. Inoltre anche se all’ingresso dei condensatori la fase è solo gassosa, il problema dell’impingement attack si verificherà dopo la prima fila di ingresso per via della fase gassosa raffreddata che provoca la condensazione di parte del flusso. In questo caso, il problema dell’erosione-corrosione molto comune degli imbocchi dei tubi si avrà per una profondità non maggiore di 50-100 mm. La fenomenologia è la stessa di quella dettata sopra e cioè l’eliminazione del film passivo che si crea in termini corrosivi e che viene continuamente asportato dalla turbolenza di una fase mista. Il danneggiamento maggiore si manifesta con assottigliamento dello spessore del tubo, specialmente all’imbocco che, in ultima analisi, porta ad una rottura del tubo stesso (vedi Fig. 4 e 5). Una velocità del flusso nei tubi superiore a 7,5 m/sec, con la presenza di una fase liquida sempre maggiore dovuta al raffreddamento, crea moti turbolenti con possibilità di corrosione (pitting in particolare) anche all’interno dei tubi lontano dagli imbocchi. In questo caso, come descritto nell’introduzione, deve essere presa in considerazione la variazione di processo o metallurgica dei tubi stessi. In ultima analisi se per questi componenti la problematica è relativa solo all’erosione-corrosione, l'affidabilità risulta alquanto diminuita oltre a sostenere costi per gli interventi manutentivi periodici dovuti ad eliminazione perdite associate ai costi di ritubatura.     Possibili soluzioni   Inserti plastici Nei primi anni 70 fu studiato a fondo tale problema e furono impiegati degli inserti plastici in materiale termoplastico o di fluoropolimero di lunghezza variabile da 100 a 200 mm. Questi venivano montati su tubi nuovi che, in termini di impatto economico era relativamente basso, ma che davano scarsa affidabilità dovuta al fatto che il montaggio era un semplice accostamento. Difatti, proprio perché non era intimamente a contatto con il tubo mediante una espansione, all’estremità dell’inserto si veniva a creare una forma di corrosione del tipo “crevice” oltre ad una maggiore erosione che portava alla foratura del tubo. Ciò era dettata dalla maggior turbolenza acquisita dall’acqua per la riduzione del diametro interno poiché gli spessori degli inserti erano  fino  a 3,5 mm. In più, molto spesso, questi inserti venivano “sputati” fuori dall’alloggiamento. Altri problemi associati con inserti in plastica  erano: 

• Non potevano essere inseriti correttamente in tubi già erosi
• Doveva essere prevista una corretta pulizia meccanica dei tubi
• Non potevano essere installati all’uscita del tubo  

Rivestimenti epossidici L’applicazione di rivestimenti epossidici è emersa come un metodo adeguato per ripristinare le superfici interne, erose/corrose, dei tubi di refrigeranti, con l’estensione dell’applicazione sulla piastra tubiera, distributori e di tutte le altre parti a contatto con l’acqua di raffreddamento. I rivestimenti applicati possono essere fenolici, resine epossifenoliche e fluoropolimeri. Le prestazioni del rivestimento e la vita di esso sono criticamente dipendenti dalla meticolosa preparazione della superficie e dall’applicazione, in particolare su superfici che presentano pitting, e richiedono attrezzature appositamente sviluppate. Purtroppo, la qualità necessaria per garantire la corretta preparazione della superficie interna dei tubi rimane ancora incerta, così come la polimerizzazione dei vari strati che compongono il rivestimento. Altri problemi connessi con i rivestimenti epossidici sono che:

• Possono essere danneggiati da alcuni tipi di pulizia meccanica
• Possono creare contaminazione del condensato da graniglia abrasiva che passa attraverso i tubi che perdono in esercizio
• Possono essere danneggiati dalla temperatura esterna dei tubi (processo) localmente superiore a 80-90°C, anche se i fabbricanti garantiscono prestazioni superiori (fino a 120°C)  

Inserti metallici o ferrule Per poter eliminare definitivamente il problema, nel senso di fornire maggiore affidabilità al componente e contemporaneamente ridurre i costi di interventi manutentivi, dal 1976 sono state studiate ed applicate inserti metallici “ferrule” del tipo in fig. 6. Gli inserti metallici “ferrule”, rispetto agli inserti plastici risultano molto più affidabili in quanto proteggono, risanano e permettono la tenuta anche di tubi danneggiati all’estremità. Essi sono costruiti a specifiche dimensioni in relazione ai diametri e spessori dei tubi tenendo in considerazione l’espansione idraulica che deve essere fatta per il montaggio. A differenza degli inserti plastici, l’inserimento di inserti metallici deve essere fatto in maniera accurata e cioè, in relazione al materiale dei tubi, deve essere scelto il materiale degli inserti. Per refrigeranti ad acqua mare che normalmente montano tubi in leghe di rame gli inserti più idonei sono quelli in leghe Cu-Ni 70/30 o 90/10. Questi inserti hanno una grande capacità di poter essere espansi idraulicamente, con un’attrezzatura particolare, all’interno degli ingressi dei tubi formando una parte intima con il tubo stesso. Lo stesso discorso vale per gli inserti da montare sull’estremità di ingresso di tubi di aircoolers. Il materiale più idoneo, per la stragrande maggioranza di impieghi, è AISI 316 L. Nella tabella 1 sono riportati i materiali e  le dimensioni tipiche per inserti su tubi nuovi. Tuttavia, rispetto alle leghe di rame, questo materiale ha minori capacità di espansione ed è per questo che, per tubi già consumati e/o corrosi, è richiesta una dimensione degli inserti da montare con una differenza massima tra diametro interno dei tubi e diametro esterno dell’inserto di 0,2 mm ed in presenza di pitting o crateri di corrosione non è consigliabile. L’inserimento di inserti metallici, dove il problema dell’impingement  attack è uno dei maggiori fenomeni su tali tipi di apparecchi, offre le seguenti qualità e caratteristiche:

• Ripristino e protezione anche di tubi danneggiati all’estremità
• Ripristino della mandrinatura tubo-piastra tubiera
• Tenuta anche ad alta pressione
• Maggiore affidabilità relativa a perdite in esercizio
• Maggiore capacità di evitare tappamenti
• Minore possibilità di erosione all’estremità
• Possibilità di installazione in tempi molto rapidi
• Nessun effetto contrario sullo scambio
• Nessun effetto supplementare sulla turbolenza per via dello spessore (max 0,4 mm.)
• Estende la vita del fascio

Su tubi nuovi o sostituiti per la ritubatura del fascio, l’inserimento di inserti metallici, per il solo problema dell’impingement attack, permette di eliminare definitivamente la problematica. Tuttavia, come detto sopra, gli inserti metallici in AISI 316/316L, per la loro scarsa espansione, non sono convenienti da montare su tubi già corrosi. Calcolo del rapporto costo/beneficio   In relazione al rapporto costo/beneficio si riporta di seguito un esempio di calcolo, considerando solo i costi diretti.   Costo di ritubatura

• Rimozione del tubo danneggiato
• Installazione del nuovo tubo 
• Mandrinatura del nuovo tubo

Lavoro : 3 persone a 18.9 Euro/h – 10 minuti per tubo, 2 tubi/uomo ora  Costo per tubo: 9.45 Euro Tubi nuovi in C.S. (prezzo medio) : 4,00 Euro/Kg dimensione media 1” x 12 bwg :  6,25 Euro/mt   Installazione di inserti metallici: Fornitura di inserti Installazione con personale specializzato Costo totale : 10 Euro/Tubo Esempio di ritubatura di un aircooler di 1000 tubi x 9144 mm senza inserti:  Costo lavoro x 1000 tubi : 9.450 Euro  Costo tubi 9,144 mt.  : 57.150 Euro  Costo totale : 66.600 Euro  Esempio di ritubatura come sopra con inserti:  Costo totale ritubatura : 66.600 Euro  Costo fornitura e montaggio inserti : 10.000 Euro  Costo totale con inserti : 76.600 Euro  In relazione alla vita media di un fascio tubiero (2,5 anni) e rapportata ad una vita minima con inserti a 8 anni il saving che si ottiene, senza considerare gli interventi manutentivi intermedi per eliminazione perdite su tubi senza inserti e quindi solo i lavori di ritubatura, è il seguente:  Costo totale di ritubatura  = 66.600 Euro Vita media = 2,5 anni  Costo medio annuo = 66.600 / 2,5 = 26.640 Euro Costo totale con inserti = 76.600 Euro  Vita media = 8 anni  Costo medio annuo = 76.600 / 8 = 9.575 Euro  Saving annuo = 17.065 Euro/annuo  Da un punto di vista di budget annuo di manutenzione ordinaria, in linea di massima una raffineria a ciclo completo con una capacità di raffinazione di circa 40 milioni di barili/anno, in funzione dei disservizi su refrigeranti ed aircoolers dovuti ad impingement attack, con l’utilizzo di inserti metallici, su apparecchi nuovi o da ritubare,  può ottenere un saving annuo di circa 2- 8 Ml di Euro. Conclusioni  Tra le varie forme corrosive  l'impingement attack è un danneggiamento, particolarmente notato nei tubi di aircoolers,  dovuto ad un flusso contenente una fase liquida assieme a quella gassosa, oltre che nei refrigeranti che utilizzano acqua mare come mezzo di raffreddamento con presenza di ossigeno anche a velocità contenute e presenza di solidi assieme all'acqua. Questo tipo di fenomeno si manifesta sull'imbocco dei tubi provocando, in un determinato periodo di tempo, dovuto a svariati fattori, la scomparsa, in termini corrosivi-erosivi, della parte sporgente dei tubi alla piastra tubiera e della parte dei tubi mandrinati alla piastra tubiera. Il fenomeno relativo all’impingement attack è stato analizzato su 300 refrigeranti/scambiatori ed aircoolers che montavano 350.000 tubi in totale con una vita media di ritubatura, escludendo gli interventi manutentivi per eliminazione perdite da un singolo tubo, durante l’esercizio, di 2,5 anni!! L’utilizzo di inserti metallici o ferrule su componenti nuovi risolve il problema in maniera definitiva con una vita media dei tubi di oltre 8 anni!!!Inserti metallici in lega di rame Cu-Ni 70/30 o 90/10, per la loro facilità di espansione, possono essere montati anche su tubi corrosi, mentre quelli in AISI 316 o 316L, per questo tipo di utilizzo, avendo una scarsa espansione,  devono essere accuratamente selezionati. Carmelo Aiello – CONSULTANT ENGINEERING