La scelta del materiale in acciaio inossidabile per l'industria alimentare e delle bevande

La maggior parte delle sfide che l’utilizzo dell’acciaio inossidabile deve affrontare nell’industria lattiero-casearia e in altre industrie di trasformazione alimentare sono legate agli scambiatori di calore e all’acqua di superficie naturale, come l’acqua di pozzo. Come i birrifici, la maggior parte delle industrie alimentari utilizzano spesso mezzi caldi riscaldati dal vapore o raffreddati dall'acqua, che sono associati alla pastorizzazione e alla sterilizzazione, e quindi spesso incontrano problemi come cricche da tensocorrosione. In generale, la lavorazione degli alimenti non corrode l'acciaio inossidabile standard come AISI304 o 316. Tuttavia, l'ampia gamma di metodi di lavorazione in questo settore porta a molti diversi guasti dovuti alla corrosione. Ad esempio:

• Erosione/corrosione negli scambiatori di calore del latte in acciaio inossidabile.
• Corrosione uniforme causata dall'acido lattico e da altri acidi organici ad alta temperatura.
• Corrosione microbica causata da acque superficiali o di pozzo.
• Cricche da tensocorrosione, principalmente “crepe da cloruro”.
• Fatica da corrosione causata dalle vibrazioni.

 

Per gli scambiatori di calore a piastre dell'industria lattiero-casearia, il siero, il latte e l'acqua di processo vengono trattati tramite scambiatori di calore a piastre realizzati in acciaio inossidabile 1.4401, come mostrato nella tabella seguente.

Prodotti	Temperatura di ingresso, ℃	Temperatura di uscita, ℃	Pressione
Siero	30	10	medio
Latte	7	30	Alto
Acqua di processo	57	14	Basso

 

Per evitare perdite di cibo contaminato, la pressione dell'acqua di processo viene mantenuta la più bassa possibile. La perdita si verifica quando le piastre sottili entrano in collisione tra loro nel punto di pressione, causata da crepe da fatica nella sezione trasversale sottile dopo che il punto di pressione è stato eroso e corroso. Lo studio microscopico metallografico della sezione mostra che non si è verificata alcuna cricca da tensocorrosione. Poiché la bassa pressione si trova sul lato dell'acqua del processo, unita alle fluttuazioni di pressione e alle vibrazioni del flusso del fluido, l'erosione/corrosione si verifica su questo lato. Il modo per evitare la collisione fisica delle piastre è modificare la pressione e la fluttuazione della pressione o aumentare la distanza tra le piastre.

 

Corrosione microbica causata dall'acqua di pozzo

L'industria alimentare utilizza solitamente l'acqua di pozzo. Il contenuto di ferro nell’acqua del pozzo è piuttosto elevato, il che può attivare i batteri legati al ferro e causare grave corrosione. Uno dei metodi di trattamento dell'acqua comunemente utilizzati consiste nel rimuovere il ferro dall'acqua di pozzo per migliorare il sapore del cibo ed evitare la corrosione degli imballaggi e delle apparecchiature di lavorazione dopo la pulizia e il risciacquo. L'acqua di superficie e di pozzo contiene anche una serie di tipi di microrganismi attivi sia in condizioni aerobiche che anaerobiche. I batteri aerobici legati al ferro ossidano gli ioni ferro, mentre i batteri anaerobici legati al ferro riducono gli ioni ferro. Queste due reazioni sono in definitiva classificate come corrosione microbica (MIC). Nell’acqua possono essere attivi anche altri microrganismi, come i batteri che riducono l’acido solforico e i batteri che producono acido. Nello stesso biofilm possono essere attivi batteri aerobici e (sotto) batteri anaerobici.

Quando si utilizza acqua di pozzo per trattare le verdure in scatola (sciacquare e raffreddare dopo la pastorizzazione). Laddove l'acqua non scorre per un lungo periodo, i tubi realizzati in 316L perderanno entro sei mesi a causa dell'elevata temperatura dell'acqua. L'acqua del pozzo stessa è fredda (sotto i 10°C), ma può facilmente salire fino a 30°C in estate se rimane ferma nel tubo per un lungo periodo di tempo. Rispetto alla Legionella, i biofilm corrosivi si formano a tassi di attività più elevati a temperature più elevate.

 

Corrosione per vaiolatura causata dalla disinfezione e sterilizzazione con cloro

L'ipoclorito di sodio è comunemente usato per pulire e disinfettare le apparecchiature in acciaio inossidabile. Se la concentrazione di ipoclorito di sodio è troppo elevata o il tempo di pulizia e disinfezione è troppo lungo, l'ipoclorito di sodio causerà una grave corrosione dell'acciaio inossidabile, soprattutto quando la temperatura è superiore a 25 ℃.

 

Frattura da tensocorrosione

Esiste il rischio di frattura da tensocorrosione da cloruro a temperature superiori a 60 ° C. Con l'aumento della deformazione a freddo, della tensione di trazione e del contenuto di cloruro, il rischio aumenta. Rispetto al tubo deformato a freddo senza ricottura, il tubo ricotto è insensibile alla frattura da tensocorrosione da cloruro. L'esterno dei tubi d'acciaio saldati con cordoni diritti utilizzati nell'industria lattiero-casearia è molto più sensibile al cloruro, a causa delle sollecitazioni di trazione nella sezione causate dalla flessione durante il processo di produzione. In altre applicazioni, gli scambiatori di calore tubolari possono essere responsabili della tensocorrosione da cloruri. È più probabile che si sviluppino cricche da stress da cloruro su un lato del guscio se la temperatura supera i 60 ° C. Gli AISI 304 e 316 sono sensibili a questo problema e esiste il rischio di frattura da tensocorrosione quando utilizzati negli evaporatori di zucchero dove gli acciai inossidabili ferritici possono essere utilizzato invece. L'acciaio inossidabile ferritico AISI 441 è stato ampiamente utilizzato nell'industria dello zucchero, in particolare l'AISI 439. Nell'uso pratico, la scelta delle tubazioni è sviluppata in acciaio inossidabile 304 e acciaio inossidabile 439. Acciaio inossidabile 304 per tubi più corti e 439 per tubi più lunghi.

Acciaio inossidabile 304: l'acciaio può essere selezionato quando la lunghezza del tubo è inferiore a 3 metri. Il coefficiente di dilatazione termica di 304 l'acciaio inossidabile è 1,8×10-2 mm/m℃, che è molto più grande di quello dell'acciaio al carbonio. Quando la temperatura del recipiente è elevata, lo stress termico del tubo è elevato. I tubi in acciaio inossidabile AISI 304 sono stati ricotti dopo la saldatura continua in fabbrica.

Acciaio inossidabile 439: ASTM439 è un acciaio inossidabile ferritico stabilizzato al titanio (17% ~ 19%Cr) utilizzato per evaporatori o serpentine fino a 5 m di lunghezza. Il rischio di frattura da tensocorrosione è maggiore quando la lunghezza del tubo è superiore a 7 m, la concentrazione di cloruro è elevata e il grado di deformazione a freddo è elevato. Negli acciai inossidabili ferritici come AISI 439 non si verifica alcuna frattura da tensocorrosione. Per evitare la corrosione interstiziale, se la resistenza alla corrosione e le condizioni igieniche lo consentono, le persone solitamente utilizzano lo scambiatore di calore con l'involucro in lamiera di acciaio al carbonio spessa e la parete interna di spessore sottile Tubo in acciaio AISI439. In questo modo, l'acciaio al carbonio può fornire protezione catodica al tubo in acciaio inossidabile a parete sottile e può ridurre i costi di progettazione e produzione e prolungare la durata.