ผู้เขียนได้ทบทวนข้อมูลจำเพาะของโครงการพลังงานใหม่ครั้งแล้วครั้งเล่า ซึ่งโดยทั่วไปแล้วผู้ออกแบบโรงงานจะเลือกใช้เหล็กกล้าไร้สนิม 304 หรือ 316 สำหรับคอนเดนเซอร์และท่อแลกเปลี่ยนความร้อนเสริม สำหรับหลาย ๆ คน คำว่าเหล็กกล้าไร้สนิมบ่งบอกถึงกลิ่นอายของการกัดกร่อนที่อยู่ยงคงกระพัน ทั้งที่จริง ๆ แล้ว เหล็กกล้าไร้สนิมอาจเป็นตัวเลือกที่แย่ที่สุดเนื่องจากมีความอ่อนไหวต่อการกัดกร่อนเฉพาะที่ และในยุคนี้ น้ำจืดที่มีอยู่น้อยลงสำหรับการทำน้ำหล่อเย็น ควบคู่ไปกับหอหล่อเย็นที่ทำงานในระดับสูง รอบความเข้มข้น กลไกความล้มเหลวของเหล็กกล้าไร้สนิมที่อาจเกิดขึ้นจะถูกขยาย ในบางการใช้งาน เหล็กกล้าไร้สนิมซีรีส์ 300 จะอยู่รอดได้เป็นเวลาหลายเดือน บางครั้งเพียงสัปดาห์เดียว ก่อนที่จะล้มเหลว บทความนี้มุ่งเน้นไปที่ประเด็นอย่างน้อยที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกวัสดุท่อคอนเดนเซอร์จากมุมมองของการบำบัดน้ำ ปัจจัยอื่นๆ ที่ไม่ได้กล่าวถึงในเอกสารฉบับนี้ แต่มีบทบาทในการเลือกวัสดุ ได้แก่ ความแข็งแรงของวัสดุ คุณสมบัติการถ่ายเทความร้อน และความต้านทานต่อแรงเชิงกล รวมถึงความล้าและการกัดกร่อนจากการสึกกร่อน
การเพิ่มโครเมียม 12% ขึ้นไปลงในเหล็กกล้าทำให้โลหะผสมสร้างชั้นออกไซด์ที่ต่อเนื่องซึ่งปกป้องโลหะฐานที่อยู่ด้านล่าง ดังนั้น จึงเรียกว่าเหล็กกล้าไร้สนิม ในกรณีที่ไม่มีวัสดุเจืออื่นๆ (โดยเฉพาะนิกเกิล) เหล็กกล้าคาร์บอนเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มเฟอร์ไรต์ และเซลล์หน่วยของมันมีโครงสร้างเป็นลูกบาศก์ศูนย์กลางของร่างกาย (BCC)
เมื่อเพิ่มนิกเกิลลงในส่วนผสมของโลหะผสมที่ความเข้มข้น 8% หรือสูงกว่า แม้ในอุณหภูมิแวดล้อม เซลล์จะคงอยู่ในโครงสร้างลูกบาศก์ที่มีใบหน้าอยู่ตรงกลาง (FCC) ที่เรียกว่าออสเทนไนต์
ดังที่แสดงในตารางที่ 1 เหล็กกล้าไร้สนิมซีรีส์ 300 และเหล็กกล้าไร้สนิมอื่น ๆ มีปริมาณนิกเกิลที่ก่อให้เกิดโครงสร้างออสเทนนิติก
เหล็กกล้าออสเทนนิติกได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีค่ามากในการใช้งานหลายประเภท รวมถึงเป็นวัสดุสำหรับท่อฮีตเตอร์อุณหภูมิสูงและท่อรีฮีตเตอร์ในหม้อไอน้ำไฟฟ้า โดยเฉพาะซีรีส์ 300 มักถูกใช้เป็นวัสดุสำหรับท่อแลกเปลี่ยนความร้อนอุณหภูมิต่ำ รวมถึงคอนเดนเซอร์พื้นผิวไอน้ำ อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานเหล่านี้ หลายคนมองข้ามกลไกความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้น
ปัญหาหลักของเหล็กกล้าไร้สนิม โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัสดุ 304 และ 316 ที่ได้รับความนิยมคือ ชั้นออกไซด์ที่ใช้ป้องกันมักจะถูกทำลายโดยสิ่งสกปรกในน้ำหล่อเย็นและรอยแยกและตะกอนที่ช่วยให้สิ่งสกปรกจับตัวเป็นก้อน นอกจากนี้ ภายใต้สภาวะปิดระบบ น้ำนิ่งอาจนำไปสู่การเติบโตของจุลินทรีย์ ซึ่งผลพลอยได้จากเมตาบอลิซึมอาจสร้างความเสียหายอย่างมากต่อโลหะ
สิ่งเจือปนในน้ำหล่อเย็นทั่วไปและหนึ่งในสิ่งที่ยากที่สุดในการกำจัดในเชิงเศรษฐกิจคือคลอไรด์ ไอออนนี้อาจทำให้เกิดปัญหามากมายในเครื่องกำเนิดไอน้ำ แต่ในคอนเดนเซอร์และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเสริม ปัญหาหลักคือคลอไรด์ที่มีความเข้มข้นเพียงพอสามารถแทรกซึมและทำลายชั้นออกไซด์ที่ป้องกันบนเหล็กกล้าไร้สนิม ทำให้เกิดการกัดกร่อนเฉพาะที่ เช่น เกิดเป็นรูพรุน
การกัดเป็นรูพรุนเป็นรูปแบบหนึ่งของการกัดกร่อนที่ร้ายกาจที่สุด เพราะมันสามารถทำให้เกิดการเจาะทะลุผนังและอุปกรณ์ขัดข้องโดยมีการสูญเสียโลหะเพียงเล็กน้อย
ความเข้มข้นของคลอไรด์ไม่จำเป็นต้องสูงมากนักเพื่อทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูพรุนในเหล็กกล้าไร้สนิม 304 และ 316 และสำหรับพื้นผิวที่สะอาดปราศจากคราบสกปรกหรือรอยแยกใดๆ ความเข้มข้นของคลอไรด์สูงสุดที่แนะนำในขณะนี้ถือเป็น:
มีหลายปัจจัยที่สามารถสร้างความเข้มข้นของคลอไรด์ที่เกินแนวทางปฏิบัติเหล่านี้ได้อย่างง่ายดาย ทั้งโดยทั่วไปและในสถานที่เฉพาะ การพิจารณาการทำความเย็นแบบครั้งเดียวผ่านครั้งเดียวสำหรับโรงไฟฟ้าใหม่เป็นเรื่องยากมาก ส่วนใหญ่จะสร้างขึ้นด้วยหอหล่อเย็น หรือในบางกรณี คอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ (ACC) สำหรับผู้ที่มีหอหล่อเย็น ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในเครื่องสำอางสามารถ "วนขึ้น" ตัวอย่างเช่น คอลัมน์ที่มีความเข้มข้นของคลอไรด์ในน้ำแต่งหน้า 50 มก./ล. ทำงานด้วยรอบความเข้มข้นห้ารอบ และปริมาณคลอไรด์ของวงกลม ปริมาณน้ำที่ไหลออกคือ 250 มก./ล. โดยทั่วไปแล้วค่านี้เพียงอย่างเดียวควรตัดค่า 304 SS ออก นอกจากนี้ ในโรงงานใหม่และโรงงานที่มีอยู่แล้ว มีความต้องการเพิ่มขึ้นในการเปลี่ยนน้ำจืดเพื่อเติมน้ำให้โรงงาน ทางเลือกทั่วไปคือน้ำเสียจากชุมชน ตารางที่ 2 เปรียบเทียบการวิเคราะห์แหล่งน้ำจืดสี่แหล่งกับแหล่งน้ำเสียสี่แห่ง
ระวังระดับคลอไรด์ที่เพิ่มขึ้น (และสิ่งเจือปนอื่นๆ เช่น ไนโตรเจนและฟอสฟอรัส ซึ่งสามารถเพิ่มการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ในระบบทำความเย็นได้อย่างมาก) สำหรับน้ำสีเทาทั้งหมด การหมุนเวียนใดๆ ในหอหล่อเย็นจะเกินขีดจำกัดคลอไรด์ที่แนะนำโดย 316 SS
การอภิปรายก่อนหน้านี้ขึ้นอยู่กับศักยภาพในการกัดกร่อนของพื้นผิวโลหะทั่วไป การแตกหักและตะกอนทำให้เรื่องราวเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก เนื่องจากทั้งสองอย่างนี้มีสถานที่ที่สิ่งสกปรกสามารถรวมตัวกันได้ ตำแหน่งทั่วไปของรอยร้าวเชิงกลในคอนเดนเซอร์และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่คล้ายคลึงกันคือที่รอยต่อระหว่างแผ่นท่อกับท่อ ตะกอนภายในท่อสามารถสร้างรอยแตกที่ขอบตะกอน และตัวตะกอนเองก็สามารถทำหน้าที่เป็นพื้นที่สำหรับการปนเปื้อน นอกจากนี้ เนื่องจากเหล็กกล้าไร้สนิมอาศัยชั้นออกไซด์ที่ต่อเนื่องในการป้องกัน ตะกอนจึงสามารถสร้างออกซิเจนได้ - ไซต์ที่ไม่ดีซึ่งเปลี่ยนพื้นผิวเหล็กที่เหลือให้เป็นขั้วบวก
การอภิปรายข้างต้นสรุปประเด็นที่ผู้ออกแบบโรงงานมักไม่พิจารณาเมื่อระบุวัสดุท่อคอนเดนเซอร์และท่อแลกเปลี่ยนความร้อนเสริมสำหรับโครงการใหม่ แนวคิดเกี่ยวกับ 304 และ 316 SS บางครั้งยังดูเหมือนว่าเป็น "สิ่งที่เราทำมาโดยตลอด" โดยไม่คำนึงถึงผลที่ตามมาของการกระทำดังกล่าว วัสดุทางเลือกมีไว้เพื่อจัดการกับสภาพน้ำหล่อเย็นที่รุนแรงขึ้นซึ่งโรงงานหลายแห่งเผชิญอยู่ในขณะนี้
ก่อนที่จะพูดถึงโลหะทางเลือก ต้องระบุประเด็นอื่นโดยย่อ ในหลายกรณี 316 SS หรือแม้แต่ 304 SS ทำงานได้ดีในระหว่างการทำงานปกติ แต่ล้มเหลวในระหว่างที่ไฟฟ้าดับ ในกรณีส่วนใหญ่ ความล้มเหลวเกิดจากการระบายน้ำไม่ดีของคอนเดนเซอร์หรือตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ทำให้เกิดน้ำนิ่งในท่อ สภาพแวดล้อมนี้ทำให้เกิดสภาวะที่เหมาะสำหรับการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ อาณานิคมของจุลินทรีย์จะผลิตสารประกอบที่กัดกร่อนซึ่งกัดกร่อนโลหะท่อโดยตรง
กลไกนี้เรียกว่าการกัดกร่อนที่เกิดจากจุลชีพ (MIC) เป็นที่ทราบกันดีว่าสามารถทำลายท่อสแตนเลสและโลหะอื่นๆ ได้ภายในไม่กี่สัปดาห์ หากระบายเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไม่ได้ ควรพิจารณาอย่างจริงจังถึงการหมุนเวียนน้ำเป็นระยะๆ ผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและการเติมไบโอไซด์ในระหว่างกระบวนการ (สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับขั้นตอนการจัดวางที่เหมาะสม โปรดดูที่ D. Janikowski, “Layering Up Condenser and BOP Exchangers – ข้อควรพิจารณา” ซึ่งจัดขึ้นเมื่อวันที่ 4-6 มิถุนายน 2019 ในเมือง Champaign รัฐอิลลินอยส์ นำเสนอที่งาน การประชุมวิชาการไฟฟ้าเคมี ครั้งที่ 39)
สำหรับสภาพแวดล้อมที่สมบุกสมบันดังที่กล่าวไว้ข้างต้น เช่นเดียวกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงกว่า เช่น น้ำกร่อยหรือน้ำทะเล โลหะทางเลือกสามารถใช้เพื่อป้องกันสิ่งเจือปนได้ กลุ่มโลหะผสมสามกลุ่มได้พิสูจน์แล้วว่าประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ ไทเทเนียมบริสุทธิ์ เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกโมลิบดีนัม 6% และเหล็กกล้าไร้สนิมซุปเปอร์เฟอร์ริติก โลหะผสมเหล่านี้ยังทนทานต่อ MIC แม้ว่าไทเทเนียมจะถือว่ามีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูง แต่โครงสร้างผลึกแบบปิดอัดรูปหกเหลี่ยมและโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำมากทำให้มีความไวต่อการกัดกร่อนสูง ต่อความเสียหายทางกล โลหะผสมนี้เหมาะที่สุดสำหรับการติดตั้งใหม่ที่มีโครงสร้างรองรับท่อที่แข็งแรง ทางเลือกที่ยอดเยี่ยมคือ Sea-Cure® สเตนเลสสตีลซุปเปอร์เฟอริติก ส่วนประกอบของวัสดุนี้แสดงไว้ด้านล่าง
เหล็กกล้ามีโครเมียมสูงแต่มีนิกเกิลต่ำ ดังนั้นจึงเป็นเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกมากกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก เนื่องจากมีปริมาณนิกเกิลต่ำ จึงมีต้นทุนต่ำกว่าโลหะผสมอื่นๆ มาก ความแข็งแรงสูงและโมดูลัสยืดหยุ่นของ Sea-Cure ช่วยให้ผนังบางกว่าวัสดุอื่น ส่งผลให้การถ่ายเทความร้อนดีขึ้น
คุณสมบัติที่เพิ่มขึ้นของโลหะเหล่านี้แสดงอยู่ในแผนภูมิ "จำนวนเทียบเท่าความต้านทานการบ่อ" ซึ่งตามชื่อที่แนะนำ เป็นขั้นตอนการทดสอบที่ใช้เพื่อกำหนดความต้านทานของโลหะต่างๆ ต่อการกัดกร่อนแบบรูพรุน
หนึ่งในคำถามที่พบบ่อยที่สุดคือ "ปริมาณคลอไรด์สูงสุดที่เหล็กกล้าไร้สนิมเกรดใดเกรดหนึ่งสามารถทนได้คือเท่าใด"คำตอบนั้นแตกต่างกันไป ปัจจัยต่างๆ ได้แก่ ค่า pH อุณหภูมิ การมีอยู่ และประเภทของการแตกหัก และศักยภาพของสายพันธุ์ทางชีวภาพที่ใช้งานอยู่ มีการเพิ่มเครื่องมือที่แกนด้านขวาของรูปที่ 5 เพื่อช่วยในการตัดสินใจนี้ เครื่องมือนี้ขึ้นอยู่กับค่า pH ที่เป็นกลาง น้ำไหล 35°C ที่พบได้ทั่วไปในการใช้งาน BOP และการควบแน่นจำนวนมาก (เพื่อป้องกันการก่อตัวของคราบสกปรกและการก่อตัวของรอยแตก) เมื่อเลือกโลหะผสมที่มีองค์ประกอบทางเคมีเฉพาะแล้ว PREn สามารถกำหนดได้ จากนั้นจึงตัดกันด้วยเครื่องหมายทับที่เหมาะสม ระดับคลอไรด์สูงสุดที่แนะนำสามารถเป็นได้ กำหนดโดยการวาดเส้นแนวนอนบนแกนด้านขวา โดยทั่วไป หากต้องพิจารณาโลหะผสมสำหรับการใช้งานในกร่อยหรือน้ำทะเล จะต้องมี CCT สูงกว่า 25 องศาเซลเซียสที่วัดโดยการทดสอบ G 48
เป็นที่ชัดเจนว่าโลหะผสมซุปเปอร์เฟอร์ริติกที่ Sea-Cure® นำเสนอนั้นโดยทั่วไปเหมาะสำหรับการใช้งานในน้ำทะเล มีประโยชน์อีกประการหนึ่งสำหรับวัสดุเหล่านี้ที่ต้องให้ความสำคัญ ปัญหาการกัดกร่อนของแมงกานีสถูกพบใน 304 และ 316 SS เป็นเวลาหลายปี รวมทั้งที่โรงงานริมแม่น้ำโอไฮโอ เมื่อเร็ว ๆ นี้ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่โรงงานริมแม่น้ำมิสซิสซิปปี้และแม่น้ำมิสซูรีถูกโจมตี การกัดกร่อนของแมงกานีสยังเป็นปัญหาทั่วไปในระบบสร้างน้ำบาดาล กลไกการกัดกร่อนได้รับการระบุว่าเป็น แมงกานีสไดออกไซด์ (MnO2) ทำปฏิกิริยากับไบโอไซด์ออกซิไดซ์เพื่อสร้างกรดไฮโดรคลอริกภายใต้การสะสม HCl คือสิ่งที่โจมตีโลหะอย่างแท้จริง[WH Dickinson และ RW Pick, "การกัดกร่อนขึ้นอยู่กับแมงกานีสในอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า";นำเสนอในการประชุมการกัดกร่อนประจำปีของ NACE ปี 2545 เดนเวอร์ โคโลราโด] เหล็กกล้าเฟอริติกมีความทนทานต่อกลไกการกัดกร่อนนี้
การเลือกวัสดุเกรดที่สูงขึ้นสำหรับคอนเดนเซอร์และท่อแลกเปลี่ยนความร้อนยังคงไม่สามารถทดแทนการควบคุมเคมีบำบัดน้ำที่เหมาะสมได้ ดังที่ผู้เขียน Buecker ได้ระบุไว้ในบทความวิศวกรรมไฟฟ้าก่อนหน้านี้ โปรแกรมการบำบัดทางเคมีที่ออกแบบและดำเนินการอย่างเหมาะสมเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อลดโอกาสเกิดตะกรัน การกัดกร่อน และคราบสกปรก เคมีโพลิเมอร์กำลังเกิดขึ้นใหม่ในฐานะทางเลือกที่ทรงพลังแทนเคมีฟอสเฟต/ฟอสโฟเนตรุ่นเก่าเพื่อควบคุมการกัดกร่อนและการปรับขนาดในระบบหอหล่อเย็น การควบคุมการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ได้รับและจะยังคงเป็นปัญหาที่สำคัญต่อไป แม้ว่าเคมีออกซิเดชันกับคลอรีน สารฟอกขาว หรือสารประกอบที่คล้ายคลึงกันเป็นรากฐานที่สำคัญของการควบคุมจุลินทรีย์ การบำบัดเสริมมักจะสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของโปรแกรมการบำบัด ตัวอย่างหนึ่งคือเคมีทำให้เสถียร ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการปลดปล่อยและประสิทธิภาพของไบโอไซด์ออกซิไดซ์ที่มีคลอรีนเป็นพื้นฐานโดยไม่ใส่สารประกอบที่เป็นอันตรายใดๆ ลงไปในน้ำ นอกจากนี้ การป้อนอาหารเสริมด้วยสารฆ่าเชื้อราที่ไม่ออกซิไดซ์อาจเป็นประโยชน์อย่างมากในการควบคุมการพัฒนาของจุลินทรีย์ ผลที่ได้คือมีหลายวิธีในการปรับปรุงความยั่งยืนและความน่าเชื่อถือของโรงไฟฟ้า เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน แต่ทุกระบบมีความแตกต่างกัน ดังนั้นการวางแผนอย่างรอบคอบและการปรึกษาหารือกับผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมจึงมีความสำคัญต่อการเลือกวัสดุและขั้นตอนทางเคมี บทความนี้ส่วนใหญ่เขียนขึ้นจากมุมมองของการบำบัดน้ำ เราไม่ได้มีส่วนร่วมในการตัดสินใจเกี่ยวกับวัสดุ แต่เราถูกขอให้ช่วยจัดการผลกระทบของการตัดสินใจเหล่านั้นเมื่ออุปกรณ์เริ่มทำงาน การตัดสินใจขั้นสุดท้ายในการเลือกวัสดุจะต้องทำโดยบุคลากรของโรงงานโดยพิจารณาจากปัจจัยหลายประการที่ระบุไว้สำหรับแต่ละการใช้งาน
เกี่ยวกับผู้เขียน: Brad Buecker เป็นนักประชาสัมพันธ์ทางเทคนิคอาวุโสที่ ChemTreat เขามีประสบการณ์ 36 ปีในหรือเกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมพลังงาน โดยส่วนใหญ่มีประสบการณ์ในด้านเคมีสำหรับการผลิตไอน้ำ การบำบัดน้ำ การควบคุมคุณภาพอากาศ และที่ City Water, Light & Power (สปริงฟิลด์, อิลลินอยส์) และ Kansas City Power & Light Company ตั้งอยู่ที่ La Cygne Station, Kansas นอกจากนี้เขายังใช้เวลาสองปีในการทำหน้าที่หัวหน้างานน้ำ/น้ำเสียที่โรงงานเคมีอีกด้วย Buecker สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาเคมีจาก มหาวิทยาลัยไอโอวาสเตตพร้อมหลักสูตรเพิ่มเติมในกลศาสตร์ของไหล สมดุลพลังงานและวัสดุ และเคมีอนินทรีย์ขั้นสูง
Dan Janikowski เป็นผู้จัดการด้านเทคนิคของ Plymouth Tube เป็นเวลา 35 ปีที่เขามีส่วนร่วมในการพัฒนาโลหะ การผลิตและการทดสอบผลิตภัณฑ์ท่อ รวมถึงโลหะผสมทองแดง เหล็กกล้าไร้สนิม โลหะผสมนิกเกิล ไททาเนียม และเหล็กกล้าคาร์บอน ร่วมงานกับ Plymouth Metro ตั้งแต่ปี 2548 Janikowski ดำรงตำแหน่งระดับสูงหลายตำแหน่งก่อนจะมาเป็นผู้จัดการด้านเทคนิคในปี 2553