Die POWERGEN Internasionale Oproep vir Inhoud is nou oop! Ons soek sprekers uit die nuts- en kragopwekkingsbedrywe. Onderwerpe sluit in konvensionele en hernubare kragopwekking, digitale transformasie van kragsentrales, energieberging, mikronetwerke, aanlegoptimalisering, krag op die perseel en meer.
Die outeurs het keer op keer nuwe kragprojekspesifikasies hersien, waarin aanlegontwerpers tipies 304- of 316-vlekvrye staal vir kondensor- en hulpwarmtewisselaarpype kies. Vir baie roep die term vlekvrye staal 'n aura van onoorwinlike korrosie op, terwyl vlekvrye staal in werklikheid soms die slegste keuse kan wees omdat dit vatbaar is vir gelokaliseerde korrosie. En in hierdie era van verminderde beskikbaarheid van vars water vir verkoelingswateraanvulling, tesame met verkoeltorings wat teen hoë konsentrasiesiklusse werk, word potensiële vlekvrye staal-falingsmeganismes vergroot. In sommige toepassings sal 300-reeks vlekvrye staal slegs maande, soms slegs weke, oorleef voordat dit faal. Hierdie artikel fokus op ten minste die kwessies wat oorweeg moet word wanneer kondensorbuismateriale vanuit 'n waterbehandelingsperspektief gekies word. Ander faktore wat nie in hierdie artikel bespreek word nie, maar wat 'n rol speel in materiaalkeuse, sluit in materiaalsterkte, hitte-oordrag-eienskappe en weerstand teen meganiese kragte, insluitend moegheids- en erosiekorrosie.
Deur 12% of meer chroom by staal te voeg, vorm die legering 'n deurlopende oksiedlaag wat die basismetaal daaronder beskerm. Vandaar die term vlekvrye staal. In die afwesigheid van ander legeringsmateriale (veral nikkel), is koolstofstaal deel van die ferrietgroep, en die eenheidsel daarvan het 'n liggaamsgesentreerde kubiese (BCC) struktuur.
Wanneer nikkel by die legeringsmengsel gevoeg word teen 'n konsentrasie van 8% of hoër, selfs by kamertemperatuur, sal die sel in 'n vlakgesentreerde kubiese (FCC) struktuur genaamd austeniet bestaan.
Soos in Tabel 1 getoon, het 300-reeks vlekvrye staal en ander vlekvrye staal 'n nikkelinhoud wat 'n austenitiese struktuur produseer.
Austenitiese staalsoorte het bewys dat hulle baie waardevol is in baie toepassings, insluitend as materiaal vir hoëtemperatuur-oorverhitter- en herverhitterbuise in kragketels. Die 300-reeks word veral dikwels gebruik as materiaal vir laetemperatuur-hittewisselaarbuise, insluitend stoomoppervlakkondensors. Dit is egter in hierdie toepassings dat baie potensiële mislukkingsmeganismes oor die hoof sien.
Die grootste probleem met vlekvrye staal, veral die gewilde 304- en 316-materiale, is dat die beskermende oksiedlaag dikwels vernietig word deur onsuiwerhede in die verkoelingswater en deur skeure en neerslae wat help om onsuiwerhede te konsentreer. Boonop kan stilstaande water onder afsluittoestande lei tot mikrobiese groei, waarvan die metaboliese neweprodukte baie skadelik vir metale kan wees.
'n Algemene verkoelwateronreinheid, en een van die moeilikste om ekonomies te verwyder, is chloried. Hierdie ioon kan baie probleme in stoomgenerators veroorsaak, maar in kondensors en hulphittewisselaars is die grootste probleem dat chloriede in voldoende konsentrasies die beskermende oksiedlaag op vlekvrye staal kan binnedring en vernietig, wat gelokaliseerde korrosie, d.w.s. putvorming, veroorsaak.
Putvorming is een van die mees verraderlike vorme van korrosie omdat dit muurpenetrasies en toerustingversaking met min metaalverlies kan veroorsaak.
Chloriedkonsentrasies hoef nie baie hoog te wees om putkorrosie in 304 en 316 vlekvrye staal te veroorsaak nie, en vir skoon oppervlaktes sonder enige neerslae of splete word die aanbevole maksimum chloriedkonsentrasies nou as volg beskou:
Verskeie faktore kan maklik chloriedkonsentrasies veroorsaak wat hierdie riglyne oorskry, beide in die algemeen en in gelokaliseerde plekke. Dit het baie skaars geword om eers eenmalige verkoeling vir nuwe kragsentrales te oorweeg. Die meeste word gebou met koeltorings, of in sommige gevalle, lugverkoelde kondensors (ACC). Vir diegene met koeltorings kan die konsentrasie van onsuiwerhede in skoonheidsmiddels "opsirkuleer". Byvoorbeeld, 'n kolom met 'n aanmaakwaterchloriedkonsentrasie van 50 mg/l werk met vyf konsentrasiesiklusse, en die chloriedinhoud van die sirkulerende water is 250 mg/l. Dit alleen behoort oor die algemeen 304 SS uit te sluit. Daarbenewens is daar in nuwe en bestaande aanlegte 'n toenemende behoefte om vars water te vervang vir die aanvulling van aanlegte. 'n Algemene alternatief is munisipale afvalwater. Tabel 2 vergelyk die ontleding van die vier varswatervoorrade met die vier afvalwatervoorrade.
Wees op die uitkyk vir verhoogde chloriedvlakke (en ander onsuiwerhede, soos stikstof en fosfor, wat mikrobiese kontaminasie in verkoelingstelsels aansienlik kan verhoog). Vir feitlik alle gryswater sal enige sirkulasie in die verkoeltoring die chloriedlimiet wat deur 316 SS aanbeveel word, oorskry.
Die voorafgaande bespreking is gebaseer op die korrosiepotensiaal van algemene metaaloppervlakke. Frakture en sedimente verander die storie dramaties, aangesien beide plekke bied waar onsuiwerhede kan konsentreer. 'n Tipiese plek vir meganiese krake in kondensors en soortgelyke hitteruilers is by buis-tot-buis plaatverbindings. Sediment binne die buis kan krake by die sedimentgrens skep, en die sediment self kan dien as 'n plek vir kontaminasie. Verder, omdat vlekvrye staal staatmaak op 'n deurlopende oksiedlaag vir beskerming, kan die neerslae suurstofarme plekke vorm wat die oorblywende staaloppervlak in 'n anode verander.
Bogenoemde bespreking skets kwessies wat aanlegontwerpers tipies nie oorweeg wanneer hulle kondensor- en hulpwarmtewisselaarbuismateriale vir nuwe projekte spesifiseer nie. Die mentaliteit rakende die 304 en 316 SS lyk soms steeds "dis wat ons nog altyd gedoen het" sonder om die gevolge van sulke aksies in ag te neem. Alternatiewe materiale is beskikbaar om die strawwer koelwatertoestande te hanteer waarmee baie aanlegte nou te kampe het.
Voordat alternatiewe metale bespreek word, moet nog 'n punt kortliks genoem word. In baie gevalle het 'n 316 SS of selfs 'n 304 SS goed presteer tydens normale werking, maar tydens 'n kragonderbreking gefaal. In die meeste gevalle is die faling te wyte aan swak dreinering van die kondensor of hitteruiler wat stilstaande water in die buise veroorsaak. Hierdie omgewing bied ideale toestande vir die groei van mikroörganismes. Mikrobiese kolonies produseer weer korrosiewe verbindings wat die buisvormige metaal direk korrodeer.
Hierdie meganisme, bekend as mikrobies geïnduseerde korrosie (MIC), is bekend daarvoor dat dit vlekvrye staalpype en ander metale binne weke vernietig. Indien die hitteruiler nie gedreineer kan word nie, moet ernstige oorweging gegee word aan die periodieke sirkulasie van water deur die hitteruiler en die byvoeging van biosied tydens die proses. (Vir meer besonderhede oor behoorlike oplegprosedures, sien D. Janikowski, “Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations”; gehou 4-6 Junie 2019 in Champaign, IL. Aangebied by die 39ste Electric Utility Chemistry Simposium.)
Vir die strawwe omgewings wat hierbo uitgelig is, sowel as strawer omgewings soos brakwater of seewater, kan alternatiewe metale gebruik word om onsuiwerhede af te weer. Drie legeringsgroepe het suksesvol bewys: kommersieel suiwer titaan, 6% molibdeen austenitiese vlekvrye staal en superferritiese vlekvrye staal. Hierdie legerings is ook MIC-bestand. Alhoewel titaan as baie bestand teen korrosie beskou word, maak die seshoekige diggepakte kristalstruktuur en uiters lae elastiese modulus dit vatbaar vir meganiese skade. Hierdie legering is die beste geskik vir nuwe installasies met sterk buisondersteuningsstrukture. 'n Uitstekende alternatief is die superferritiese vlekvrye staal Sea-Cure®. Die samestelling van hierdie materiaal word hieronder getoon.
Die staal is hoog in chroom maar laag in nikkel, dus is dit 'n ferritiese vlekvrye staal eerder as 'n austenitiese vlekvrye staal. As gevolg van sy lae nikkelinhoud kos dit baie minder as ander legerings. Sea-Cure se hoë sterkte en elastiese modulus maak voorsiening vir dunner wande as ander materiale, wat lei tot verbeterde hitte-oordrag.
Die verbeterde eienskappe van hierdie metale word op die "Pitting Resistance Equivalent Number"-kaart getoon, wat, soos die naam aandui, 'n toetsprosedure is wat gebruik word om die weerstand van verskeie metale teen putkorrosie te bepaal.
Een van die mees algemene vrae is: "Wat is die maksimum chloriedinhoud wat 'n spesifieke graad vlekvrye staal kan verdra?" Die antwoorde wissel wyd. Faktore sluit in pH, temperatuur, teenwoordigheid en tipe frakture, en die potensiaal vir aktiewe biologiese spesies. 'n Gereedskap is op die regter-as van Figuur 5 bygevoeg om met hierdie besluit te help. Dit is gebaseer op neutrale pH, 35°C vloeiende water wat algemeen in baie BOP- en kondensasietoepassings voorkom (om neerslagvorming en kraakvorming te voorkom). Sodra 'n legering met 'n spesifieke chemiese samestelling gekies is, kan PREn bepaal word en dan met die toepaslike skuinsstreep gesny word. Die aanbevole maksimum chloriedvlak kan dan bepaal word deur 'n horisontale lyn op die regter-as te trek. Oor die algemeen, as 'n legering vir brak- of seewatertoepassings oorweeg moet word, moet dit 'n CCT bo 25 grade Celsius hê soos gemeet deur die G 48-toets.
Dit is duidelik dat die superferritiese legerings wat deur Sea-Cure® verteenwoordig word, oor die algemeen geskik is, selfs vir seewatertoepassings. Daar is nog 'n voordeel van hierdie materiale wat beklemtoon moet word. Mangaankorrosieprobleme word al jare lank vir 304 en 316 SS waargeneem, insluitend by aanlegte langs die Ohio-rivier. Onlangs is hitteruilers by aanlegte langs die Mississippi- en Missouri-riviere aangeval. Mangaankorrosie is ook 'n algemene probleem in boorwater-aanvullingstelsels. Die korrosiemeganisme is geïdentifiseer as mangaandioksied (MnO2) wat met 'n oksiderende biosied reageer om soutsuur onder die neerslag te genereer. HCl is wat metale werklik aanval. [WH Dickinson en RW Pick, "Mangaan-afhanklike korrosie in die elektriese kragbedryf"; aangebied by die 2002 NACE Jaarlikse Korrosiekonferensie, Denver, CO.] Ferritiese staal is bestand teen hierdie korrosiemeganisme.
Die keuse van hoërgraadse materiale vir kondensor- en hitteruilerbuise is steeds geen plaasvervanger vir behoorlike waterbehandelingschemiebeheer nie. Soos outeur Buecker in 'n vorige kragingenieursartikel uiteengesit het, is 'n behoorlik ontwerpte en bedryfde chemiese behandelingsprogram nodig om die potensiaal vir skaalvorming, korrosie en besoedeling te verminder. Polimeerchemie kom na vore as 'n kragtige alternatief vir ouer fosfaat/fosfonaatchemie om korrosie en skaalvorming in koeltoringstelsels te beheer. Die beheer van mikrobiese kontaminasie was en sal steeds 'n kritieke kwessie wees. Terwyl oksidatiewe chemie met chloor, bleikmiddel of soortgelyke verbindings die hoeksteen van mikrobiese beheer is, kan aanvullende behandelings dikwels die doeltreffendheid van behandelingsprogramme verbeter. Een so 'n voorbeeld is stabiliseringschemie, wat help om die vrystellingstempo en doeltreffendheid van chloorgebaseerde oksiderende biosiede te verhoog sonder om enige skadelike verbindings in die water in te bring. Daarbenewens kan aanvullende toediening met nie-oksiderende swamdoders baie voordelig wees om mikrobiese ontwikkeling te beheer. Die gevolg is dat daar baie maniere is om die volhoubaarheid en betroubaarheid van kragsentrale-hitteruilers te verbeter, maar elke stelsel is anders, dus is noukeurige beplanning en konsultasie met bedryfskundiges belangrik vir die keuse van materiale en chemiese prosedures. Baie van Hierdie artikel is vanuit 'n waterbehandelingsperspektief geskryf. Ons is nie betrokke by materiaalbesluite nie, maar ons word gevra om te help om die impak van daardie besluite te bestuur sodra die toerusting in werking is. Die finale besluit oor materiaalkeuse moet deur aanlegpersoneel geneem word op grond van 'n aantal faktore wat vir elke toepassing gespesifiseer word.
Oor die outeur: Brad Buecker is 'n Senior Tegniese Publisis by ChemTreat. Hy het 36 jaar ondervinding in of verbonde aan die kragbedryf, baie daarvan in stoomopwekkingschemie, waterbehandeling, luggehaltebeheer en by City Water, Light & Power (Springfield, IL) en Kansas City Power & Light Company is geleë te La Cygne Station, Kansas. Hy het ook twee jaar as waarnemende water/afvalwater toesighouer by 'n chemiese aanleg deurgebring. Buecker het 'n BSc in Chemie van die Iowa State University met bykomende kursuswerk in Vloeimeganika, Energie en Materiaal-ewewig, en Gevorderde Anorganiese Chemie.
Dan Janikowski is Tegniese Bestuurder by Plymouth Tube. Hy is vir 35 jaar betrokke by die ontwikkeling van metale, die vervaardiging en toetsing van buisvormige produkte, insluitend koperlegerings, vlekvrye staal, nikkellegerings, titanium en koolstofstaal. Janikowski is sedert 2005 by Plymouth Metro en het verskeie senior poste beklee voordat hy in 2010 Tegniese Bestuurder geword het.