Leghe di nichel nell'energia geotermica: materiali per il servizio di salamoia ad alta-temperatura

Le centrali geotermiche estraggono dalla terra la salamoia che è calda, salata e spesso carica di idrogeno solforato e anidride carbonica. Questa combinazione distrugge velocemente l’acciaio ordinario. Questa guida spiega quali leghe di nichel - e quali alternative - sopravvivono effettivamente al servizio geotermico con salamoia e come abbinare un grado a un pozzo, una temperatura e un componente specifici.

Perché la salamoia geotermica distrugge l'acciaio comune

La salamoia geotermica attacca il metallo attraverso quattro forze che agiscono contemporaneamente - calore, ioni cloruro, gas disciolti e incrostazioni minerali - e ognuna di esse da sola sarebbe gestibile, ma insieme travolgono l'acciaio al carbonio e persino l'acciaio inossidabile austenitico standard nel giro di pochi anni.

La maggior parte dei serbatoi geotermici produce fluido tra 150 gradi e 350 gradi, già sufficientemente caldo da accelerare ogni reazione di corrosione nel sistema. Quel calore viene trasportato in salamoia contenente sali di cloruro disciolti, a volte a concentrazioni pari a quelle dell’acqua di mare o superiori, che attaccano il sottile strato protettivo di ossido che conferisce all’acciaio inossidabile la sua resistenza alla corrosione.

Molti serbatoi trasportano anche idrogeno solforato (H2S) e anidride carbonica (CO2), che abbassano il pH e promuovono lo stress cracking da solfuro nei metalli sensibili. Infine, quando la salamoia si raffredda e si trasforma in vapore, i minerali di silice e carbonato disciolti precipitano sotto forma di scaglie dure che intrappolano il cloruro al di sotto di esso, trasformando un ambiente mite in una cella di corrosione-grave interstiziale sulla superficie del metallo.

Questo è il motivo per cui i componenti della testa pozzo in acciaio al carbonio nel servizio geotermico non trattato,-ad alto contenuto di cloruro possono guastarsi entro una singola stagione operativa, mentre i gradi austenitici come il 316L resistono solo fino a quando la temperatura o i livelli di cloruro non superano una soglia abbastanza prevedibile.

In che modo la temperatura modifica il meccanismo di corrosione?

Al di sotto di circa 150 gradi, prevalgono la corrosione generale e una lieve vaiolatura e gli acciai inossidabili standard spesso riescono a farcela; al di sopra di circa 250 gradi, vaiolature localizzate, attacchi interstiziali e fessurazioni da corrosione da stress da cloruro- accelerano bruscamente, che è il punto in cui la maggior parte dei progetti deve passare alle leghe di nichel o al titanio.

Il tasso di corrosione raddoppia all'incirca per ogni aumento di 10 gradi nella maggior parte dei sistemi acquosi, quindi la stessa chimica della salamoia tollerabile in una strozzatura della testa del pozzo può diventare distruttiva nel momento in cui raggiunge un recipiente flash a valle che funziona più caldo. Gli ingegneri progettisti trattano quindi la temperatura come la variabile primaria che determina la tolleranza alla corrosione e la classe della lega per ogni pezzo di attrezzatura, e non come un dettaglio secondario.

Abbinamento della lega alla chimica della salamoia

Inconel 625 è la lega di nichel ideale per la salamoia geotermica ad alta-temperatura e-cloruro poiché il suo elevato contenuto di molibdeno resiste alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale a temperature e livelli di cloruro che attaccherebbero rapidamente l'acciaio inossidabile duplex o austenitico.

La lega 625 combina un contenuto di nichel superiore al 58% con il 20–23% di cromo e l'8–10% di molibdeno, oltre a una piccola aggiunta di niobio che stabilizza la lega contro la sensibilizzazione durante la saldatura. Il contenuto di molibdeno è l'unico motivo principale per cui la lega resiste agli attacchi localizzati: amplia l'intervallo passivo entro il quale la pellicola protettiva di ossido rimane intatta, anche in una salamoia calda, ricca di cloruro e priva di ossigeno. Laddove i budget o le temperature di progettazione consentono una riduzione, Incoloy 825 offre una forte resistenza alla salamoia acida e moderatamente carica di cloruro-al di sotto di circa 200 gradi a un costo del materiale inferiore, rendendolo la scelta pratica per le tubazioni di produzione e il rivestimento della testa pozzo in pozzi meno severi.

Per il piccolo sottoinsieme di pozzi in cui la salamoia combina un alto contenuto di cloruro con un forte attacco misto-acido - ad esempio dove vengono utilizzati regolarmente trattamenti di rimozione delle incrostazioni-a base di acidi- - Hastelloy C-276 fornisce il margine di corrosione più ampio di qualsiasi lega disponibile in commercio, a un costo corrispondentemente più elevato. Specificare C-276 ovunque è raramente giustificato; è una soluzione mirata per le sostanze chimiche più aggressive, non un default.

Fonte: dati sulla composizione della lega e sulla temperatura compilati dai bollettini tecnici pubblicati dai produttori di leghe di nichel-e dagli studi sul campo sulla corrosione geotermica; verificare rispetto ai certificati attuali dello stabilimento e alla qualifica NACE MR0175/ISO 15156 specifica del progetto-per il servizio acido.

Quando dovresti usare il titanio invece di una lega di nichel?

Il titanio di grado 2 o grado 29 diventa il materiale preferito - rispetto a qualsiasi lega di nichel - una volta che i solidi totali disciolti superano circa 100.000 ppm, il pH della salamoia scende a 4 o inferiore e la temperatura operativa rimane al di sotto di circa 260 gradi, poiché la pellicola di ossido di titanio è essenzialmente immune allo stress da cloruro-corrosione in quella finestra.

L'esempio più-noto è Salton Sea in California, dove gli operatori sono passati al rivestimento dei pozzi in titanio di grado 29 proprio perché la salamoia è troppo aggressiva, sia nel contenuto di cloruro che nell'acidità, per un uso-economico a lungo termine-dell'acciaio inossidabile o di molte leghe di nichel. Gli scambiatori di calore a piastre in titanio sono comuni per lo stesso motivo negli impianti a ciclo Rankine binario e organico (ORC), dove la salamoia rimane in continuo e stretto contatto con sottili piastre metalliche.

Il compromesso- è che il titanio è suscettibile all'assorbimento di idrogeno e all'infragilimento oltre gli 80 gradi circa in determinate condizioni catodiche o galvaniche, quindi i progettisti abbinano i componenti in titanio con particolare attenzione al contatto bimetallico e ai sistemi di protezione catodica invece di trattarlo come un sostituto universale delle leghe di nichel.

L'acciaio inossidabile duplex è una valida alternativa-a costi inferiori?

Gli acciai inossidabili duplex e super duplex rappresentano un'alternativa legittima-a basso costo alle leghe di nichel, ma solo al di sotto dei 250 gradi circa; al di sopra di quel limite, la loro microstruttura a due-fasi perde tenacità e diventa vulnerabile all'infragilimento e alla corrosione accelerata, quindi non dovrebbero essere estesi al servizio in salamoia ad alta-temperatura semplicemente per risparmiare sul costo del materiale.

I gradi super duplex come il 2507 combinano circa il 25% di cromo e il 4% di molibdeno con un contenuto di nichel inferiore rispetto alle leghe completamente austenitiche, offrendo una forte resistenza alla vaiolatura a un prezzo materialmente inferiore rispetto al 625 o al C-276. Questa economia ha reso il duplex la scelta standard per i separatori flash a temperatura moderata-e le tubazioni della salamoia in molti progetti geotermici. Il soffitto è strutturale, non solo chimico: la struttura a grana mista di ferrite-austenite dell'acciaio inossidabile duplex è stabile solo fino a un intervallo di temperature definito e spingerla oltre tale intervallo per motivi di risparmio sui costi ha portato a guasti in servizio ben-documentati.

Applicazione del materiale giusto a ciascun circuito

Gli impianti a vapore flash- concentrano il rischio di corrosione peggiore nelle apparecchiature della testa pozzo e dei separatori, dove la salamoia è più calda e turbolenta; gli impianti binari (ORC) spostano il rischio sugli scambiatori di calore che mantengono la salamoia a temperatura moderata per tempi di contatto prolungati; e i sistemi geotermici avanzati (EGS) di prossima generazione- che operano a temperature superiori a 350-400 gradi stanno superando i limiti pratici sia del titanio che della maggior parte delle leghe di nichel standard.

In un impianto flash convenzionale, la salamoia si trasforma in vapore vicino alla testa del pozzo e in recipienti separatori dedicati, quindi questi componenti vedono la temperatura e la velocità combinate più elevate e in genere giustificano il trim Inconel 625 o C-276 anche quando le tubazioni a valle possono utilizzare acciaio inossidabile duplex. In un impianto binario la salamoia stessa non lampeggia mai; scorre invece attraverso uno scambiatore di calore per riscaldare un fluido di lavoro secondario, quindi lo scambiatore di calore diventa il componente a più alto rischio perché mantiene la salamoia a temperatura molto più a lungo, favorendo scambiatori a piastre in titanio o fasci tubieri 625.

I sistemi geotermici avanzati e i pozzi di prova supercritici attualmente in fase di sviluppo stanno puntando a temperature dei fluidi ben oltre quelle per cui il titanio o le leghe di nichel standard erano qualificate, il che sta guidando la ricerca attiva sulla lega 725, altre-superleghe di nichel ad alte prestazioni e rivestimenti protettivi per il futuro hardware EGS ad alta-temperatura.

Fonte: mappatura delle applicazioni sintetizzata dalla letteratura pubblicata sulla selezione dei materiali e sulla corrosione geotermica, inclusi gli studi sulla salamoia geotermica del Bureau of Mines degli Stati Uniti e la ricerca peer reviewed sulla corrosione geotermica; confermare con l'analisi della salamoia specifica del sito-prima della selezione finale.

Quali standard regolano la selezione delle leghe di nichel per il servizio geotermico acido?

NACE MR0175/ISO 15156 regola la qualificazione dei materiali ovunque sia presente H2S e le specifiche di prodotto ASTM/ASME pertinenti - tra cui B423, B424, B444 e B564 per le forme di lega 825 e 625 - definiscono la composizione, le proprietà meccaniche e i requisiti di qualità che un certificato di fabbrica deve soddisfare prima che un componente venga accettato per il servizio geotermico.

Poiché la maggior parte delle salamoie geotermiche contengono almeno una parte di H2S, la qualificazione del servizio acido-ai sensi della norma NACE MR0175/ISO 15156 è il punto di partenza per qualsiasi decisione materiale, non un ripensamento. Tale standard stabilisce i limiti di durezza e i requisiti di qualificazione dei materiali specificamente per evitare la rottura da stress da solfuro.

Inoltre, le specifiche di prodotto ASTM e ASME per ciascuna lega e forma di prodotto - tubo, piastra, forgiati, tubazione - definiscono le finestre delle proprietà chimiche e meccaniche per le quali un fornitore deve certificarsi. Specificare sia la lega corretta che lo standard governativo corretto nella stessa voce è ciò che protegge un progetto dal ricevere materiale che è nominalmente del grado giusto ma con la qualificazione della forma del prodotto- errata.

Domande frequenti

Q: Quale temperatura dovrebbe innescare il passaggio dall’acciaio inossidabile alla lega di nichel nella salamoia geotermica?

A: Una volta che la temperatura operativa sostenuta si avvicina ai 250 gradi in salamoia contenente cloruro-, gli acciai inossidabili duplex e austenitici perdono rapidamente il loro margine; questo è il punto in cui dovrebbero essere valutati Incoloy 825 o Inconel 625.

Q: Il titanio può sostituire completamente le leghe di nichel in un impianto geotermico?

A: Non universalmente. Il titanio eccelle in pozzi ad alto-TDS, basso-pH fino a circa 260 gradi e negli scambiatori di calore, ma le leghe di nichel rimangono preferite per componenti con elevato carico meccanico, connessioni strutturali saldate o esposizione al di sopra dell'intervallo di temperatura pratico del titanio.

Q: L'Hastelloy C-276 è eccessivo per la tipica salamoia geotermica?

A: Per la maggior parte dei pozzi, sì. Il costo estremo del C-276 è giustificato principalmente quando si verificano insieme trattamenti acidi misti e alti livelli di cloruro; Inconel 625 o Incoloy 825 soddisfano la maggior parte dei compiti legati alla salamoia geotermica a un costo inferiore.

Q: I sistemi geotermici potenziati (EGS) necessitano di materiali completamente nuovi?

A: Alle temperature attualmente previste per gli EGS e i pozzi supercritici - spesso superiori a 350–400 gradi - sia le leghe di titanio che quelle di nichel standard si avvicinano ai limiti qualificati, motivo per cui leghe come 725 e altre superleghe di nichel sono in fase di valutazione attiva per l'hardware di prossima-generazione.

Q: Le incrostazioni di silice modificano il quadro della corrosione anche se il cloruro è moderato?

A: SÌ. Le incrostazioni di silice e carbonato possono intrappolare il cloruro sulla superficie metallica e creare una cella di corrosione interstiziale-, pertanto la tendenza alle incrostazioni deve essere valutata insieme al contenuto di cloruro e non trattata come un problema separato dalla corrosione.