Materiales adecuados para aplicaciones geotérmicas.

- Parte 2 - Resultados y conclusiones/ continuación de Galvanotechnik 2/2024

La energía geotérmica es una fuente de energía que puede utilizarse para sustituir a los combustibles fósiles y reducir_{las emisiones de CO2}. Existen tecnologías para utilizar la energía geotérmica, pero las condiciones de funcionamiento en las plantas geotérmicas son en muchos casos extremadamente corrosivas debido a la composición química de los fluidos hidrotermales y a las altas temperaturas. Por lo tanto, es esencial seleccionar los materiales sobre la base de una cualificación previa de los mismos mediante ensayos de corrosión.

Resultados de los ensayos de envejecimiento

A excepción del agua con un valor de pH bajo, todos los materiales ensayados mostraron tasas de corrosión tras 24 semanas de envejecimiento inferiores al valor límite previamente definido de 0,3 mm/año. Todos los materiales mostraron una resistencia a la corrosión suficiente o muy buena en las aguas geotérmicas sintéticas seleccionadas. No se encontraron signos de susceptibilidad a la SpRK. A un valor de pH de 2, el acero al carbono mostró índices de corrosión superiores a 1 mm/año.

El acero al carbono analizado mostró una corrosión uniforme en todas las aguas geotérmicas sintéticas. La velocidad de corrosión aumentó al aumentar la salinidad y disminuir el pH (Figura 2). Se observaron signos de susceptibilidad a la corrosión por grietas en la zona de fijación.

Fig. 3: Materiales tras 6 meses de envejecimiento en agua geotérmica sintética ORG a diferentes temperaturas; de izquierda a derecha: X2CrNiMo22 5 3, X2CrNiMoCuWN25 7 4, X1CrNiMoCu32 28 7 y NiCr23Mo16Al

Las probetas fabricadas con los materiales X2CrNiMo22-5-3 y X2CrNiMoCuWN25-7-4 mostraron algunos signos de corrosión en grietas en la zona de fijación por el cordón de PTFE en ambas aguas geotérmicas sintéticas de alta salinidad, y X1CrNiMoCu32-28-7 sólo en NDB [5], pero no en ORG(Figura 3). Por lo tanto, se realizaron ensayos electroquímicos específicos sobre la susceptibilidad a la corrosión en grietas. Según los resultados del envejecimiento, la aleación de base níquel NiCr23Mo16Al puede considerarse adecuada a 100 °C y 150 °C.

Ensayos electroquímicos

Todos los valores medidos se resumen en las tablas 3 y 4. Algunos de los resultados de NDB ya se han descrito en otros lugares [5, 8]. A continuación, se describen con más detalle los resultados de pruebas seleccionadas en agua geotérmica ORG. El potencial de reposo (RP) del acero superdúplex X2CrNiMoCuWN25-7-4 en agua geotérmica sintética ORG a 100 °C se estabiliza al cabo de 8 a 10 días y alcanza valores en torno a 100 mVSHE al cabo de 14 días. El aumento de la temperatura a 150 °C conduce a un potencial de reposo más negativo en torno a 0 mVSHE (Figura 4).

El potencial crítico de picadura (CPP) y el comportamiento de repasivación de los materiales se determinaron mediante mediciones potenciodinámicas. La figura 5 muestra un ejemplo de las curvas de polarización de X2CrNiMoCuWN25-7-4 en agua geotérmica ORG sintética. A pesar de ligeras fluctuaciones de corriente, el potencial crítico de corrosión por picadura de X2CrNiMoCuWN25-7-4 a 100 °C se sitúa entre 350 y 450 mVSHE. Además, X2CrNiMoCuWN25-7-4 tiene un potencial de repasivación (REP) que es más positivo que su potencial de reposo y se sitúa entre 150 y 250 mVSHE.

Fig. 4: Potencial de reposo de X2CrNiMoCuWN25-7-4 en agua geotérmica sintética ORG a diferentes temperaturas.

Al aumentar la temperatura hasta 150 °C, el potencial crítico de picadura de X2CrNiMoCuWN25-7-4 se desplaza ligeramente en dirección catódica. Se situó entonces entre 300 y 350 mVSHE. El potencial de repasivación no pudo determinarse, ya que se desplazó a valores mucho más catódicos que el potencial de reposo. Una vez iniciada la formación de agujeros, era difícil repasivar los sitios activos en condiciones de potencial de reposo. En consecuencia, el acero inoxidable superdúplex X2CrNiMoCuWN25-7-4 también se considera inadecuado en el agua geotérmica ORG a 150 °C.

Fig. 5: Curvas de densidad de corriente-potencial de X2CrNiMoCuWN25-7-4 en agua geotérmica ORG sintética a diferentes temperaturas

El acero dúplex X2CrNiMo22-5-3 muestra en general un comportamiento similar al del acero superdúplex en agua geotérmica ORG, por lo que tampoco era aceptable para ello. Cabe señalar que esto también se aplica a los resultados en agua geotérmica NDB, donde no se probó X2CrNiMo22-5-3, pero sí X2CrNiMoCuWN25-7-4.

Los materiales de mayor aleación muestran un comportamiento diferente.

Las tablas 3 y 4 resumen los parámetros electroquímicos obtenidos a partir del potencial de reposo y las medidas potenciodinámicas en los distintos materiales.

El acero dúplex X2CrNiMo22-5-3 mostró unas propiedades de corrosión y repasivación limitadas a ambas temperaturas. El potencial crítico de picadura era ciertamente más anódico que el potencial de reposo a 100 °C, pero disminuía al aumentar la temperatura hasta 150 °C y se aproximaba al potencial de reposo. Esto significa que, por ejemplo Esto significa, por ejemplo, que incluso pequeñas fluctuaciones dentro de las condiciones de funcionamiento desencadenan la corrosión de este material. Los potenciales de repasivación estaban en el rango del potencial de reposo o eran más catódicos que el potencial de reposo. Así pues, una vez iniciada la corrosión, la repasivación a 100 °C es muy improbable y también puede descartarse a 150 °C en condiciones de potencial de reposo. Sin embargo, no hay diferencia entre el inicio de la corrosión por grietas y la corrosión por picaduras. Ambos potenciales críticos estaban próximos al potencial de reposo.

En el caso del acero superdúplex X2CrNiMoCuWN25-7-4 se observó un comportamiento ligeramente mejor. Fue capaz de repasivarse a 100 °C, ya que el potencial de repasivación tiene valores ligeramente más positivos que el potencial de reposo. El potencial crítico de picadura también fue ligeramente más anódico que el potencial de reposo. A 150 °C, se comportó de forma similar al acero inoxidable dúplex antes mencionado.

El acero superaustenítico X1CrNiMoCu32-28-7 mostró una resistencia significativamente mejor. El potencial crítico de corrosión por picadura y el potencial de repasivación estaban próximos entre sí y relativamente alejados del potencial de reposo a 100 °C (en dirección anódica). Esto significa que se requieren cambios muy fuertes en las condiciones de funcionamiento para iniciar la corrosión. Además, se produce una repasivación muy rápida. La corrosión por intersticios se produce antes que la corrosión por picaduras, lo que resulta evidente por el menor potencial crítico de corrosión por intersticios (CIC) en comparación con el potencial crítico de corrosión por picaduras. El potencial crítico de corrosión por picaduras y el potencial de repasivación cambian a valores más catódicos a 150 °C, pero siguen siendo más anódicos que el potencial de reposo. Por lo tanto, se puede concluir una buena resistencia a la corrosión.

Como ya se ha demostrado en el agua geotérmica NDB, la aleación con base de níquel NiCr23Mo16Al es el material más resistente. También en este caso, el potencial crítico de corrosión por picaduras y el potencial de repasivación a 100 °C se encontraban dentro del rango transpasivo, lejos del potencial de reposo, lo que indica que la aleación es capaz de una rápida repasivación. Los potenciales críticos de corrosión por fisuras y picaduras determinados en ensayos a largo plazo también eran mucho más anódicos que el potencial de reposo. El aumento de temperatura desplaza el potencial crítico de corrosión por picaduras y de repasivación en dirección catódica, pero sólo ligeramente. Aquí también se produce una rápida repasivación.

En el agua geotérmica ORG, sólo la aleación con base de níquel y la super austenita ofrecen suficiente resistencia a la corrosión, mientras que el acero dúplex y el super dúplex sólo presentan cierta resistencia hasta los 100 °C.

Para las condiciones MB, los potenciales críticos de los aceros de baja aleación estaban lo suficientemente alejados del potencial de reposo como para que no se esperaran tasas de corrosión críticas durante las fluctuaciones de funcionamiento. El acero inoxidable X2CrNiMo17-12-2 mostró grandes diferencias entre el potencial de reposo y el potencial crítico de picadura, lo que significa que es bastante estable y, por tanto, adecuado. En agua geotérmica LHD, los métodos electroquímicos mostraron que el potencial de reposo del material 25CrMo4 estaba en el rango crítico, lo que indica condiciones activas (es decir, corrosión) [9].

Los aceros de baja aleación mostraron una buena resistencia a la corrosión por picadura debido a la gran diferencia entre el potencial crítico de picadura y el potencial de reposo. Sin embargo, la posibilidad de repasivación era limitada. Por lo tanto, se debe tener especial cuidado durante el proceso para evitar la aparición de corrosión localizada en estas aleaciones. En aguas geotérmicas ácidas, debe tenerse en cuenta el pobre comportamiento de repasivación.

Conclusiones

El comportamiento frente a la corrosión de diversos materiales metálicos puede evaluarse mediante ensayos de envejecimiento y electroquímicos en el laboratorio. De los resultados de los ensayos obtenidos en diversas aguas geotérmicas sintéticas en laboratorio se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• La susceptibilidad a la corrosión en grietas resultó ser el aspecto más importante para la calificación de los materiales.
• El acero de baja aleación 25CrMo4 mostró una corrosión uniforme por debajo del umbral aceptado de 0,3 mm/año a baja salinidad en el agua geotérmica MB. Por lo tanto, puede considerarse adecuado para condiciones geotérmicas de baja salinidad como las probadas para MB. No es necesario cambiar a materiales de mayor aleación (más caros). Un pH más bajo (como en el caso del LHD) dará lugar a índices de corrosión por encima de los límites aceptables, por lo que los materiales de baja aleación no son adecuados para fluidos de pH bajo.
• Las aguas geotérmicas muy salinas requieren materiales de mayor aleación, ya que el índice de corrosión de los aceros de baja aleación es demasiado elevado.
• El acero dúplex X2CrNiMo22-5-3 y el acero superdúplex X2CrNiMoCuWN25-7-4 no se consideraron adecuados para aplicaciones geotérmicas en aguas geotérmicas con una composición comparable a NDB y ORG debido a su susceptibilidad crítica a la corrosión localizada en forma de corrosión por picaduras y grietas en condiciones de funcionamiento.
• El acero super austenítico X1CrNiMoCu32-28-7 es adecuado para ORG y aguas de baja salinidad. En aguas geotérmicas NDB, se consideró adecuado a 100 °C. Sin embargo, su susceptibilidad a la corrosión en grietas limita su aplicabilidad. Además de su buena resistencia a la corrosión, su comportamiento de repasivación es responsable de su aplicabilidad limitada en aguas geotérmicas con un valor de pH bajo.
• La aleación de base níquel NiCr23Mo16Al resultó ser adecuada y representa una opción segura para su uso en plantas geotérmicas, incluso cuando se trabaja con agua geotérmica altamente salina.

Bibliografía

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[8] Stoljarova A., Bäßler R., Regenspurg S.: Influence of Precipitating Brine Components on Materials Selection for Geothermal Applications, Proceedings World Geothermal Congress (2020+1), Reykjavik, Islandia, documento 27003.
[9] Keserovic' A., Bäßler R., Kamah Y.: Suitability of alloyed steels in highly acidic environments, NACE International Conference, Corrosion (2014) San Antonio, USA, paper 4031