قام المؤلفون بمراجعة مواصفات مشروع الطاقة الجديدة مرارًا وتكرارًا ، حيث يختار مصممو المصانع عادةً 304 أو 316 من الفولاذ المقاوم للصدأ للمكثف وأنابيب المبادل الحراري الإضافي ، بالنسبة للكثيرين ، يستحضر مصطلح الفولاذ المقاوم للصدأ هالة من التآكل الذي لا يُقهر ، بينما في الواقع ، يمكن أن يكون الفولاذ المقاوم للصدأ في بعض الأحيان هو الخيار الأسوأ لأنه عرضة للتآكل الموضعي ، وفي هذا العصر من المياه العذبة ذات التركيز المنخفض ، تجعل دورات التبريد ذات التركيز المنخفض. يتم تضخيم آليات فشل الفولاذ المقاوم للصدأ. في بعض التطبيقات ، ستبقى سلسلة 300 من الفولاذ المقاوم للصدأ على قيد الحياة فقط لشهور ، وأحيانًا أسابيع فقط ، قبل الفشل. تركز هذه المقالة على الأقل على المشكلات التي يجب مراعاتها عند اختيار مواد أنبوب المكثف من منظور معالجة المياه. تشمل العوامل الأخرى التي لم تتم مناقشتها في هذا البحث ولكنها تلعب دورًا في اختيار المواد قوة المادة ، وخصائص نقل الحرارة ، ومقاومة القوى الميكانيكية ، بما في ذلك التعب والتآكل.
تؤدي إضافة 12٪ أو أكثر من الكروم إلى الفولاذ إلى تكوين السبيكة لطبقة أكسيد مستمرة تحمي المعدن الأساسي تحتها ، ومن هنا جاء مصطلح الفولاذ المقاوم للصدأ ، وفي حالة عدم وجود مواد أخرى للسبائك (خاصة النيكل) ، فإن الفولاذ الكربوني جزء من مجموعة الفريت ، وتحتوي خلية الوحدة الخاصة به على هيكل مكعب متمركز حول الجسم (BCC).
عندما يضاف النيكل إلى خليط السبيكة بتركيز 8٪ أو أعلى ، حتى في درجة الحرارة المحيطة ، فإن الخلية سوف تتواجد في هيكل مكعب مركزي الوجه (FCC) يسمى الأوستينيت.
كما هو مبين في الجدول 1 ، يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ سلسلة 300 والفولاذ المقاوم للصدأ الآخر على محتوى من النيكل ينتج بنية أوستنيتي.
لقد أثبت الفولاذ الأوستنيتي أنه ذو قيمة كبيرة في العديد من التطبيقات ، بما في ذلك كمواد لأنابيب التسخين العالي الحرارة وأنابيب إعادة التسخين في غلايات الطاقة ، وغالبًا ما تُستخدم السلسلة 300 على وجه الخصوص كمواد لأنابيب المبادل الحراري ذات درجة الحرارة المنخفضة ، بما في ذلك مكثفات سطح البخار ، ومع ذلك ، في هذه التطبيقات يتجاهل الكثيرون آليات الفشل المحتملة.
تتمثل الصعوبة الرئيسية في الفولاذ المقاوم للصدأ ، وخاصة المواد المشهورة 304 و 316 ، في أن طبقة الأكسيد الواقية غالبًا ما يتم تدميرها بواسطة الشوائب الموجودة في مياه التبريد وعن طريق الشقوق والرواسب التي تساعد على تركيز الشوائب ، بالإضافة إلى ذلك ، في ظل ظروف الإغلاق ، يمكن أن تؤدي المياه الراكدة إلى نمو الميكروبات ، والتي يمكن أن تكون نواتجها الأيضية ضارة للغاية بالمعادن.
الشوائب الشائعة لمياه التبريد ، ومن أصعب إزالتها اقتصاديًا ، الكلوريد يمكن أن يسبب العديد من المشاكل في مولدات البخار ، ولكن في المكثفات والمبادلات الحرارية المساعدة ، تكمن الصعوبة الرئيسية في أن الكلوريدات بتركيزات كافية يمكن أن تخترق وتدمر طبقة الأكسيد الواقية على الفولاذ المقاوم للصدأ ، مما يتسبب في تآكل موضعي ، مثل التنقر.
يعد التنقر أحد أكثر أشكال التآكل غدرًا لأنه يمكن أن يتسبب في اختراق الجدران وتعطل المعدات مع فقد المعدن القليل.
لا يجب أن تكون تركيزات الكلوريد عالية جدًا حتى تتسبب في تآكل تنقر في الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و 316 ، وللأسطح النظيفة التي لا تحتوي على أي رواسب أو شقوق ، فإن تركيزات الكلوريد القصوى الموصى بها تعتبر الآن على النحو التالي:
يمكن أن تنتج عدة عوامل بسهولة تركيزات الكلوريد التي تتجاوز هذه الإرشادات ، بشكل عام وفي المواقع المحلية ، وأصبح من النادر جدًا التفكير أولاً في التبريد لمرة واحدة لمحطات الطاقة الجديدة ، ومعظمها مبني بأبراج تبريد ، أو في بعض الحالات ، مكثفات مبردة بالهواء (ACC). بالنسبة لأولئك الذين لديهم أبراج تبريد ، يمكن أن يؤدي تركيز الشوائب في مستحضرات التجميل إلى "دورة أعلى". المياه 250 مجم / لتر ، وهذا وحده يجب أن يستبعد بشكل عام 304 SS ، بالإضافة إلى ذلك ، في المحطات الجديدة والقائمة ، هناك حاجة متزايدة لاستبدال المياه العذبة لإعادة تغذية المحطة ، والبديل الشائع هو مياه الصرف الصحي البلدية ، ويقارن الجدول 2 تحليل إمدادات المياه العذبة الأربعة مع إمدادات مياه الصرف الصحي الأربعة.
احترس من زيادة مستويات الكلوريد (والشوائب الأخرى ، مثل النيتروجين والفوسفور ، والتي يمكن أن تزيد بشكل كبير من التلوث الميكروبي في أنظمة التبريد) بالنسبة لجميع المياه الرمادية بشكل أساسي ، فإن أي دوران في برج التبريد سوف يتجاوز حد الكلوريد الموصى به بواسطة 316 SS.
تستند المناقشة السابقة إلى إمكانية التآكل للأسطح المعدنية الشائعة ، وتغير الكسور والرواسب القصة بشكل كبير ، حيث يوفر كلاهما أماكن يمكن أن تتركز فيها الشوائب ، والموقع النموذجي للشقوق الميكانيكية في المكثفات والمبادلات الحرارية المماثلة هو عند تقاطعات الصفائح من الأنبوب إلى الأنبوب ، ويمكن أن تخلق الرواسب داخل الأنبوب شقوقًا عند حدود الرواسب ، ويمكن أن تكون الرواسب نفسها بمثابة طبقة حماية مستمرة للأكسدة على حدود الرواسب. تشكل مواقع فقيرة بالأكسجين والتي تحول سطح الفولاذ المتبقي إلى أنود.
توضح المناقشة أعلاه القضايا التي لا يأخذها مصممو المصانع عادةً في الاعتبار عند تحديد مواد أنبوب المكثف والمبادل الحراري الإضافي للمشاريع الجديدة. تبدو العقلية المتعلقة بـ 304 و 316 SS أحيانًا "هذا ما فعلناه دائمًا" دون مراعاة عواقب مثل هذه الإجراءات. تتوفر مواد بديلة للتعامل مع ظروف مياه التبريد الأكثر قسوة التي تواجهها العديد من النباتات الآن.
قبل مناقشة المعادن البديلة ، يجب تحديد نقطة أخرى بإيجاز ، ففي كثير من الحالات ، كان أداء 316 SS أو حتى 304 SS جيدًا أثناء التشغيل العادي ، لكنه فشل أثناء انقطاع التيار الكهربائي ، وفي معظم الحالات ، يرجع الفشل إلى سوء تصريف المكثف أو المبادل الحراري مما يتسبب في ركود المياه في الأنابيب ، وتوفر هذه البيئة ظروفًا مثالية لنمو الكائنات الحية الدقيقة ، وتنتج المستعمرات الميكروبية بدورها مركبات تآكل المعادن بشكل مباشر.
من المعروف أن هذه الآلية ، المعروفة باسم التآكل الناجم عن الميكروبات (MIC) ، تدمر أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ والمعادن الأخرى في غضون أسابيع. إذا تعذر تصريف المبادل الحراري ، فيجب النظر بجدية في تدوير المياه بشكل دوري من خلال المبادل الحراري وإضافة المبيدات الحيوية أثناء العملية. ندوة الكيمياء.)
بالنسبة للبيئات القاسية الموضحة أعلاه ، فضلاً عن البيئات الأكثر قسوة مثل المياه قليلة الملوحة أو مياه البحر ، يمكن استخدام المعادن البديلة لدرء الشوائب ، وقد أثبتت ثلاث مجموعات من السبائك نجاحها ، وهي تيتانيوم نقي تجاريًا ، و 6٪ موليبدينوم من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والفولاذ المقاوم للصدأ الفائق ، كما أن هذه السبائك مقاومة للغاية لميكانيكية التآكل. الضرر: هذه السبيكة هي الأنسب للتركيبات الجديدة ذات الهياكل الداعمة للأنابيب القوية ، والبديل الممتاز هو الفولاذ الفريتي المقاوم للصدأ Sea-Cure® ، وتكوين هذه المادة موضحة أدناه.
يحتوي الفولاذ على نسبة عالية من الكروم ولكنه منخفض في النيكل ، لذلك فهو من الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي بدلاً من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ، نظرًا لمحتواه المنخفض من النيكل ، فإنه يكلف أقل بكثير من السبائك الأخرى. تسمح معامل Sea-Cure العالية القوة والمرونة بجدران أرق من المواد الأخرى ، مما يؤدي إلى تحسين نقل الحرارة.
تظهر الخصائص المحسّنة لهذه المعادن في الرسم البياني "رقم مكافئ مقاومة التنقر" ، والذي ، كما يوحي الاسم ، هو إجراء اختبار يستخدم لتحديد مقاومة المعادن المختلفة للتآكل.
أحد الأسئلة الأكثر شيوعًا هو "ما هو الحد الأقصى لمحتوى الكلوريد الذي يمكن أن تتحمله درجة معينة من الفولاذ المقاوم للصدأ؟"تختلف الإجابات على نطاق واسع ، وتشمل العوامل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة ووجود الكسور ونوعها وإمكانية وجود أنواع بيولوجية نشطة ، وقد تمت إضافة أداة على المحور الأيمن من الشكل 5 للمساعدة في هذا القرار ، ويستند إلى درجة الحموضة المحايدة ، والمياه المتدفقة 35 درجة مئوية الموجودة عادة في العديد من تطبيقات مانع الانفجار BOP والتكثيف (لمنع تكوين الرواسب وتشكيل الشقوق). عن طريق رسم خط أفقي على المحور الأيمن. بشكل عام ، إذا كان من المقرر أخذ سبيكة في الاعتبار للتطبيقات قليلة الملوحة أو مياه البحر ، فيجب أن يكون CCT أعلى من 25 درجة مئوية كما تم قياسه بواسطة اختبار G 48.
من الواضح أن السبائك الحديدية الفائقة التي يمثلها Sea-Cure® مناسبة بشكل عام لتطبيقات مياه البحر ، وهناك فائدة أخرى لهذه المواد التي يجب التأكيد عليها ، وقد لوحظت مشاكل تآكل المنغنيز في 304 و 316 SS لسنوات عديدة ، بما في ذلك في النباتات على طول نهر أوهايو ، وفي الآونة الأخيرة ، تم التعرف على مشكلة تآكل في مياه الأنهار المنغنيز. يتفاعل ثاني أكسيد الأنيس (MnO2) مع مبيد حيوي مؤكسد لتوليد حمض الهيدروكلوريك تحت الرواسب. حمض الهيدروكلوريك هو ما يهاجم المعادن حقًا. [WH Dickinson and RW Pick، "التآكل المعتمد على المنغنيز في صناعة الطاقة الكهربائية" ؛تم تقديمه في مؤتمر التآكل السنوي NACE لعام 2002 ، دنفر ، كولورادو] الفولاذ الفريتي مقاوم لآلية التآكل هذه.
لا يزال اختيار مواد عالية الجودة لأنابيب المكثف والمبادل الحراري ليس بديلاً عن التحكم المناسب في كيمياء معالجة المياه ، وكما أوضح المؤلف Buecker في مقال سابق لهندسة الطاقة ، فإن برنامج المعالجة الكيميائية المصمم والمشغل بشكل صحيح ضروري لتقليل احتمالية التحجيم والتآكل والقاذورات. في حين أن الكيمياء المؤكسدة مع الكلور أو التبييض أو المركبات المماثلة هي حجر الزاوية للتحكم الميكروبي ، إلا أن العلاجات التكميلية غالبًا ما تحسن كفاءة برامج العلاج ، ومن الأمثلة على ذلك كيمياء التثبيت ، التي تساعد على زيادة معدل إطلاق وكفاءة المبيدات الحيوية المؤكسدة التي تحتوي على الكلور دون إدخال أي مركبات ضارة في الماء ، بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون هناك العديد من الأعلاف التكميلية التي تحتوي على مواد مؤكسدة غير مؤكسدة مفيدة في تطوير العديد من المبيدات الحيوية المؤكسدة. موثوقية المبادلات الحرارية لمحطة الطاقة ، ولكن كل نظام مختلف ، لذا فإن التخطيط الدقيق والتشاور مع خبراء الصناعة مهم لاختيار المواد والإجراءات الكيميائية ، وكثير من هذه المقالة مكتوبة من منظور معالجة المياه ، ولا نشارك في القرارات المادية ، ولكن يُطلب منا المساعدة في إدارة تأثير هذه القرارات بمجرد تشغيل الجهاز ، ويجب أن يتخذ موظفو المصنع القرار النهائي بشأن اختيار المواد بناءً على عدد من العوامل المحددة لكل تطبيق.
نبذة عن الكاتب: براد بويكر هو كبير الدعاية الفنية في ChemTreat وله 36 عامًا من الخبرة في صناعة الطاقة أو منتسب إليها ، معظمها في كيمياء توليد البخار ومعالجة المياه ومراقبة جودة الهواء وفي City Water ، Light & Power (Springfield ، IL) وشركة Kansas City Power & Light Company التي تقع في محطة La Cygne ، كانساس ، كما أمضى عامين كمشرف على المياه / النفايات في جامعة الولاية. في ميكانيكا الموائع والطاقة وتوازن المواد والكيمياء غير العضوية المتقدمة.
دان جانيكوفسكي هو المدير الفني في بليموث تيوب ، لمدة 35 عامًا ، شارك في تطوير المعادن وتصنيع واختبار المنتجات الأنبوبية بما في ذلك سبائك النحاس والفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل والتيتانيوم والفولاذ الكربوني ، وقد شغل يانيكوفسكي عدة مناصب عليا قبل أن يصبح مديرًا تقنيًا في عام 2010 ، حيث عمل مع مترو بليموث منذ عام 2005.