Autorzy wielokrotnie przeglądali nowe specyfikacje projektów energetycznych, w których projektanci instalacji zwykle wybierają stal nierdzewną 304 lub 316 na rury skraplacza i pomocniczych wymienników ciepła. Dla wielu termin stal nierdzewna wywołuje aurę niepokonanej korozji, podczas gdy w rzeczywistości stal nierdzewna może być czasem najgorszym wyborem, ponieważ jest podatna na miejscową korozję. w powiększeniu. W niektórych zastosowaniach stal nierdzewna serii 300 przetrwa tylko miesiące, a czasem tylko tygodnie, zanim ulegnie awarii. W tym artykule skupiono się przynajmniej na kwestiach, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiałów na rury skraplacza z perspektywy uzdatniania wody. Inne czynniki nie omówione w tym artykule, ale odgrywające rolę w doborze materiału, obejmują wytrzymałość materiału, właściwości przenoszenia ciepła i odporność na siły mechaniczne, w tym zmęczenie i korozję erozyjną.
Dodanie 12% lub więcej chromu do stali powoduje, że stop tworzy ciągłą warstwę tlenku, która chroni metal nieszlachetny pod spodem. Stąd termin stal nierdzewna. W przypadku braku innych materiałów stopowych (zwłaszcza niklu) stal węglowa należy do grupy ferrytów, a jej komórka elementarna ma strukturę sześcienną skupioną na ciele (BCC).
Gdy nikiel zostanie dodany do mieszanki stopowej w stężeniu 8% lub wyższym, nawet w temperaturze otoczenia, ogniwo będzie istniało w strukturze sześciennej centrowanej na twarz (FCC) zwanej austenitem.
Jak pokazano w Tabeli 1, stale nierdzewne serii 300 i inne stale nierdzewne mają zawartość niklu, która tworzy strukturę austenityczną.
Stale austenityczne okazały się bardzo cenne w wielu zastosowaniach, w tym jako materiał na wysokotemperaturowe rury przegrzewaczy i przegrzewaczy w kotłach energetycznych. W szczególności seria 300 jest często używana jako materiał na rury niskotemperaturowych wymienników ciepła, w tym skraplaczy powierzchniowych pary. Jednak to właśnie w tych zastosowaniach wiele osób pomija potencjalne mechanizmy awarii.
Główna trudność związana ze stalą nierdzewną, zwłaszcza popularnymi materiałami 304 i 316, polega na tym, że ochronna warstwa tlenku jest często niszczona przez zanieczyszczenia w wodzie chłodzącej oraz szczeliny i osady, które pomagają gromadzić zanieczyszczenia. Ponadto w warunkach przestoju stojąca woda może prowadzić do rozwoju mikroorganizmów, których metaboliczne produkty uboczne mogą być bardzo szkodliwe dla metali.
Powszechnym zanieczyszczeniem wody chłodzącej i jednym z najtrudniejszych do usunięcia z ekonomicznego punktu widzenia jest chlorek. Ten jon może powodować wiele problemów w wytwornicach pary, ale w skraplaczach i pomocniczych wymiennikach ciepła główną trudnością jest to, że chlorki w wystarczających stężeniach mogą penetrować i niszczyć ochronną warstwę tlenku na stali nierdzewnej, powodując miejscową korozję, tj. wżery.
Wżery są jedną z najbardziej podstępnych form korozji, ponieważ mogą powodować penetrację ścian i awarie sprzętu przy niewielkich stratach metalu.
Stężenia chlorków nie muszą być bardzo wysokie, aby spowodować korozję wżerową stali nierdzewnej 304 i 316, a dla czystych powierzchni bez osadów i szczelin, obecnie uważa się, że zalecane maksymalne stężenia chlorków wynoszą:
Kilka czynników może z łatwością wytworzyć stężenia chlorków przekraczające te wytyczne, zarówno ogólnie, jak i lokalnie. Bardzo rzadko rozważa się w pierwszej kolejności chłodzenie z jednorazowym przepływem w nowych elektrowniach. Większość z nich jest zbudowana z wież chłodniczych lub w niektórych przypadkach ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem (ACC). W przypadku wież chłodniczych stężenie zanieczyszczeń w kosmetykach może „wzrastać”. woda wynosi 250 mg/l. Samo to powinno generalnie wykluczyć 304 SS. Ponadto w nowych i istniejących zakładach istnieje coraz większa potrzeba wymiany świeżej wody w celu doładowania instalacji. Powszechną alternatywą są ścieki komunalne. Tabela 2 porównuje analizę czterech źródeł słodkiej wody z czterema źródłami ścieków.
Uważaj na podwyższone poziomy chlorków (i innych zanieczyszczeń, takich jak azot i fosfor, które mogą znacznie zwiększyć skażenie mikrobiologiczne w systemach chłodzenia). Zasadniczo w przypadku całej szarej wody jakakolwiek cyrkulacja w wieży chłodniczej przekroczy limit chlorków zalecany przez 316 SS.
Powyższe omówienie opiera się na potencjale korozyjnym typowych powierzchni metalowych. Pęknięcia i osady radykalnie zmieniają sytuację, ponieważ oba stanowią miejsca, w których mogą gromadzić się zanieczyszczenia. Typowym miejscem pęknięć mechanicznych w skraplaczach i podobnych wymiennikach ciepła są połączenia blach rura-rura. Osad w rurze może powodować pęknięcia na granicy osadu, a sam osad może służyć jako miejsce zanieczyszczenia. Ponadto, ponieważ stal nierdzewna jest chroniona przez ciągłą warstwę tlenków, osady mogą tworzyć się miejsca ubogie w tlen, które zamieniają pozostałą powierzchnię stali w anodę.
W powyższym omówieniu przedstawiono kwestie, których projektanci instalacji zwykle nie biorą pod uwagę przy określaniu materiałów rur skraplacza i pomocniczych wymienników ciepła do nowych projektów. Mentalność dotycząca modeli 304 i 316 SS czasami nadal wydaje się być taka, że ​​„zawsze tak robiliśmy”, bez uwzględnienia konsekwencji takich działań. Dostępne są alternatywne materiały, które radzą sobie z trudniejszymi warunkami wody chłodzącej, z którymi boryka się obecnie wiele zakładów.
Zanim omówimy metale alternatywne, należy krótko wspomnieć o innej kwestii. W wielu przypadkach 316 SS, a nawet 304 SS działały dobrze podczas normalnej pracy, ale zawodziły podczas przerwy w dostawie prądu. W większości przypadków awaria jest spowodowana złym odwodnieniem skraplacza lub wymiennika ciepła, powodującym zastój wody w rurach. Środowisko to zapewnia idealne warunki do rozwoju mikroorganizmów.
Wiadomo, że ten mechanizm, znany jako korozja wywołana drobnoustrojami (MIC), niszczy rury ze stali nierdzewnej i inne metale w ciągu kilku tygodni. Jeśli wymiennika ciepła nie można opróżnić, należy poważnie rozważyć okresową cyrkulację wody przez wymiennik ciepła i dodanie biocydu podczas procesu. na 39. Sympozjum Chemii Elektrycznej).
W trudnych środowiskach opisanych powyżej, a także w trudniejszych środowiskach, takich jak woda słonawa lub woda morska, można stosować metale alternatywne do ochrony przed zanieczyszczeniami. Trzy grupy stopów sprawdziły się jako komercyjnie czysty tytan, austenityczna stal nierdzewna z 6% molibdenem i superferrytyczna stal nierdzewna. Stopy te są również odporne na MIC. Chociaż tytan jest uważany za bardzo odporny na korozję, jego sześciokątna, gęsto upakowana struktura krystaliczna i wyjątkowo niski moduł sprężystości sprawiają, że jest podatny na uszkodzenia mechaniczne. Ten stop najlepiej nadaje się do nowych instalacji z mocnymi konstrukcjami wsporczymi rur.Doskonałą alternatywą jest superferrytyczna stal nierdzewna Sea-Cure®.Skład tego materiału pokazano poniżej.
Stal ma wysoką zawartość chromu, ale niską zawartość niklu, więc jest to raczej ferrytyczna stal nierdzewna niż austenityczna stal nierdzewna. Ze względu na niską zawartość niklu kosztuje znacznie mniej niż inne stopy. Wysoka wytrzymałość i moduł sprężystości Sea-Cure pozwalają na cieńsze ściany niż inne materiały, co skutkuje lepszym przenoszeniem ciepła.
Ulepszone właściwości tych metali są pokazane na wykresie „Pitting Resistance Equivalent Number”, który, jak sama nazwa wskazuje, jest procedurą testową używaną do określenia odporności różnych metali na korozję wżerową.
Jedno z najczęstszych pytań brzmi: „Jaka jest maksymalna zawartość chlorków, jaką może tolerować dany gatunek stali nierdzewnej?”Odpowiedzi są bardzo zróżnicowane. Czynniki obejmują pH, temperaturę, obecność i rodzaj pęknięć oraz potencjał aktywnych gatunków biologicznych. Narzędzie zostało dodane na prawej osi rysunku 5, aby pomóc w podjęciu decyzji. Oparte jest na neutralnym pH, 35°C płynącej wody powszechnie spotykanej w wielu zastosowaniach BOP i kondensacji (aby zapobiec tworzeniu się osadów i pęknięć). Po wybraniu stopu o określonym składzie chemicznym można określić PREn, a następnie przeciąć odpowiednią kreską. Następnie można określić zalecany maksymalny poziom chlorków rysując poziomą linię na prawej osi. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli stop ma być brany pod uwagę do zastosowań w wodzie słonawej lub morskiej, musi on mieć CCT powyżej 25 stopni Celsjusza, mierzony w teście G 48.
Oczywiste jest, że superferrytyczne stopy reprezentowane przez Sea-Cure® nadają się na ogół do zastosowań nawet w wodzie morskiej. Należy podkreślić jeszcze jedną zaletę tych materiałów. Problemy z korozją manganową obserwowano w przypadku 304 i 316 SS od wielu lat, w tym w zakładach położonych wzdłuż rzeki Ohio. Ostatnio zaatakowane zostały wymienniki ciepła w zakładach położonych wzdłuż rzek Mississippi i Missouri. Korozja manganowa jest również częstym problemem w systemach uzupełniania wody studziennej. Mechanizm korozji został zidentyfikowany jako dwutlenek manganu (MnO2) reagujący z utleniającym biocydem w celu wytworzenia kwasu solnego pod osadem. HCl jest tym, co naprawdę atakuje metale. [WH Dickinson i RW Pick, „Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry”;zaprezentowane na Dorocznej Konferencji NACE 2002 poświęconej korozji, Denver, CO.] Stale ferrytyczne są odporne na ten mechanizm korozji.
Wybór materiałów wyższej jakości na rury skraplacza i wymiennika ciepła nadal nie zastąpi właściwej kontroli chemii uzdatniania wody. Jak autor Buecker nakreślił w poprzednim artykule dotyczącym energetyki, odpowiednio zaprojektowany i obsługiwany program obróbki chemicznej jest niezbędny, aby zminimalizować ryzyko osadzania się kamienia, korozji i zanieczyszczenia. Chemia polimerów staje się potężną alternatywą dla starszej chemii fosforanów / fosfonianów w celu kontrolowania korozji i osadzania się kamienia w systemach wież chłodniczych. Kontrolowanie zanieczyszczenia mikrobiologicznego było i nadal będzie kwestią krytyczną. Podczas gdy chemia utleniająca z chlorem Jednym z takich przykładów jest chemia stabilizująca, która pomaga zwiększyć szybkość uwalniania i skuteczność biocydów utleniających na bazie chloru bez wprowadzania do wody żadnych szkodliwych związków. Ponadto, suplementacja nieutleniającymi fungicydami może być bardzo korzystna w kontrolowaniu rozwoju drobnoustrojów. W rezultacie istnieje wiele sposobów na poprawę trwałości i niezawodności wymienników ciepła elektrowni, ale każdy system jest inny, dlatego staranne planowanie a konsultacje z ekspertami branżowymi są ważne przy wyborze materiałów i procedur chemicznych. Większość tego artykułu jest napisana z perspektywy uzdatniania wody, nie jesteśmy zaangażowani w podejmowanie decyzji dotyczących materiałów, ale jesteśmy proszeni o pomoc w zarządzaniu wpływem tych decyzji po uruchomieniu sprzętu. Ostateczna decyzja dotycząca wyboru materiału musi zostać podjęta przez personel zakładu na podstawie szeregu czynników określonych dla każdego zastosowania.
O autorze: Brad Buecker jest starszym publicystą technicznym w ChemTreat. Ma 36 lat doświadczenia w branży energetycznej lub jest z nią związany, w większości w chemii wytwarzania pary, uzdatnianiu wody, kontroli jakości powietrza oraz w City Water, Light & Power (Springfield, IL) i Kansas City Power & Light Company z siedzibą w La Cygne Station w Kansas. Spędził także dwa lata jako kierownik ds. wody/ścieków w zakładzie chemicznym. Buecker posiada tytuł licencjata z chemii z Iowa State University z dodatkowymi zajęciami z mechaniki płynów, równowagi energii i materiałów oraz zaawansowanej chemii nieorganicznej.
Dan Janikowski jest kierownikiem technicznym w Plymouth Tube. Od 35 lat zajmuje się rozwojem metali, produkcją i testowaniem produktów rurowych, w tym stopów miedzi, stali nierdzewnej, stopów niklu, tytanu i stali węglowej. Janikowski pracował w Plymouth Metro od 2005 roku, zanim został kierownikiem technicznym w 2010 roku.