Die Autoren haben sich immer wieder neue Spezifikationen für Energieprojekte angesehen, in denen Anlagenplaner in der Regel Edelstahl 304 oder 316 für Kondensator- und Hilfswärmetauscherrohre wählen. Für viele ruft der Begriff Edelstahl eine Aura unbesiegbarer Korrosion hervor, obwohl rostfreier Stahl manchmal die schlechteste Wahl sein kann, weil er anfällig für lokale Korrosion ist Ausfallmechanismen werden vergrößert. In einigen Anwendungen überlebt Edelstahl der Serie 300 nur Monate, manchmal nur Wochen, bevor er ausfällt. Dieser Artikel konzentriert sich zumindest auf die Aspekte, die bei der Auswahl von Kondensatorrohrmaterialien aus Sicht der Wasseraufbereitung berücksichtigt werden sollten. Zu den weiteren Faktoren, die in diesem Dokument nicht behandelt werden, aber bei der Materialauswahl eine Rolle spielen, gehören die Materialfestigkeit, die Wärmeübertragungseigenschaften und die Beständigkeit gegen mechanische Kräfte, einschließlich Ermüdung und Erosionskorrosion.
Die Zugabe von 12 % oder mehr Chrom zu Stahl führt dazu, dass die Legierung eine kontinuierliche Oxidschicht bildet, die das darunter liegende Grundmetall schützt. Daher der Begriff Edelstahl. Da keine anderen Legierungsmaterialien (insbesondere Nickel) vorhanden sind, gehört Kohlenstoffstahl zur Ferritgruppe und seine Elementarzelle weist eine kubisch raumzentrierte Struktur (BCC) auf.
Wenn der Legierungsmischung Nickel in einer Konzentration von 8 % oder mehr zugesetzt wird, liegt die Zelle auch bei Umgebungstemperatur in einer kubisch-flächenzentrierten (FCC) Struktur namens Austenit vor.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, haben rostfreie Stähle der Serie 300 und andere rostfreie Stähle einen Nickelgehalt, der eine austenitische Struktur erzeugt.
Austenitische Stähle haben sich in vielen Anwendungen als sehr wertvoll erwiesen, unter anderem als Material für Hochtemperatur-Überhitzer- und Zwischenüberhitzerrohre in Kraftwerkskesseln. Insbesondere die 300er-Serie wird häufig als Material für Niedertemperatur-Wärmetauscherrohre, einschließlich Dampfoberflächenkondensatoren, verwendet. Allerdings übersehen viele bei diesen Anwendungen mögliche Fehlermechanismen.
Die Hauptschwierigkeit bei Edelstahl, insbesondere den beliebten Materialien 304 und 316, besteht darin, dass die schützende Oxidschicht häufig durch Verunreinigungen im Kühlwasser sowie durch Spalten und Ablagerungen zerstört wird, die zur Konzentration von Verunreinigungen beitragen. Darüber hinaus kann stehendes Wasser unter Abschaltbedingungen zu mikrobiellem Wachstum führen, dessen Stoffwechselnebenprodukte für Metalle äußerst schädlich sein können.
Eine häufige Verunreinigung des Kühlwassers und eine der am schwierigsten zu entfernenden Verunreinigungen ist Chlorid. Dieses Ion kann in Dampferzeugern viele Probleme verursachen, aber in Kondensatoren und Hilfswärmetauschern besteht die Hauptschwierigkeit darin, dass Chloride in ausreichender Konzentration in die schützende Oxidschicht auf Edelstahl eindringen und diese zerstören können, was zu örtlicher Korrosion, d. h. Lochfraß, führt.
Lochfraß ist eine der heimtückischsten Formen der Korrosion, da er bei geringem Metallverlust zu Wanddurchdringungen und Geräteausfällen führen kann.
Chloridkonzentrationen müssen nicht sehr hoch sein, um Lochfraß in Edelstahl 304 und 316 zu verursachen. Für saubere Oberflächen ohne Ablagerungen oder Spalten gelten nun folgende empfohlene maximale Chloridkonzentrationen:
Mehrere Faktoren können leicht zu Chloridkonzentrationen führen, die diese Richtlinien überschreiten, sowohl im Allgemeinen als auch an lokalen Standorten. Es ist sehr selten geworden, bei neuen Kraftwerken zunächst einmal eine Durchlaufkühlung in Betracht zu ziehen beträgt 250 mg/l. Dies allein sollte im Allgemeinen SS 304 ausschließen. Darüber hinaus besteht in neuen und bestehenden Anlagen ein zunehmender Bedarf, Frischwasser für die Anlagenerneuerung zu ersetzen. Eine häufige Alternative ist kommunales Abwasser. Tabelle 2 vergleicht die Analyse der vier Frischwasservorräte mit den vier Abwasservorräten.
Achten Sie auf erhöhte Chloridwerte (und andere Verunreinigungen wie Stickstoff und Phosphor, die die mikrobielle Kontamination in Kühlsystemen erheblich erhöhen können). Bei praktisch allem Grauwasser überschreitet jede Zirkulation im Kühlturm den von 316 SS empfohlenen Chloridgrenzwert.
Die vorangehende Diskussion basiert auf dem Korrosionspotenzial gewöhnlicher Metalloberflächen. Brüche und Sedimente verändern die Geschichte dramatisch, da beide Orte bieten, an denen sich Verunreinigungen konzentrieren können. Ein typischer Ort für mechanische Risse in Kondensatoren und ähnlichen Wärmetauschern sind die Verbindungen von Rohr zu Rohrboden verbleibende Stahloberfläche in eine Anode.
Die obige Erörterung skizziert Probleme, die Anlagenplaner normalerweise nicht berücksichtigen, wenn sie Rohrmaterialien für Kondensatoren und Hilfswärmetauscher für neue Projekte spezifizieren. Die Mentalität in Bezug auf 304 und 316 SS scheint manchmal immer noch zu sein: „Das haben wir schon immer gemacht“, ohne die Konsequenzen solcher Maßnahmen zu berücksichtigen. Für die härteren Kühlwasserbedingungen, mit denen viele Anlagen derzeit konfrontiert sind, stehen alternative Materialien zur Verfügung.
Bevor alternative Metalle besprochen werden, muss kurz auf einen anderen Punkt hingewiesen werden. In vielen Fällen funktionierte ein Edelstahl 316 oder sogar ein Edelstahl 304 im Normalbetrieb gut, versagte jedoch bei einem Stromausfall. In den meisten Fällen ist der Ausfall auf eine schlechte Entwässerung des Kondensators oder Wärmetauschers zurückzuführen, die zu stagnierendem Wasser in den Rohren führt. Diese Umgebung bietet ideale Bedingungen für das Wachstum von Mikroorganismen. Mikrobielle Kolonien produzieren wiederum korrosive Verbindungen, die das Rohrmetall direkt korrodieren.
Es ist bekannt, dass dieser Mechanismus, der als mikrobiell induzierte Korrosion (MIC) bezeichnet wird, Edelstahlrohre und andere Metalle innerhalb von Wochen zerstört. Wenn der Wärmetauscher nicht entleert werden kann, sollte ernsthaft darüber nachgedacht werden, in regelmäßigen Abständen Wasser durch den Wärmetauscher zu zirkulieren und während des Prozesses Biozid hinzuzufügen. (Weitere Einzelheiten zu ordnungsgemäßen Layup-Verfahren finden Sie in D. Janikowski, „Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations“, abgehalten vom 4. bis 6. Juni 2019 in Champaign, IL. Präsentiert unter das 39. Electric Utility Chemistry Symposium.)
Für die oben genannten rauen Umgebungen sowie rauere Umgebungen wie Brackwasser oder Meerwasser können alternative Metalle verwendet werden, um Verunreinigungen abzuwehren. Drei Legierungsgruppen haben sich bewährt: kommerziell reines Titan, austenitischer Edelstahl mit 6 % Molybdängehalt und superferritischer Edelstahl Die Legierung eignet sich am besten für Neuinstallationen mit starken Rohrstützstrukturen. Eine hervorragende Alternative ist der superferritische Edelstahl Sea-Cure®. Die Zusammensetzung dieses Materials ist unten aufgeführt.
Der Stahl hat einen hohen Chromgehalt, aber einen niedrigen Nickelgehalt, sodass es sich eher um einen ferritischen als um einen austenitischen Edelstahl handelt. Aufgrund seines geringen Nickelgehalts kostet er viel weniger als andere Legierungen. Die hohe Festigkeit und der Elastizitätsmodul von Sea-Cure ermöglichen dünnere Wände als andere Materialien, was zu einer verbesserten Wärmeübertragung führt.
Die verbesserten Eigenschaften dieser Metalle werden in der Tabelle „Pitting Resistance Equivalent Number“ angezeigt, bei der es sich, wie der Name schon sagt, um ein Testverfahren handelt, mit dem die Beständigkeit verschiedener Metalle gegenüber Lochfraß bestimmt wird.
Eine der häufigsten Fragen lautet: „Wie hoch ist der maximale Chloridgehalt, den eine bestimmte Edelstahlsorte verträgt?“Die Antworten variieren stark. Zu den Faktoren gehören pH-Wert, Temperatur, Vorhandensein und Art von Brüchen sowie das Potenzial für aktive biologische Spezies. Auf der rechten Achse von Abbildung 5 wurde ein Tool hinzugefügt, das bei dieser Entscheidung hilft. Es basiert auf einem neutralen pH-Wert und 35 °C fließendem Wasser, das häufig in vielen BOP- und Kondensationsanwendungen zu finden ist (um die Bildung von Ablagerungen und Rissen zu verhindern). Sobald eine Legierung mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung ausgewählt wurde, kann PREn bestimmt und dann mit dem entsprechenden Schrägstrich geschnitten werden. Anschließend kann der empfohlene maximale Chloridgehalt bestimmt werden Zeichnen einer horizontalen Linie auf der rechten Achse. Wenn eine Legierung für Brackwasser- oder Meerwasseranwendungen in Frage kommt, muss sie im Allgemeinen einen CCT über 25 Grad Celsius aufweisen, gemessen mit dem G 48-Test.
Es ist klar, dass die superferritischen Legierungen von Sea-Cure® im Allgemeinen sogar für Meerwasseranwendungen geeignet sind. Es gibt noch einen weiteren Vorteil dieser Materialien, der hervorgehoben werden muss. Seit vielen Jahren werden Mangankorrosionsprobleme bei Edelstahl 304 und 316 beobachtet, auch in Anlagen entlang des Ohio River. Kürzlich wurden Wärmetauscher in Anlagen entlang der Flüsse Mississippi und Missouri angegriffen. Mangankorrosion ist auch ein häufiges Problem in Brunnenwassernachspeisesystemen. Der Korrosionsmechanismus wurde als Mangandioxid (M nO2) reagiert mit einem oxidierenden Biozid, um unter der Ablagerung Salzsäure zu erzeugen. HCl ist das, was Metalle wirklich angreift.[WH Dickinson und RW Pick, „Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry“;vorgestellt auf der NACE Annual Corrosion Conference 2002, Denver, CO.] Ferritische Stähle sind gegen diesen Korrosionsmechanismus beständig.
Die Auswahl höherwertiger Materialien für Kondensator- und Wärmetauscherrohre ist immer noch kein Ersatz für eine ordnungsgemäße Kontrolle der Wasseraufbereitungschemie. Wie Autor Buecker in einem früheren Artikel über Energietechnik dargelegt hat, ist ein ordnungsgemäß konzipiertes und durchgeführtes chemisches Behandlungsprogramm erforderlich, um das Risiko von Ablagerungen, Korrosion und Verschmutzung zu minimieren. Die Polymerchemie entwickelt sich zu einer leistungsstarken Alternative zur älteren Phosphat-/Phosphonatchemie zur Kontrolle von Korrosion und Ablagerungen in Kühlturmsystemen. Die Kontrolle der mikrobiellen Kontamination war und bleibt ein kritisches Thema. Obwohl sie oxidativ ist Chemie mit Chlor, Bleichmittel oder ähnlichen Verbindungen ist der Eckpfeiler der mikrobiellen Kontrolle. Zusätzliche Behandlungen können häufig die Effizienz von Behandlungsprogrammen verbessern. Ein Beispiel hierfür ist die Stabilisierungschemie, die dazu beiträgt, die Freisetzungsrate und Effizienz von oxidierenden Bioziden auf Chlorbasis zu erhöhen, ohne dass schädliche Verbindungen in das Wasser gelangen Für die Auswahl von Materialien und chemischen Verfahren ist die Konsultation von Branchenexperten wichtig. Ein Großteil dieses Artikels ist aus der Sicht der Wasseraufbereitung geschrieben. Wir sind nicht an Materialentscheidungen beteiligt, aber wir werden gebeten, bei der Bewältigung der Auswirkungen dieser Entscheidungen zu helfen, sobald die Ausrüstung in Betrieb ist. Die endgültige Entscheidung über die Materialauswahl muss vom Anlagenpersonal auf der Grundlage einer Reihe von Faktoren getroffen werden, die für jede Anwendung festgelegt werden.
Über den Autor: Brad Buecker ist leitender technischer Publizist bei ChemTreat. Er verfügt über 36 Jahre Erfahrung in der Energiebranche oder ist mit ihr verbunden, ein Großteil davon in den Bereichen Dampferzeugung, Chemie, Wasseraufbereitung, Luftqualitätskontrolle und bei City Water, Light & Power (Springfield, IL). Die Kansas City Power & Light Company hat ihren Sitz in La Cygne Station, Kansas Kursarbeit in Strömungsmechanik, Energie- und Materialgleichgewicht und fortgeschrittener anorganischer Chemie.
Dan Janikowski ist technischer Manager bei Plymouth Tube. Seit 35 Jahren beschäftigt er sich mit der Entwicklung von Metallen, der Herstellung und Prüfung von Rohrprodukten, darunter Kupferlegierungen, Edelstahl, Nickellegierungen, Titan und Kohlenstoffstahl. Janikowski ist seit 2005 bei Plymouth Metro und hatte verschiedene leitende Positionen inne, bevor er 2010 technischer Manager wurde.