De POWERGEN International Call for Content is nu open! We zijn op zoek naar sprekers uit de nuts- en energieopwekkingsindustrie. Onderwerpen zijn onder meer conventionele en hernieuwbare energieopwekking, digitale transformatie van energiecentrales, energieopslag, microgrids, plantoptimalisatie, on-site power en meer.
De auteurs hebben keer op keer nieuwe specificaties van energieprojecten bekeken, waarbij fabrieksontwerpers doorgaans kiezen voor roestvrij staal 304 of 316 voor condensor- en hulpwarmtewisselaarbuizen. Voor velen roept de term roestvrij staal een aura van onoverwinnelijke corrosie op, terwijl in feite roestvrij staal soms de slechtste keuze kan zijn omdat ze gevoelig zijn voor plaatselijke corrosie. In sommige toepassingen overleeft roestvrij staal uit de 300-serie slechts maanden, soms slechts weken, voordat het defect raakt. Dit artikel concentreert zich in ieder geval op de kwesties waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van materialen voor condensorbuizen vanuit het oogpunt van waterbehandeling.
Door 12% of meer chroom aan staal toe te voegen, vormt de legering een continue oxidelaag die het basismetaal eronder beschermt. Vandaar de term roestvrij staal. Bij afwezigheid van andere legeringsmaterialen (vooral nikkel), maakt koolstofstaal deel uit van de ferrietgroep en heeft de eenheidscel een lichaamsgecentreerde kubische (BCC) structuur.
Wanneer nikkel aan het legeringsmengsel wordt toegevoegd in een concentratie van 8% of hoger, zelfs bij omgevingstemperatuur, zal de cel bestaan ​​in een vlakgecentreerde kubische (FCC) structuur die austeniet wordt genoemd.
Zoals weergegeven in tabel 1, hebben roestvast staal uit de 300-serie en ander roestvast staal een nikkelgehalte dat een austenitische structuur produceert.
Austenitisch staal is in veel toepassingen zeer waardevol gebleken, onder meer als materiaal voor hogetemperatuur-oververhitter- en naverwarmerbuizen in krachtige ketels. Vooral de 300-serie wordt vaak gebruikt als materiaal voor lagetemperatuurwarmtewisselaarbuizen, inclusief stoomoppervlakcondensors. Het is echter in deze toepassingen dat velen potentiële faalmechanismen over het hoofd zien.
De grootste moeilijkheid met roestvrij staal, met name de populaire 304- en 316-materialen, is dat de beschermende oxidelaag vaak wordt vernietigd door onzuiverheden in het koelwater en door spleten en afzettingen die onzuiverheden helpen concentreren. Bovendien kan stilstaand water bij stilstand leiden tot microbiële groei, waarvan de metabolische bijproducten zeer schadelijk kunnen zijn voor metalen.
Een veelvoorkomende onzuiverheid in koelwater, en een van de moeilijkst economisch te verwijderen, is chloride. Dit ion kan veel problemen veroorzaken in stoomgeneratoren, maar in condensors en hulpwarmtewisselaars is de grootste moeilijkheid dat chloriden in voldoende concentraties kunnen doordringen en de beschermende oxidelaag op roestvrij staal vernietigen, waardoor plaatselijke corrosie, dwz putjes, ontstaat.
Putcorrosie is een van de meest verraderlijke vormen van corrosie, omdat het muurdoorboringen en defecten aan apparatuur kan veroorzaken met weinig metaalverlies.
Chlorideconcentraties hoeven niet erg hoog te zijn om putcorrosie te veroorzaken in 304 en 316 roestvrij staal, en voor schone oppervlakken zonder afzettingen of spleten worden nu de aanbevolen maximale chlorideconcentraties beschouwd als:
Verschillende factoren kunnen gemakkelijk leiden tot chlorideconcentraties die deze richtlijnen overschrijden, zowel in het algemeen als op lokale locaties. Het is zeer zeldzaam geworden om eerst eenmalige koeling te overwegen voor nieuwe energiecentrales. De meeste zijn gebouwd met koeltorens, of in sommige gevallen luchtgekoelde condensors (ACC). Voor degenen met koeltorens kan de concentratie van onzuiverheden in cosmetica "omhooggaan". water is 250 mg/l. Dit alleen al zou 304 SS in het algemeen moeten uitsluiten. Bovendien is er in nieuwe en bestaande installaties een toenemende behoefte om zoet water te vervangen om de plant weer aan te vullen. Een veelgebruikt alternatief is gemeentelijk afvalwater. Tabel 2 vergelijkt de analyse van de vier zoetwatervoorraden met de vier afvalwatervoorraden.
Pas op voor verhoogde chloridegehalten (en andere onzuiverheden, zoals stikstof en fosfor, die de microbiële besmetting in koelsystemen sterk kunnen verhogen). Voor vrijwel al het grijze water zal elke circulatie in de koeltoren de chloridelimiet overschrijden die wordt aanbevolen door 316 SS.
De voorgaande bespreking is gebaseerd op het corrosiepotentieel van gewone metalen oppervlakken. Breuken en sedimenten veranderen het verhaal ingrijpend, omdat beide plaatsen bieden waar onzuiverheden zich kunnen concentreren. Een typische locatie voor mechanische scheuren in condensors en soortgelijke warmtewisselaars is bij buis-naar-buis plaatverbindingen. Sediment in de buis kan scheuren veroorzaken bij de sedimentgrens en het sediment zelf kan dienen als een plaats voor verontreiniging. Bovendien, omdat roestvrij staal afhankelijk is van een continue oxidelaag voor bescherming, kunnen de afzettingen zuurstofarme plekken vormen die draaien het resterende staaloppervlak in een anode.
De bovenstaande bespreking schetst kwesties waar fabrieksontwerpers doorgaans geen rekening mee houden bij het specificeren van condensor- en hulpwarmtewisselaarbuismaterialen voor nieuwe projecten. De mentaliteit met betrekking tot de 304 en 316 SS lijkt soms nog steeds "dat is wat we altijd hebben gedaan", zonder rekening te houden met de gevolgen van dergelijke acties. Er zijn alternatieve materialen beschikbaar om de zwaardere koelwateromstandigheden aan te kunnen waarmee veel fabrieken nu worden geconfronteerd.
Alvorens alternatieve metalen te bespreken, moet nog een ander punt kort worden vermeld. In veel gevallen presteerde een 316 SS of zelfs een 304 SS goed tijdens normaal gebruik, maar faalde tijdens een stroomstoring. In de meeste gevallen is de storing te wijten aan slechte afvoer van de condensor of warmtewisselaar waardoor stilstaand water in de buizen ontstaat. Deze omgeving biedt ideale omstandigheden voor de groei van micro-organismen. Microbiële kolonies produceren op hun beurt corrosieve verbindingen die het buisvormige metaal direct aantasten.
Dit mechanisme, bekend als microbieel geïnduceerde corrosie (MIC), staat erom bekend roestvrijstalen buizen en andere metalen binnen enkele weken te vernietigen. Als de warmtewisselaar niet kan worden leeggemaakt, moet serieus worden overwogen om periodiek water door de warmtewisselaar te laten circuleren en tijdens het proces biocide toe te voegen. 9e Electric Utility Chemistry Symposium.)
Voor de hierboven beschreven ruwe omgevingen, maar ook voor ruwere omgevingen zoals brak water of zeewater, kunnen alternatieve metalen worden gebruikt om onzuiverheden af ​​te weren. Drie legeringsgroepen hebben bewezen succesvol te zijn, commercieel zuiver titanium, 6% molybdeen austenitisch roestvrij staal en superferritisch roestvrij staal. Deze legeringen zijn ook MIC-bestendig. nieuwe installaties met sterke buisdraagconstructies. Een uitstekend alternatief is het super ferritische roestvast staal Sea-Cure®. De samenstelling van dit materiaal is hieronder weergegeven.
Het staal bevat veel chroom maar weinig nikkel, dus het is een ferritisch roestvrij staal in plaats van een austenitisch roestvrij staal. Vanwege het lage nikkelgehalte kost het veel minder dan andere legeringen. De hoge sterkte en elastische modulus van Sea-Cure maken dunnere wanden mogelijk dan andere materialen, wat resulteert in een betere warmteoverdracht.
De verbeterde eigenschappen van deze metalen worden getoond op de "Pitting Resistance Equivalent Number"-grafiek, wat, zoals de naam al doet vermoeden, een testprocedure is die wordt gebruikt om de weerstand van verschillende metalen tegen putcorrosie te bepalen.
Een van de meest gestelde vragen is: "Wat is het maximale chloridegehalte dat een bepaalde kwaliteit roestvrij staal kan verdragen?"De antwoorden lopen sterk uiteen. Factoren zijn onder meer pH, temperatuur, aanwezigheid en type breuken, en het potentieel voor actieve biologische soorten. Op de rechteras van figuur 5 is een tool toegevoegd om te helpen bij deze beslissing. Het is gebaseerd op neutrale pH, 35 ° C stromend water dat vaak wordt aangetroffen in veel BOP- en condensatietoepassingen (om afzetting en scheurvorming te voorkomen). Zodra een legering met een specifieke chemische samenstelling is geselecteerd, kan PREn worden bepaald en vervolgens worden doorsneden met de juiste schuine streep. een horizontale lijn op de rechteras trekken. Als een legering in aanmerking komt voor toepassingen in brak of zeewater, moet deze in het algemeen een CCT van meer dan 25 graden Celsius hebben, zoals gemeten door de G 48-test.
Het is duidelijk dat de superferritische legeringen van Sea-Cure® over het algemeen geschikt zijn voor zelfs zeewatertoepassingen. Er is nog een ander voordeel van deze materialen dat moet worden benadrukt. Mangaancorrosieproblemen zijn jarenlang waargenomen voor 304 en 316 SS, ook in fabrieken langs de rivier de Ohio. Onlangs zijn warmtewisselaars in fabrieken langs de rivieren Mississippi en Missouri aangevallen. O2) reageert met een oxiderende biocide om zoutzuur onder de afzetting te genereren. HCl tast metalen echt aan. [WH Dickinson en RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry";gepresenteerd op de 2002 NACE Annual Corrosion Conference, Denver, CO.] Ferritisch staal is bestand tegen dit corrosiemechanisme.
Het selecteren van hoogwaardige materialen voor condensor- en warmtewisselaarbuizen is nog steeds geen vervanging voor een goede regeling van de chemie van de waterbehandeling. Zoals auteur Buecker in een eerder artikel over energietechniek heeft geschetst, is een goed ontworpen en uitgevoerd chemisch behandelingsprogramma nodig om de kans op aanslag, corrosie en vervuiling te minimaliseren. Polymeerchemie komt naar voren als een krachtig alternatief voor oudere fosfaat/fosfonaatchemie om corrosie en aanslag in koeltorensystemen te beheersen. chemie met chloor, bleekmiddel of vergelijkbare verbindingen is de hoeksteen van microbiële controle, aanvullende behandelingen kunnen vaak de efficiëntie van behandelingsprogramma's verbeteren. Een voorbeeld hiervan is stabilisatiechemie, die helpt de afgiftesnelheid en efficiëntie van op chloor gebaseerde oxiderende biociden te verhogen zonder schadelijke verbindingen in het water te introduceren. Bovendien kan aanvullende voeding met niet-oxiderende fungiciden zeer nuttig zijn bij het beheersen van de microbiële ontwikkeling. Het resultaat is dat er veel manieren zijn om de duurzaamheid en betrouwbaarheid van warmtewisselaars in energiecentrales te verbeteren, maar elk systeem is anders, dus zorgvuldige planning en overleg met experts uit de industrie is belangrijk voor de keuze van materialen en chemische procedures. Een groot deel van dit artikel is geschreven vanuit het perspectief van waterbehandeling, we zijn niet betrokken bij materiële beslissingen, maar we worden gevraagd om de impact van die beslissingen te helpen beheersen zodra de apparatuur in gebruik is. De uiteindelijke beslissing over de materiaalkeuze moet worden genomen door fabriekspersoneel op basis van een aantal factoren die voor elke toepassing worden gespecificeerd.
Over de auteur: Brad Buecker is Senior Technical Publicist bij ChemTreat. Hij heeft 36 jaar ervaring in of is verbonden aan de energie-industrie, waarvan een groot deel in de chemie van stoomopwekking, waterbehandeling, luchtkwaliteitscontrole en bij City Water, Light & Power (Springfield, IL) en Kansas City Power & Light Company is gevestigd in La Cygne Station, Kansas. Hij was ook twee jaar waarnemend supervisor water/afvalwater bij een chemische fabriek. aanvullend cursuswerk in Fluid Mechanics, Energy and Materials Equilibrium en Advanced Anorganic Chemistry.
Dan Janikowski is technisch manager bij Plymouth Tube. Al 35 jaar is hij betrokken bij de ontwikkeling van metalen, de productie en het testen van buisvormige producten, waaronder koperlegeringen, roestvrij staal, nikkellegeringen, titanium en koolstofstaal. Janikowski werkt sinds 2005 bij Plymouth Metro en bekleedde verschillende seniorfuncties voordat hij in 2010 technisch manager werd.