Авторы снова и снова рассматривали спецификации новых энергетических проектов, в которых проектировщики электростанций обычно выбирают нержавеющую сталь 304 или 316 для трубопроводов конденсатора и вспомогательного теплообменника. Для многих термин «нержавеющая сталь» ассоциируется с аурой непобедимой коррозии, хотя на самом деле нержавеющая сталь иногда может быть худшим выбором, поскольку она подвержена локальной коррозии. В некоторых случаях нержавеющая сталь серии 300 выдерживает только месяцы, а иногда и недели, прежде чем выйти из строя. В этой статье основное внимание уделяется вопросам, которые следует учитывать при выборе материалов для труб конденсатора с точки зрения очистки воды. Другие факторы, не обсуждаемые в этой статье, но играющие роль при выборе материала, включают прочность материала, свойства теплопередачи и устойчивость к механическим воздействиям, включая усталостную и эрозионную коррозию.
Добавление 12% или более хрома в сталь приводит к тому, что сплав образует непрерывный оксидный слой, который защищает основной металл под ним. Отсюда и термин «нержавеющая сталь». В отсутствие других легирующих материалов (особенно никеля) углеродистая сталь является частью группы ферритов, а ее элементарная ячейка имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру.
Когда никель добавляется в смесь сплавов в концентрации 8% или выше, ячейка будет существовать в гранецентрированной кубической (ГЦК) структуре, называемой аустенитом, даже при температуре окружающей среды.
Как показано в Таблице 1, нержавеющие стали серии 300 и другие нержавеющие стали имеют содержание никеля, которое создает аустенитную структуру.
Аустенитные стали оказались очень ценными во многих областях применения, в том числе в качестве материала для высокотемпературных труб пароперегревателя и промежуточного нагревателя в энергетических котлах. В частности, серия 300 часто используется в качестве материала для труб низкотемпературных теплообменников, включая поверхностные конденсаторы пара. Однако именно в этих областях применения многие упускают из виду потенциальные механизмы отказа.
Основная трудность с нержавеющей сталью, особенно с популярными материалами 304 и 316, заключается в том, что защитный оксидный слой часто разрушается примесями в охлаждающей воде, а также трещинами и отложениями, которые помогают концентрировать примеси. Кроме того, в условиях останова стоячая вода может привести к росту микробов, побочные продукты метаболизма которых могут сильно повредить металлы.
Распространенной примесью охлаждающей воды и одной из наиболее трудно поддающихся экономическому удалению примесей является хлорид. Этот ион может вызвать множество проблем в парогенераторах, но в конденсаторах и вспомогательных теплообменниках основная трудность заключается в том, что хлориды в достаточных концентрациях могут проникать и разрушать защитный оксидный слой на нержавеющей стали, вызывая локальную коррозию, т. е. точечную коррозию.
Точечная коррозия является одной из самых коварных форм коррозии, поскольку она может привести к пробитию стен и отказу оборудования с небольшими потерями металла.
Концентрации хлоридов не должны быть очень высокими, чтобы вызвать точечную коррозию в нержавеющей стали 304 и 316, а для чистых поверхностей без каких-либо отложений или щелей рекомендуемые максимальные концентрации хлоридов в настоящее время считаются следующими:
Концентрация хлоридов, превышающая эти нормы, может легко возникать из-за нескольких факторов, как в целом, так и в отдельных местах. Стало очень редко сначала рассматривать прямоточное охлаждение для новых электростанций. Большинство из них построены с градирнями или, в некоторых случаях, с конденсаторами с воздушным охлаждением (ACC). Для тех, у кого есть градирни, концентрация примесей в косметических средствах может «циклически повышаться». Например, колонна с концентрацией хлоридов в подпиточной воде 50 мг/л работает с пятью циклами концентрирования, а содержание хлоридов в 250 мг/л. Одно это, как правило, должно исключать 304 SS. Кроме того, на новых и существующих заводах возрастает потребность в замене пресной воды для подпитки заводов. Распространенной альтернативой являются городские сточные воды. В таблице 2 сравнивается анализ четырех источников пресной воды с четырьмя источниками сточных вод.
Следите за повышенным уровнем хлоридов (и других примесей, таких как азот и фосфор, которые могут значительно увеличить микробное загрязнение в системах охлаждения). Практически для всех сточных вод любая циркуляция в градирне будет превышать предельный уровень содержания хлоридов, рекомендованный 316 SS.
Предыдущее обсуждение основано на коррозионном потенциале обычных металлических поверхностей. Трещины и отложения резко меняют историю, поскольку оба представляют собой места, где могут скапливаться примеси. Типичное место механических трещин в конденсаторах и аналогичных теплообменниках - это места соединения труб с трубными решетками. Отложения внутри трубы могут создавать трещины на границе отложений, а сами отложения могут служить местом загрязнения. оставшуюся стальную поверхность в анод.
Вышеприведенное обсуждение описывает проблемы, которые проектировщики заводов обычно не учитывают при выборе материалов труб конденсатора и вспомогательного теплообменника для новых проектов. Иногда кажется, что менталитет в отношении 304 и 316 SS все еще выглядит так: «Мы всегда так делали», не принимая во внимание последствия таких действий. Доступны альтернативные материалы для работы в более суровых условиях охлаждающей воды, с которыми в настоящее время сталкиваются многие заводы.
Прежде чем обсуждать альтернативные металлы, необходимо кратко отметить еще один момент. Во многих случаях нержавеющая сталь 316 или даже 304 хорошо работала при нормальной работе, но не работала при отключении электроэнергии. В большинстве случаев отказ происходит из-за плохого дренажа конденсатора или теплообменника, вызывающего застой воды в трубах. Эта среда обеспечивает идеальные условия для роста микроорганизмов. Колонии микробов, в свою очередь, производят коррозионные соединения, которые непосредственно разъедают металл труб.
Известно, что этот механизм, известный как микробная коррозия (MIC), разрушает трубы из нержавеющей стали и другие металлы в течение нескольких недель. Если теплообменник нельзя слить, следует серьезно подумать о периодической циркуляции воды через теплообменник и добавлении биоцида во время процесса. 39-й Симпозиум по химии для электроэнергетики.)
Для суровых сред, описанных выше, а также для более суровых сред, таких как солоноватая или морская вода, можно использовать альтернативные металлы для защиты от примесей. Три группы сплавов доказали свою эффективность: коммерчески чистый титан, аустенитная нержавеющая сталь с 6% молибдена и суперферритная нержавеющая сталь. Эти сплавы также устойчивы к МИК. лучше всего подходит для новых установок с прочными трубчатыми опорными конструкциями. Отличной альтернативой является суперферритная нержавеющая сталь Sea-Cure®. Состав этого материала показан ниже.
Сталь с высоким содержанием хрома, но с низким содержанием никеля, поэтому это ферритная нержавеющая сталь, а не аустенитная нержавеющая сталь. Из-за низкого содержания никеля она стоит намного дешевле, чем другие сплавы. Высокая прочность и модуль упругости Sea-Cure позволяют использовать более тонкие стенки, чем у других материалов, что приводит к улучшению теплопередачи.
Улучшенные свойства этих металлов показаны на диаграмме «Эквивалентное число стойкости к точечной коррозии», которая, как следует из названия, представляет собой процедуру испытаний, используемую для определения устойчивости различных металлов к точечной коррозии.
Один из наиболее распространенных вопросов: «Каково максимальное содержание хлоридов, которое может выдержать конкретная марка нержавеющей стали?»Ответы сильно различаются. Факторы включают pH, температуру, наличие и тип трещин, а также вероятность наличия активных биологических видов. Для помощи в принятии этого решения на правой оси рисунка 5 добавлен инструмент. Он основан на нейтральном pH, проточной воде с температурой 35 °C, которая обычно используется во многих применениях противовыбросового превентора и конденсации (для предотвращения образования отложений и образования трещин). проведение горизонтальной линии на правой оси. В общем, если сплав рассматривается для применения в солоноватой или морской воде, он должен иметь CCT выше 25 градусов Цельсия, измеренный с помощью теста G 48.
Ясно, что суперферритные сплавы, представленные Sea-Cure®, как правило, подходят даже для применения в морской воде. Следует подчеркнуть еще одно преимущество этих материалов. Проблемы с коррозией марганца наблюдались для 304 и 316 SS в течение многих лет, в том числе на заводах вдоль реки Огайо. Недавно были атакованы теплообменники на заводах вдоль рек Миссисипи и Миссури. как диоксид марганца (MnO2), реагирующий с окисляющим биоцидом с образованием соляной кислоты под отложениями. HCl - это то, что действительно воздействует на металлы.представлено на Ежегодной конференции NACE по коррозии 2002 г., Денвер, Колорадо.] Ферритные стали устойчивы к этому механизму коррозии.
Выбор материалов более высокого качества для труб конденсатора и теплообменника по-прежнему не заменит надлежащий химический контроль при очистке воды. Как подчеркивал автор Бюкер ​​в предыдущей статье по энергетике, правильно разработанная и применяемая программа химической обработки необходима для сведения к минимуму возможности образования накипи, коррозии и загрязнения. Хотя окислительная химия с хлором, отбеливателем или подобными соединениями является краеугольным камнем микробного контроля, дополнительные обработки часто могут повысить эффективность программ обработки. Одним из таких примеров является стабилизирующая химия, которая помогает увеличить скорость и эффективность высвобождения окисляющих биоцидов на основе хлора без добавления каких-либо вредных соединений в воду. Система отличается, поэтому тщательное планирование и консультации с отраслевыми экспертами важны для выбора материалов и химических процедур. Большая часть этой статьи написана с точки зрения водоподготовки, мы не участвуем в принятии решений по материалам, но нас просят помочь управлять влиянием этих решений после того, как оборудование будет запущено и запущено. Окончательное решение по выбору материалов должно быть принято персоналом предприятия на основе ряда факторов, указанных для каждого применения.
Об авторе: Брэд Бьюкер является старшим техническим публицистом в ChemTreat. Он имеет 36-летний опыт работы в электроэнергетике или связан с ней, большая часть которого связана с химией производства пара, очисткой воды, контролем качества воздуха, а также в компаниях City Water, Light & Power (Спрингфилд, Иллинойс) и Kansas City Power & Light Company, расположенная на станции La Cygne, штат Канзас. из Университета штата Айова с дополнительной курсовой работой по механике жидкости, равновесию энергии и материалов и продвинутой неорганической химии.
Дэн Яниковски — технический менеджер Plymouth Tube. В течение 35 лет он занимался разработкой металлов, производством и испытаниями трубной продукции, включая медные сплавы, нержавеющую сталь, никелевые сплавы, титан и углеродистую сталь. Работая в Plymouth Metro с 2005 года, Яниковски занимал различные руководящие должности, прежде чем стать техническим менеджером в 2010 году.