著者らは、新しい電力プロジェクトの仕様を何度もレビューしており、プラントの設計者は通常、凝縮器や補助熱交換器の配管に 304 または 316 ステンレス鋼を選択しています。多くの人にとって、ステンレス鋼という用語は無敵の腐食のオーラを連想させますが、実際には、ステンレス鋼は局所的な腐食を受けやすいため、最悪の選択になる場合があります。そして、高濃度サイクルで動作する冷却塔と相まって、冷却水補給用の淡水の利用可能性が減少しているこの時代では、潜在的なステンレス鋼の破損メカニズムは拡大されます。一部の用途では、300 シリーズ ステンレス鋼は破損するまで数か月、場合によっては数週間しか存続しません。この記事では、少なくとも水処理の観点から復水器チューブの材料を選択する際に考慮すべき問題に焦点を当てています。この論文では説明されていませんが、材料の選択に役割を果たすその他の要素には、材料の強度、伝熱特性、および疲労やエロージョンコロージョンを含む機械的力に対する耐性が含まれます。
鋼に 12% 以上のクロムを添加すると、合金はその下の母材を保護する連続酸化物層を形成します。このため、ステンレス鋼という用語が使われます。他の合金材料 (特にニッケル) が存在しない場合、炭素鋼はフェライト グループの一部であり、その単位格子は体心立方 (BCC) 構造を持ちます。
ニッケルを合金混合物に 8% 以上の濃度で添加すると、セルは周囲温度でもオーステナイトと呼ばれる面心立方晶 (FCC) 構造で存在します。
表 1 に示すように、300 シリーズ ステンレス鋼およびその他のステンレス鋼には、オーステナイト組織を生成するニッケル含有量が含まれています。
オーステナイト鋼は、発電ボイラーの高温過熱器および再熱器管の材料としてなど、多くの用途で非常に価値があることが証明されています。特に 300 シリーズは、蒸気表面凝縮器などの低温熱交換器管の材料としてよく使用されます。しかし、これらの用途では、多くの人が潜在的な故障メカニズムを見落としています。
ステンレス鋼、特に一般的な 304 および 316 材料の主な問題は、保護酸化層が冷却水中の不純物や、不純物の濃縮に役立つ隙間や堆積物によって破壊されることが多いことです。さらに、停止条件下では滞留水によって微生物が増殖し、その代謝副産物が金属に大きなダメージを与える可能性があります。
一般的な冷却水の不純物であり、経済的に除去するのが最も難しいものの 1 つは塩化物です。このイオンは蒸気発生器で多くの問題を引き起こす可能性がありますが、凝縮器や補助熱交換器では、主な問題は、十分な濃度の塩化物がステンレス鋼の保護酸化層に浸透して破壊し、局所的な腐食、つまり孔食を引き起こす可能性があることです。
孔食は、金属の損失がほとんどなく壁の貫通や機器の故障を引き起こす可能性があるため、最も危険な形態の腐食の 1 つです。
304 および 316 ステンレス鋼で孔食を引き起こすために塩化物濃度が非常に高い必要はありません。堆積物や亀裂のないきれいな表面の場合、推奨される最大塩化物濃度は現在次のように考えられます。
いくつかの要因により、一般的および局所的な場所の両方で、これらのガイドラインを超える塩化物濃度が簡単に発生する可能性があります。新しい発電所で最初に貫流冷却を検討することは非常にまれになっています。ほとんどは冷却塔、または場合によっては空冷コンデンサー (ACC) を使用して建設されます。冷却塔を備えたものでは、化粧品中の不純物濃度が「サイクルアップ」する可能性があります。たとえば、補給水の塩化物濃度が 50 mg/l のカラムは 5 つの濃度サイクルで動作し、循環水の塩化物含有量は水は 250 mg/l です。これだけでも、一般に 304 SS は除外されます。さらに、新規および既存のプラントでは、プラントの再充電のために真水を置き換える必要性が高まっています。一般的な代替手段は都市廃水です。表 2 は、4 つの淡水供給と 4 つの廃水供給の分析を比較しています。
塩化物レベルの上昇に注意してください（また、冷却システム内の微生物汚染を大幅に増加させる可能性がある窒素やリンなどの他の不純物も含みます）。基本的にすべての雑排水の場合、冷却塔内の循環は 316 SS が推奨する塩化物制限を超えます。
前述の説明は、一般的な金属表面の腐食の可能性に基づいています。亀裂と堆積物はどちらも不純物が集中する場所を提供するため、話が劇的に変わります。コンデンサーや類似の熱交換器の機械的亀裂の典型的な場所は、管と管のシートの接合部です。管内の堆積物により堆積物の境界に亀裂が生じる可能性があり、堆積物自体が汚染の場所となる可能性があります。さらに、ステンレス鋼は保護のために連続酸化層に依存しているため、堆積物は酸素の乏しい部位を形成し、残りの鋼表面を陽極に変える可能性があります。
上記の議論は、プラント設計者が新しいプロジェクトの凝縮器および補助熱交換器チューブの材料を指定する際に通常は考慮しない問題の概要を示しています。304 および 316 SS に関する考え方は、そのような行動の結果を考慮せずに、依然として「それが私たちがいつもやってきたことである」ように見えることがあります。多くのプラントが現在直面している、より過酷な冷却水条件に対処するために代替材料が利用可能です。
代替金属について議論する前に、もう 1 つの点を簡単に述べておく必要があります。多くの場合、316 SS または 304 SS は、通常の動作時には良好に機能しましたが、停電時には故障しました。ほとんどの場合、故障の原因は、凝縮器または熱交換器の排水不良がチューブ内に水の滞留を引き起こすことによるものです。この環境は、微生物の増殖に理想的な条件を提供します。微生物のコロニーは、チューブ状の金属を直接腐食する腐食性化合物を生成します。
微生物誘発腐食 (MIC) として知られるこのメカニズムは、数週間以内にステンレス鋼パイプやその他の金属を破壊することが知られています。熱交換器から水を排出できない場合は、熱交換器に水を定期的に循環させ、プロセス中に殺生物剤を添加することを真剣に検討する必要があります。(適切なレイアップ手順の詳細については、D. Janikowski の「コンデンサーと BOP 交換器のレイヤー化 – 考慮事項」を参照してください。2019 年 6 月 4 ～ 6 日にチャムで開催)イリノイ州ペーン、第 39 回電気事業化学シンポジウムで発表。)
上記で強調した過酷な環境だけでなく、汽水や海水などのより過酷な環境でも、不純物を防ぐために代替金属を使用できます。商用純チタン、6% モリブデン オーステナイト系ステンレス鋼、スーパーフェライト系ステンレス鋼の 3 つの合金グループが成功を収めていることが証明されています。これらの合金は、耐 MIC 性もあります。チタンは耐腐食性に優れていると考えられていますが、その六方最密結晶構造と弾性率が非常に低いため、機械的損傷を受けやすくなっています。この合金が最適です。強力なチューブ支持構造を備えた新規設置に適しています。優れた代替品は、スーパーフェライト系ステンレス鋼 Sea-Cure® です。この材料の組成を以下に示します。
この鋼はクロムが多く、ニッケルが少ないため、オーステナイト系ステンレス鋼ではなくフェライト系ステンレス鋼です。ニッケル含有量が低いため、他の合金よりもコストが大幅に低くなります。Sea-Cure の高い強度と弾性率により、他の材料よりも薄い壁が可能になり、結果として熱伝達が向上します。
これらの金属の強化された特性は、「耐孔食相当数」表に示されています。これは、その名前が示すように、さまざまな金属の孔食に対する耐性を決定するために使用される試験手順です。
最も一般的な質問の 1 つは、「特定のグレードのステンレス鋼が許容できる最大塩化物含有量はいくらですか?」です。答えは大きく異なります。要因には、pH、温度、亀裂の有無と種類、活性生物種の可能性が含まれます。この決定を支援するツールが図 5 の右軸に追加されています。これは、多くの BOP および凝縮用途 (堆積物の形成と亀裂の形成を防ぐため) で一般的に見られる中性 pH、35°C の流水に基づいています。特定の化学組成の合金を選択すると、PREn を決定し、適切なスラッシュと交差させることができます。その後、推奨最大塩化物レベルを決定できます。一般に、合金を汽水または海水での用途に使用することを検討する場合、G 48 テストで測定した CCT が 25 ℃を超える必要があります。
Sea-Cure® に代表されるスーパーフェライト合金が一般に海水用途にも適していることは明らかです。これらの材料には強調すべきもう 1 つの利点があります。マンガン腐食の問題は、オハイオ川沿いのプラントを含め、304 および 316 SS で長年観察されてきました。最近、ミシシッピ川およびミズーリ川沿いのプラントの熱交換器が攻撃を受けています。マンガン腐食は、井戸水補給システムでもよく見られる問題です。腐食メカニズムは、二酸化マンガン (MnO2) が酸化性殺生物剤と反応して堆積物の下に塩酸を生成することであると特定されています。実際に金属を攻撃するのは HCl です。[WH Dickinson および RW Pick、「電力産業におけるマンガン依存腐食」;フェライト鋼は、この腐食メカニズムに対して耐性があります。
凝縮器と熱交換器のチューブに高品質の材料を選択することは、依然として適切な水処理化学制御の代替にはなりません。著者の Buecker が以前の電力工学の記事で概説したように、スケーリング、腐食、汚れの可能性を最小限に抑えるには、適切に設計および運用される化学処理プログラムが必要です。ポリマー化学は、冷却塔システムの腐食とスケーリングを制御するための古いリン酸塩/ホスホン酸塩化学の強力な代替品として台頭しています。微生物汚染の制御は、これまでも、そしてこれからも続くでしょう。塩素、漂白剤、または同様の化合物による酸化化学は微生物制御の基礎ですが、補助処理により多くの場合、処理プログラムの効率を向上させることができます。そのような例の 1 つは、水中に有害な化合物を導入することなく、塩素ベースの酸化性殺生物剤の放出速度と効率を高めるのに役立つ安定化化学です。さらに、非酸化殺菌剤による補助飼料は、微生物の発生を制御するのに非常に有益である可能性があります。その結果、発電所の持続可能性と信頼性を向上させる方法は数多くあります。熱交換器は使用できますが、すべてのシステムは異なるため、材料と化学的手順の選択には慎重な計画と業界の専門家との相談が重要です。この記事の多くは水処理の観点から書かれており、私たちは材料の決定には関与していませんが、装置が稼働し始めた後は、それらの決定の影響を管理するのに協力するよう求められています。材料の選択に関する最終的な決定は、用途ごとに指定されたいくつかの要素に基づいてプラント担当者が行う必要があります。
著者について: Brad Buecker は ChemTreat の上級技術広報担当者です。彼は電力業界で 36 年の経験、または電力業界に携わった経験があり、その多くは蒸気発生化学、水処理、大気質管理、および都市水・光・発電 (イリノイ州スプリングフィールド) であり、カンザスシティ・パワー & ライト・カンパニーはカンザス州ラ・シーニュ駅にあります。また、化学工場で水/廃水監督代理として 2 年間勤務しました。 owa州立大学では、流体力学、エネルギーと材料の平衡、先端無機化学の追加コースを受講できます。
Dan Janikowski は、Plymouth Tube の技術マネージャーです。35 年間、金属の開発、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン、炭素鋼などの管状製品の製造とテストに携わってきました。2005 年から Plymouth Metro に勤務し、Janikowski は 2010 年に技術マネージャーに就任するまで、さまざまな上級職を歴任しました。