Propietats clau que impulsen les aplicacions de tubs de zirconi
Els tubs de zirconi s'especifiquen on la resistència a la corrosió i la fiabilitat a temperatures elevades són més importants que la relació resistència-a-pes. El zirconi té una secció transversal d'absorció de neutrons tèrmica molt baixa-, que és la propietat que el va fer indispensable en l'enginyeria nuclear. En servei químic resisteix l'atac de la majoria dels àcids minerals i orgànics, inclosos l'àcid acètic, clorhídric i nítric, i funciona bé en ambients reductors i lleugerament oxidants. El metall també conserva una resistència útil a alta temperatura, la qual cosa permet que els tubs de zirconi funcionin en corrents corrosius calents on els acers inoxidables i fins i tot el titani fallarien. Aquestes propietats determinen les tres principals famílies d'aplicacions: nuclear, processament químic i equips industrials especialitzats.
Energia nuclear: revestiment de combustible i components bàsics
L'ús més gran i més exigent dels tubs de zirconi és als reactors nuclears. Els pellets de combustible estan segellats dins de tubs prims d'aliatge de zirconi, anomenats revestiment de combustible, que contenen els productes de fissió i transfereixen calor al refrigerant. El revestiment no ha d'absorbir gairebé neutrons, de manera que s'utilitzen aliatges de zirconi com Zircaloy-2 i Zircaloy-4 en comptes de l'acer inoxidable. Els tubs de pressió Zr-2.5Nb transporten el refrigerant d'aigua pesada als reactors d'aigua pesada a pressió. Més enllà dels canals de combustible, els tubs de zirconi apareixen en tubs de guia, reixetes espaciadores i canals d'instrumentació on es requereix una baixa absorció de neutrons i resistència a la corrosió durant una vida útil de molts anys.
Processament químic: intercanviadors de calor, reactors i condensadors
A les plantes químiques, els tubs de zirconi s'utilitzen en intercanviadors de calor-i-tubs, condensadors, reactors, columnes de destil·lació i sistemes de canonades que manipulen fluids corrosius. El servei d'àcid acètic és una aplicació clàssica, perquè el zirconi tolera l'àcid acètic a altes temperatures i concentracions on altres metalls fallen. Altres serveis provats inclouen àcid clorhídric a temperatura moderada, àcid nítric, àcid sulfúric a baixa concentració i àcids orgànics en la producció farmacèutica i química fina. Els reactors químics i biològics es beneficien de la resistència del zirconi a la picadura i el craqueig per corrosió per tensió. Tot i que els paquets de tubs de zirconi costen més que els equivalents d'acer inoxidable o titani, poden oferir una vida útil més llarga i un menor manteniment en treballs severs, la qual cosa justifica la prima en funció del cicle de vida.
Altres aplicacions industrials
Fora de les plantes nuclears i químiques, els tubs de zirconi s'utilitzen en equips de decapat per a l'acabat de metalls, en equips d'aigua de mar i marins on l'atac del clorur és greu i en la producció de peròxid d'hidrogen on el ferro i altres ions metàl·lics s'han de mantenir fora del producte. El zirconi també s'alia per a implants mèdics i els components basats en zirconi-apareixen en equips analítics i de laboratori especialitzats. Alguns sistemes de piscicultura i aqüicultura utilitzen metalls resistents a la corrosió-en els bucles d'aigua de mar, tot i que aquest és un mercat menor en comparació amb els sectors químic i nuclear.
Graus i estàndards
Els tubs de zirconi s'especifiquen per grau segons l'aplicació i la norma reguladora.
| Grau | Composició típica | Aplicacions primàries |
|---|---|---|
| Zr702 / R60702 | Zirconi comercialment pur, hafni per sota del 4,5 per cent | Bescanviadors de calor químics, reactors, canonades |
| Zr704 / R60704 | Zirconi amb estany 1,0 a 2,0 per cent | Servei químic i marí{0}}de més força |
| Zircaloy-2 | Zirconi amb estany, ferro, crom i níquel | Revestiment de combustible del reactor d'aigua bullint |
| Zircaloy-4 | Zirconi amb estany, ferro i crom, baix níquel | Revestiment de combustible del reactor d'aigua a pressió |
| Zr-2,5 Nb | Zirconi amb un 2,5 per cent de niobi | Tubs de pressió en reactors d'aigua pesada |
Els graus químics solen subministrar-se a ASTM B523 i B658, mentre que els graus nuclears segueixen les especificacions del venedor del reactor i els estàndards nuclears nacionals. Els tubs s'ofereixen en construccions sense soldadura i soldades, amb mides des de tubs d'instrumentació petits fins a tubs de gran-diàmetre.
Consideracions de selecció i contractació
A l'hora de seleccionar tubs de zirconi, primer s'han de definir les condicions del procés: el medi corrosiu i la seva concentració, temperatura, pressió i vida útil esperada. El medi de corrosió determina la família d'aliatges, la temperatura i la pressió determinen el gruix de la paret i el mètode d'unió, i el marc normatiu determina si cal un grau nuclear-certificat. Per al servei químic, especifiqueu l'estàndard, el grau, el diàmetre exterior, el gruix de la paret, la longitud i l'acabat superficial, i sol·liciteu el certificat del molí amb els resultats de l'anàlisi química i les proves mecàniques. La soldadura de zirconi requereix un blindatge de gas inert per evitar la fragilitat, de manera que la capacitat de fabricació és una part clau de l'avaluació del proveïdor.
Preguntes freqüents
Per què s'utilitza el zirconi per al revestiment de combustible nuclear?
Com que el zirconi té una secció transversal d'absorció de neutrons tèrmica excepcionalment baixa-, el revestiment no malgasta neutrons i el reactor manté la reacció en cadena amb una càrrega de combustible més petita que amb el revestiment d'acer inoxidable.
Quins àcids poden manejar els tubs de zirconi?
El zirconi resisteix els àcids acètic, nítric i clorhídric a temperatures moderades, juntament amb altres àcids orgànics i alguns mitjans reductors, per això s'utilitza en intercanviadors i reactors de calor químics agressius.
Quina diferència hi ha entre Zr702 i Zircaloy-4?
Zr702 és zirconi comercialment pur per a serveis químics, mentre que Zircaloy-4 és un grau nuclear aliat d'estany desenvolupat per a revestiments de combustible amb corrosió controlada i comportament mecànic en condicions del reactor.
Es poden soldar tubs de zirconi?
Sí, però la soldadura requereix una protecció estricta de gas inert, perquè el zirconi absorbeix oxigen i nitrogen a alta temperatura i es torna trencadís sense protecció.
Els tubs de zirconi són més cars que els de titani?
En general, sí en un pes unitari, però en un servei àcid greu el zirconi pot durar més que les alternatives per un ampli marge, fent que el cost del cicle de vida sigui competitiu.
Quins estàndards cobreixen els tubs de zirconi?
Els graus químics es subministren habitualment a ASTM B523 i B658, mentre que els graus nuclears segueixen les especificacions dels venedors del reactor i els estàndards nuclears nacionals.