Các tác giả đã xem xét lại các thông số kỹ thuật của dự án điện mới hết lần này đến lần khác, trong đó các nhà thiết kế nhà máy thường chọn thép không gỉ 304 hoặc 316 cho ống trao đổi nhiệt phụ trợ và bình ngưng. Trong một số ứng dụng, thép không gỉ sê-ri 300 sẽ chỉ tồn tại trong nhiều tháng, đôi khi chỉ vài tuần trước khi hỏng. Bài viết này ít nhất tập trung vào các vấn đề cần được xem xét khi lựa chọn vật liệu ống ngưng tụ từ góc độ xử lý nước. Các yếu tố khác không được thảo luận trong bài viết này nhưng đóng vai trò trong việc lựa chọn vật liệu bao gồm độ bền vật liệu, đặc tính truyền nhiệt và khả năng chống lại các lực cơ học, bao gồm cả sự mỏi và ăn mòn.
Việc thêm 12% crom trở lên vào thép làm cho hợp kim tạo thành một lớp oxit liên tục bảo vệ kim loại cơ bản bên dưới. Do đó, thuật ngữ thép không gỉ. Trong trường hợp không có các vật liệu hợp kim khác (đặc biệt là niken), thép cacbon là một phần của nhóm ferit và tế bào đơn vị của nó có cấu trúc khối (BCC) tập trung vào cơ thể.
Khi niken được thêm vào hỗn hợp hợp kim ở nồng độ 8% hoặc cao hơn, ngay cả ở nhiệt độ môi trường, tế bào sẽ tồn tại ở cấu trúc lập phương tâm diện (FCC) được gọi là austenit.
Như thể hiện trong Bảng 1, thép không gỉ sê-ri 300 và các loại thép không gỉ khác có hàm lượng niken tạo ra cấu trúc austenit.
Thép Austenitic đã được chứng minh là rất có giá trị trong nhiều ứng dụng, bao gồm làm vật liệu cho các ống hâm nóng và hâm nóng quá nhiệt ở nhiệt độ cao trong nồi hơi điện. Dòng 300 nói riêng thường được sử dụng làm vật liệu cho các ống trao đổi nhiệt ở nhiệt độ thấp, bao gồm cả thiết bị ngưng tụ bề mặt hơi nước. Tuy nhiên, chính trong những ứng dụng này, nhiều người đã bỏ qua các cơ chế hỏng hóc tiềm ẩn.
Khó khăn chính đối với thép không gỉ, đặc biệt là các vật liệu phổ biến 304 và 316, là lớp oxit bảo vệ thường bị phá hủy bởi các tạp chất trong nước làm mát và bởi các kẽ hở và cặn bẩn giúp tập trung tạp chất. Ngoài ra, trong điều kiện tắt máy, nước đọng có thể dẫn đến sự phát triển của vi sinh vật, những sản phẩm phụ chuyển hóa của chúng có thể gây hại nghiêm trọng cho kim loại.
Một tạp chất phổ biến trong nước làm mát, và là một trong những tạp chất khó loại bỏ nhất về mặt kinh tế, là clorua. Ion này có thể gây ra nhiều vấn đề trong máy tạo hơi nước, nhưng trong bình ngưng tụ và bộ trao đổi nhiệt phụ trợ, khó khăn chính là clorua ở nồng độ đủ có thể xâm nhập và phá hủy lớp oxit bảo vệ trên thép không gỉ, gây ăn mòn cục bộ, tức là rỗ khí.
Rỗ là một trong những hình thức ăn mòn ngấm ngầm nhất vì nó có thể gây thủng tường và hỏng thiết bị mà ít tổn thất kim loại.
Nồng độ clorua không cần phải quá cao để gây ra sự ăn mòn rỗ trong thép không gỉ 304 và 316, và đối với các bề mặt sạch sẽ không có cặn hoặc kẽ hở, nồng độ clorua tối đa được khuyến nghị hiện được coi là:
Một số yếu tố có thể dễ dàng tạo ra nồng độ clorua vượt quá các hướng dẫn này, cả nói chung và ở các địa điểm cục bộ. Việc xem xét làm mát một lần lần đầu tiên cho các nhà máy điện mới trở nên rất hiếm. Hầu hết đều được xây dựng bằng tháp giải nhiệt, hoặc trong một số trường hợp, bình ngưng làm mát bằng không khí (ACC). Đối với những tháp giải nhiệt, nồng độ tạp chất trong mỹ phẩm có thể "tăng tuần hoàn". một mình nói chung nên loại trừ 304 SS. Ngoài ra, trong các nhà máy mới và hiện có, nhu cầu thay thế nước ngọt để phục hồi cho nhà máy ngày càng tăng. Một giải pháp thay thế phổ biến là nước thải đô thị. Bảng 2 so sánh phân tích của bốn nguồn cung cấp nước ngọt với bốn nguồn cung cấp nước thải.
Coi chừng mức clorua tăng (và các tạp chất khác, chẳng hạn như nitơ và phốt pho, có thể làm tăng đáng kể ô nhiễm vi sinh vật trong hệ thống làm mát). Về cơ bản, đối với tất cả nước xám, mọi vòng tuần hoàn trong tháp giải nhiệt sẽ vượt quá giới hạn clorua do 316 SS khuyến nghị.
Phần thảo luận trước dựa trên khả năng ăn mòn của các bề mặt kim loại thông thường. Các vết nứt và trầm tích thay đổi đáng kể câu chuyện, vì cả hai đều tạo ra những nơi tạp chất có thể tập trung. Một vị trí điển hình cho các vết nứt cơ học trong bình ngưng và các bộ trao đổi nhiệt tương tự là tại các điểm nối giữa các tấm ống. Cặn lắng trong ống có thể tạo ra các vết nứt ở ranh giới trầm tích và chính trầm tích có thể đóng vai trò là nơi gây nhiễm bẩn. Hơn nữa, vì thép không gỉ dựa vào một lớp ôxít liên tục để bảo vệ nên cặn lắng có thể tạo thành các vị trí nghèo oxy biến bề mặt thép còn lại thành một nút.
Phần thảo luận ở trên phác thảo các vấn đề mà các nhà thiết kế nhà máy thường không xem xét khi chỉ định vật liệu ống trao đổi nhiệt phụ trợ và bình ngưng cho các dự án mới. Tâm lý liên quan đến 304 và 316 SS đôi khi dường như vẫn là “đó là những gì chúng tôi luôn làm” mà không xem xét hậu quả của những hành động đó. Các vật liệu thay thế có sẵn để xử lý các điều kiện nước làm mát khắc nghiệt hơn mà nhiều nhà máy hiện đang phải đối mặt.
Trước khi thảo luận về các kim loại thay thế, cần phải nói ngắn gọn một điểm khác. Trong nhiều trường hợp, 316 SS hoặc thậm chí 304 SS hoạt động tốt trong quá trình hoạt động bình thường, nhưng lại bị hỏng khi mất điện. Trong hầu hết các trường hợp, sự cố là do hệ thống thoát nước kém của bình ngưng hoặc bộ trao đổi nhiệt gây đọng nước trong ống. Môi trường này tạo điều kiện lý tưởng cho sự phát triển của vi sinh vật. Các khuẩn lạc vi sinh vật lần lượt tạo ra các hợp chất ăn mòn trực tiếp ăn mòn kim loại hình ống.
Cơ chế này, được gọi là ăn mòn do vi sinh vật (MIC), được biết là phá hủy các ống thép không gỉ và các kim loại khác trong vòng vài tuần. Nếu bộ trao đổi nhiệt không thể thoát nước, cần xem xét nghiêm túc việc luân chuyển nước định kỳ qua bộ trao đổi nhiệt và thêm chất diệt khuẩn trong quá trình này. posi.)
Đối với các môi trường khắc nghiệt được nêu ở trên, cũng như các môi trường khắc nghiệt hơn như nước lợ hoặc nước biển, các kim loại thay thế có thể được sử dụng để loại bỏ tạp chất. Ba nhóm hợp kim đã được chứng minh là thành công, đó là titan tinh khiết thương mại, thép không gỉ austenit 6% molypden và thép không gỉ superferit. Các hợp kim này cũng có khả năng chống MIC. Mặc dù titan được coi là có khả năng chống ăn mòn rất tốt, nhưng cấu trúc tinh thể đóng kín hình lục giác và mô đun đàn hồi cực thấp của nó khiến nó dễ bị hư hỏng cơ học. Hợp kim này phù hợp nhất cho các hệ thống lắp đặt mới với ống chắc chắn kết cấu đỡ. Một giải pháp thay thế tuyệt vời là Sea-Cure® bằng thép không gỉ siêu ferit. Thành phần của vật liệu này được trình bày bên dưới.
Thép có hàm lượng crôm cao nhưng ít niken, vì vậy nó là thép không gỉ ferritic chứ không phải là thép không gỉ austenit. Do hàm lượng niken thấp, nó có giá thấp hơn nhiều so với các hợp kim khác. Độ bền cao và mô đun đàn hồi của Sea-Cure cho phép tạo ra các thành mỏng hơn so với các vật liệu khác, dẫn đến khả năng truyền nhiệt được cải thiện.
Các đặc tính nâng cao của các kim loại này được thể hiện trên biểu đồ “Số tương đương khả năng chống rỗ khí”, như tên cho thấy, là một quy trình thử nghiệm được sử dụng để xác định khả năng chống ăn mòn rỗ của các kim loại khác nhau.
Một trong những câu hỏi phổ biến nhất là “Hàm lượng clorua tối đa mà một loại thép không gỉ cụ thể có thể chịu được là bao nhiêu?”Các câu trả lời rất khác nhau. Các yếu tố bao gồm độ pH, nhiệt độ, sự hiện diện và loại vết nứt, cũng như tiềm năng của các loài sinh vật đang hoạt động. Một công cụ đã được thêm vào ở trục bên phải của Hình 5 để trợ giúp cho quyết định này. Nó dựa trên độ pH trung tính, nước chảy 35°C thường thấy trong nhiều ứng dụng BOP và ngưng tụ (để ngăn chặn sự hình thành cặn lắng và vết nứt). trên trục bên phải. Nói chung, nếu một hợp kim được xem xét cho các ứng dụng nước lợ hoặc nước biển, nó cần phải có CCT trên 25 độ C như được đo bằng thử nghiệm G ​​48.
Rõ ràng là các hợp kim siêu ferit do Sea-Cure® đại diện thường phù hợp cho cả các ứng dụng nước biển. Có một lợi ích khác đối với những vật liệu này cần phải được nhấn mạnh. Vấn đề ăn mòn mangan đã được quan sát thấy đối với 304 và 316 SS trong nhiều năm, bao gồm cả tại các nhà máy dọc theo sông Ohio. Gần đây, các bộ trao đổi nhiệt tại các nhà máy dọc theo sông Mississippi và Missouri đã bị tấn công. Ăn mòn mangan cũng là một vấn đề phổ biến trong các hệ thống xử lý nước giếng. Cơ chế ăn mòn đã được xác định là phản ứng mangan dioxit (MnO2) với một chất diệt khuẩn oxy hóa để tạo ra axit clohydric dưới lớp trầm tích. HCl là chất thực sự tấn công kim loại. [WH Dickinson và RW Pick, "Sự ăn mòn phụ thuộc mangan trong ngành điện lực";được trình bày tại Hội nghị Ăn mòn Thường niên NACE năm 2002, Denver, CO.] Thép Ferritic có khả năng chống lại cơ chế ăn mòn này.
Việc lựa chọn vật liệu cấp cao hơn cho ống ngưng tụ và ống trao đổi nhiệt vẫn không thể thay thế cho việc kiểm soát hóa học xử lý nước thích hợp. Như tác giả Buecker đã nêu trong một bài viết về kỹ thuật điện trước đây, một chương trình xử lý hóa học được thiết kế và vận hành đúng cách là cần thiết để giảm thiểu khả năng co giãn, ăn mòn và bám bẩn. Hóa chất polymer đang nổi lên như một giải pháp thay thế mạnh mẽ cho hóa chất phốt phát/phốt photphonate cũ để kiểm soát sự ăn mòn và đóng cặn trong các hệ thống tháp giải nhiệt. Kiểm soát ô nhiễm vi sinh vật đã, đang và sẽ tiếp tục là một vấn đề quan trọng. Trong khi hóa học oxy hóa với clo, thuốc tẩy hoặc các hợp chất tương tự là nền tảng Để kiểm soát vi sinh vật, các biện pháp xử lý bổ sung thường có thể cải thiện hiệu quả của các chương trình xử lý. Một ví dụ như vậy là hóa học ổn định, giúp tăng tốc độ giải phóng và hiệu quả của các chất diệt khuẩn oxy hóa gốc clo mà không đưa bất kỳ hợp chất có hại nào vào nước. Trong bài viết này được viết từ góc độ xử lý nước, chúng tôi không tham gia vào các quyết định về vật liệu, nhưng chúng tôi được yêu cầu giúp quản lý tác động của những quyết định đó sau khi thiết bị hoạt động. Quyết định cuối cùng về lựa chọn vật liệu phải do nhân viên nhà máy đưa ra dựa trên một số yếu tố được chỉ định cho từng ứng dụng.
Giới thiệu về tác giả: Brad Buecker là Nhà xuất bản kỹ thuật cao cấp tại ChemTreat. Ông có 36 năm kinh nghiệm trong hoặc liên kết với ngành năng lượng, phần lớn trong lĩnh vực hóa học tạo hơi nước, xử lý nước, kiểm soát chất lượng không khí và tại City Water, Light & Power (Springfield, IL) và Công ty Điện & Ánh sáng Thành phố Kansas đặt tại Ga La Cygne, Kansas. Ông cũng đã có hai năm làm quyền giám sát nước/nước thải tại một nhà máy hóa chất. Buecker có bằng Cử nhân Hóa học tại Đại học Bang Iowa với khóa học bổ sung về Cơ học Chất lỏng, Năng lượng và Cân bằng vật liệu, và Hóa học vô cơ nâng cao.
Dan Janikowski là Giám đốc Kỹ thuật tại Plymouth Tube. Trong 35 năm, ông đã tham gia vào việc phát triển kim loại, sản xuất và thử nghiệm các sản phẩm dạng ống bao gồm hợp kim đồng, thép không gỉ, hợp kim niken, titan và thép carbon. Đã làm việc cho Plymouth Metro từ năm 2005, Janikowski đã giữ nhiều vị trí cấp cao trước khi trở thành Giám đốc Kỹ thuật vào năm 2010.