Autori su uvijek iznova pregledavali nove specifikacije energetskih projekata, u kojima projektanti postrojenja obično biraju nehrđajući čelik 304 ili 316 za kondenzator i pomoćne cijevi izmjenjivača topline. Mnogima izraz nehrđajući čelik priziva auru nepobjedive korozije, dok zapravo nehrđajući čelici ponekad mogu biti najgori izbor jer su osjetljivi na lokaliziranu koroziju. I, u ovoj eri smanjene dostupnosti svježe vode za nadopunjavanje vode za hlađenje, zajedno s rashladnim tornjevima koji rade u ciklusima visoke koncentracije, potencijalni mehanizmi kvara nehrđajućeg čelika se povećavaju. U nekim će primjenama nehrđajući čelik serije 300 preživjeti samo mjesecima, ponekad samo tjednima, prije nego što pokvari. Ovaj se članak usredotočuje barem na pitanja koja bi trebalo razmotriti pri odabiru materijala cijevi kondenzatora iz perspektive obrade vode. Ostali čimbenici koji nisu razmatrani u ovom radu, ali igraju ulogu u odabiru materijala uključuju čvrstoću materijala, svojstva prijenosa topline, i otpornost na mehaničke sile, uključujući zamor i erozijsku koroziju.
Dodavanje 12% ili više kroma čeliku uzrokuje stvaranje kontinuiranog oksidnog sloja legure koji štiti osnovni metal ispod njega. Otuda i izraz nehrđajući čelik. U nedostatku drugih materijala za legiranje (osobito nikla), ugljični čelik dio je feritne skupine, a njegova jedinična ćelija ima kubičnu (BCC) strukturu s tjelesnim središtem.
Kada se smjesi legure doda nikal u koncentraciji od 8% ili višoj, ćelija će postojati u kubičnoj (FCC) strukturi zvanoj austenit, čak i na temperaturi okoline.
Kao što je prikazano u tablici 1, nehrđajući čelici serije 300 i drugi nehrđajući čelici imaju sadržaj nikla koji stvara austenitnu strukturu.
Austenitni čelici pokazali su se vrlo vrijednima u mnogim primjenama, uključujući kao materijal za visokotemperaturne cijevi pregrijača i dogrijača u energetskim kotlovima. Posebno se serija 300 često koristi kao materijal za niskotemperaturne cijevi izmjenjivača topline, uključujući površinske kondenzatore pare. Međutim, u tim primjenama mnogi zanemaruju potencijalne mehanizme kvarova.
Glavna poteškoća s nehrđajućim čelikom, posebno popularnim materijalima 304 i 316, je ta što zaštitni oksidni sloj često uništavaju nečistoće u vodi za hlađenje te pukotine i naslage koje pomažu koncentrirati nečistoće. Osim toga, u uvjetima isključenja, stajaća voda može dovesti do rasta mikroba, čiji metabolički nusproizvodi mogu biti vrlo štetni za metale.
Uobičajena nečistoća rashladne vode i jedna od onih koje je najteže ekonomski ukloniti je klorid. Ovaj ion može uzrokovati mnoge probleme u generatorima pare, ali u kondenzatorima i pomoćnim izmjenjivačima topline glavna je poteškoća u tome što kloridi u dovoljnim koncentracijama mogu prodrijeti i uništiti zaštitni oksidni sloj na nehrđajućem čeliku, uzrokujući lokaliziranu koroziju, tj. jamičastu pojavu.
Jamičasta korozija je jedan od najpodmuklijih oblika korozije jer može uzrokovati probijanje zidova i kvar opreme uz mali gubitak metala.
Koncentracije klorida ne moraju biti vrlo visoke da bi izazvale rupičastu koroziju u nehrđajućem čeliku 304 i 316, a za čiste površine bez ikakvih naslaga ili pukotina, preporučene maksimalne koncentracije klorida sada su:
Nekoliko čimbenika može lako proizvesti koncentracije klorida koje premašuju ove smjernice, kako općenito tako i na lokalnim lokacijama. Postalo je vrlo rijetko da se prvo razmatra jednokratno hlađenje za nove elektrane. Većina je izgrađena s rashladnim tornjevima, ili u nekim slučajevima, zrakom hlađenim kondenzatorima (ACC). Za one s rashladnim tornjevima, koncentracija nečistoća u kozmetici može se "ciklično povećavati". Na primjer, stupac s koncentracijom klorida u nadopunskoj vodi od 50 mg /l radi s pet ciklusa koncentracije, a sadržaj klorida u cirkulirajućoj vodi je 250 mg/l. Samo to bi općenito trebalo isključiti 304 SS. Osim toga, u novim i postojećim postrojenjima postoji sve veća potreba za zamjenom svježe vode za napajanje postrojenja. Uobičajena alternativa je komunalna otpadna voda. Tablica 2 uspoređuje analizu četiri izvora slatke vode s četiri izvora otpadne vode.
Pripazite na povećane razine klorida (i drugih nečistoća, kao što su dušik i fosfor, koji mogu uvelike povećati kontaminaciju mikrobima u rashladnim sustavima). Za gotovo svu sivu vodu, svaka cirkulacija u rashladnom tornju premašit će ograničenje klorida preporučeno od strane 316 SS.
Prethodna rasprava temelji se na korozijskom potencijalu uobičajenih metalnih površina. Lomovi i sedimenti dramatično mijenjaju priču, budući da oboje pružaju mjesta gdje se nečistoće mogu koncentrirati. Tipično mjesto za mehaničke pukotine u kondenzatorima i sličnim izmjenjivačima topline je na spojevima između cijevi i ploča. Sediment unutar cijevi može stvoriti pukotine na granici sedimenta, a sam sediment može poslužiti kao mjesto za kontaminaciju. Nadalje, jer nehrđajući čelik oslanja se na kontinuirani oksidni sloj za zaštitu, naslage mogu stvoriti mjesta siromašna kisikom koja preostalu čeličnu površinu pretvaraju u anodu.
Gornja rasprava ocrtava pitanja koja dizajneri postrojenja obično ne uzimaju u obzir kada specificiraju materijale cijevi kondenzatora i pomoćnog izmjenjivača topline za nove projekte. Mentalitet u vezi s 304 i 316 SS ponekad se i dalje čini "to je ono što smo oduvijek radili" bez razmatranja posljedica takvih radnji. Alternativni materijali su dostupni za rukovanje oštrijim uvjetima rashladne vode s kojima se sada suočavaju mnoga postrojenja.
Prije rasprave o alternativnim metalima, potrebno je ukratko navesti još jednu točku. U mnogim slučajevima, 316 SS ili čak 304 SS dobro su radili tijekom normalnog rada, ali nisu uspjeli tijekom nestanka struje. U većini slučajeva, kvar je uzrokovan lošom drenažom kondenzatora ili izmjenjivača topline što uzrokuje stajaću vodu u cijevima. Ovo okruženje pruža idealne uvjete za rast mikroorganizama. Mikrobne kolonije zauzvrat proizvode korozivne spojeve koji izravno nagrizaju cjevasti metal.
Ovaj mehanizam, poznat kao korozija izazvana mikrobima (MIC), poznato je da uništava cijevi od nehrđajućeg čelika i druge metale u roku od nekoliko tjedana. Ako se izmjenjivač topline ne može isprazniti, treba ozbiljno razmisliti o povremenom cirkuliranju vode kroz izmjenjivač topline i dodavanju biocida tijekom procesa. (Za više pojedinosti o pravilnim postupcima postavljanja, pogledajte D. Janikowski, "Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations"; održano 4. lipnja- 6., 2019. u Champaignu, IL Predstavljeno na 39. simpoziju o kemiji elektroprivrede.)
Za oštra okruženja koja su gore istaknuta, kao i za oštrija okruženja kao što je slana voda ili morska voda, mogu se koristiti alternativni metali za zaštitu od nečistoća. Tri grupe legura su se pokazale uspješnim, komercijalno čisti titan, 6% molibden austenitni nehrđajući čelik i superferitni nehrđajući čelik. Ove legure također su otporne na MIC. Iako se titan smatra vrlo otpornim na koroziju, heksagonalna tijesno zbijena kristalna struktura i iznimno nizak modul elastičnosti čine ga osjetljivim na mehanička oštećenja. Ova legura je najprikladnija za nove instalacije sa snažnim cijevnim potpornim strukturama. Izvrsna alternativa je super feritni Sea-Cure® od nehrđajućeg čelika. Sastav ovog materijala prikazan je u nastavku.
Čelik ima visok udio kroma, ali nizak udio nikla, tako da je feritni nehrđajući čelik, a ne austenitni nehrđajući čelik. Zbog niskog udjela nikla, košta mnogo manje od ostalih legura. Visoka čvrstoća i modul elastičnosti Sea-Curea omogućuju tanje stijenke od drugih materijala, što rezultira poboljšanim prijenosom topline.
Poboljšana svojstva ovih metala prikazana su na dijagramu "Ekvivalentni broj otpornosti na rupičastu koroziju", koji je, kao što naziv sugerira, postupak ispitivanja koji se koristi za određivanje otpornosti različitih metala na rupičastu koroziju.
Jedno od najčešćih pitanja je "Koji je najveći sadržaj klorida koji određena vrsta nehrđajućeg čelika može tolerirati?"Odgovori se uvelike razlikuju. Čimbenici uključuju pH, temperaturu, prisutnost i vrstu lomova te potencijal za aktivne biološke vrste. Alat je dodan na desnu os slike 5 kako bi pomogao u ovoj odluci. Temelji se na neutralnom pH, 35°C tekućoj vodi koja se obično nalazi u mnogim BOP i kondenzacijskim primjenama (kako bi se spriječilo stvaranje naslaga i stvaranje pukotina). Nakon što je odabrana legura s određenim kemijskim sastavom, PREn se može odrediti i zatim presjeći s odgovarajuća kosa crta. Preporučena maksimalna razina klorida tada se može odrediti povlačenjem vodoravne crte na desnoj osi. Općenito, ako se legura treba uzeti u obzir za primjenu u slanoj ili morskoj vodi, mora imati CCT iznad 25 stupnjeva Celzijusa izmjereno testom G 48.
Jasno je da su super feritne legure koje predstavlja Sea-Cure® općenito prikladne čak i za primjenu u morskoj vodi. Postoji još jedna prednost ovih materijala koju treba naglasiti. Problemi s korozijom mangana uočeni su za 304 i 316 SS dugi niz godina, uključujući postrojenja uz rijeku Ohio. Nedavno su izmjenjivači topline u postrojenjima duž rijeka Mississippi i Missouri napadnuti. Korozija manganom također je čest problem u bunarima sustavi za nadopunjavanje vode. Mehanizam korozije identificiran je kao mangan dioksid (MnO2) koji reagira s oksidirajućim biocidom kako bi se stvorila klorovodična kiselina ispod naslaga. HCl je ono što stvarno napada metale.[WH Dickinson i RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry";predstavljeno na NACE godišnjoj konferenciji o koroziji 2002., Denver, CO.] Feritni čelici su otporni na ovaj mehanizam korozije.
Odabir materijala višeg stupnja za kondenzatore i cijevi izmjenjivača topline još uvijek nije zamjena za pravilnu kontrolu kemije obrade vode. Kao što je autor Buecker istaknuo u prethodnom članku o elektroenergetici, nužan je ispravno dizajniran i upravljan programom kemijske obrade kako bi se smanjila mogućnost stvaranja kamenca, korozije i obraštanja. Kemija polimera pojavljuje se kao moćna alternativa starijoj kemiji fosfata/fosfonata za kontrolu korozije i naslaga kamenca. u sustavima rashladnih tornjeva. Kontrola kontaminacije mikrobima bila je i bit će kritično pitanje. Dok je oksidativna kemija s klorom, izbjeljivačem ili sličnim spojevima kamen temeljac kontrole mikroba, dopunski tretmani često mogu poboljšati učinkovitost programa tretmana. Jedan takav primjer je stabilizacijska kemija, koja pomaže povećati brzinu otpuštanja i učinkovitost oksidirajućih biocida na bazi klora bez unošenja štetnih spojeva u vodu. , dopunska hrana s neoksidirajućim fungicidima može biti vrlo korisna u kontroli razvoja mikroba. Rezultat toga je da postoji mnogo načina za poboljšanje održivosti i pouzdanosti izmjenjivača topline u elektranama, ali svaki je sustav drugačiji, stoga su pažljivo planiranje i konzultacije sa stručnjacima iz industrije važni za izbor materijala i kemijskih postupaka. Veći dio ovog članka napisan je iz perspektive obrade vode, nismo uključeni u materijalne odluke, ali smo zamoljeni da jednom pomognemo upravljati utjecajem tih odluka oprema je spremna i radi. Konačnu odluku o odabiru materijala mora donijeti osoblje postrojenja na temelju niza čimbenika navedenih za svaku primjenu.
O autoru: Brad Buecker je viši tehnički publicist u ChemTreatu. Ima 36 godina iskustva u energetskoj industriji ili je povezan s njom, većinom u kemiji proizvodnje pare, obradi vode, kontroli kvalitete zraka iu City Water, Light & Power (Springfield, IL), a tvrtka Kansas City Power & Light Company nalazi se na stanici La Cygne u Kansasu. Također je proveo dvije godine kao vršitelj dužnosti nadzornika vode/otpadnih voda u kemijskoj tvrtki biljka. Buecker je diplomirao kemiju na državnom sveučilištu Iowa s dodatnim radom na tečaju iz mehanike fluida, ravnoteže energije i materijala i napredne anorganske kemije.
Dan Janikowski je tehnički direktor u Plymouth Tubeu. Već 35 godina sudjeluje u razvoju metala, proizvodnji i testiranju cjevastih proizvoda uključujući legure bakra, nehrđajućeg čelika, legure nikla, titana i ugljičnog čelika. Budući da je u Plymouth Metrou od 2005., Janikowski je bio na raznim višim položajima prije nego što je 2010. postao tehnički direktor.