الدعوة الدولية لتقديم محتوى POWERGEN مفتوحة الآن! نبحث عن متحدثين من قطاع المرافق وتوليد الطاقة. تشمل المواضيع توليد الطاقة التقليدية والمتجددة، والتحول الرقمي لمحطات الطاقة، وتخزين الطاقة، والشبكات الصغيرة، وتحسين المحطة، والطاقة في الموقع، والمزيد.
لقد راجع المؤلفون مواصفات مشاريع الطاقة الجديدة مرارًا وتكرارًا، حيث يختار مصممو المحطات عادةً الفولاذ المقاوم للصدأ 304 أو 316 لأنابيب المكثف والمبادل الحراري المساعد. بالنسبة للكثيرين، يستحضر مصطلح الفولاذ المقاوم للصدأ هالة من التآكل الذي لا يقهر، بينما في الواقع، يمكن أن يكون الفولاذ المقاوم للصدأ في بعض الأحيان أسوأ خيار لأنه عرضة للتآكل الموضعي. وفي هذا العصر الذي يتسم بانخفاض توافر المياه العذبة لتعويض مياه التبريد، إلى جانب أبراج التبريد التي تعمل في دورات تركيز عالية، يتم تضخيم آليات فشل الفولاذ المقاوم للصدأ المحتملة. في بعض التطبيقات، لن يبقى الفولاذ المقاوم للصدأ من السلسلة 300 على قيد الحياة إلا لعدة أشهر، وأحيانًا أسابيع فقط، قبل الفشل. تركز هذه المقالة على الأقل على القضايا التي يجب مراعاتها عند اختيار مواد أنابيب المكثف من منظور معالجة المياه. تشمل العوامل الأخرى التي لم تتم مناقشتها في هذه الورقة ولكنها تلعب دورًا في اختيار المواد قوة المادة وخصائص نقل الحرارة ومقاومة القوى الميكانيكية، بما في ذلك التعب والتآكل التآكلي.
يؤدي إضافة 12% أو أكثر من الكروم إلى الفولاذ إلى تكوين طبقة أكسيد مستمرة من السبائك تحمي المعدن الأساسي الموجود أسفله. ومن هنا جاء مصطلح الفولاذ المقاوم للصدأ. وفي غياب مواد السبائك الأخرى (وخاصة النيكل)، يكون الفولاذ الكربوني جزءًا من مجموعة الفريت، وتحتوي خليته الوحدوية على بنية مكعبية مركزية الجسم (BCC).
عندما يضاف النيكل إلى خليط السبائك بتركيز 8% أو أعلى، حتى في درجة الحرارة المحيطة، فإن الخلية سوف توجد في بنية مكعبية ذات وجه مركزي (FCC) تسمى الأوستينيت.
كما هو موضح في الجدول 1، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ من السلسلة 300 وأنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأخرى تحتوي على نسبة من النيكل تنتج بنية أوستنيتية.
لقد ثبت أن الفولاذ الأوستنيتي ذو قيمة كبيرة في العديد من التطبيقات، بما في ذلك كمادة لأنابيب التسخين الفائق وإعادة التسخين في غلايات الطاقة. تُستخدم سلسلة 300 على وجه الخصوص غالبًا كمادة لأنابيب المبادل الحراري ذات درجة الحرارة المنخفضة، بما في ذلك مكثفات سطح البخار. ومع ذلك، في هذه التطبيقات يتجاهل الكثيرون آليات الفشل المحتملة.
تكمن الصعوبة الرئيسية مع الفولاذ المقاوم للصدأ، وخاصة المواد الشائعة 304 و316، في أن طبقة الأكسيد الواقية غالبًا ما يتم تدميرها بواسطة الشوائب الموجودة في مياه التبريد والشقوق والرواسب التي تساعد في تركيز الشوائب. بالإضافة إلى ذلك، في ظل ظروف الإغلاق، يمكن أن تؤدي المياه الراكدة إلى نمو الميكروبات، والتي يمكن أن تكون منتجاتها الأيضية ضارة للغاية بالمعادن.
يعتبر الكلوريد أحد الشوائب الشائعة في مياه التبريد، وهو أحد أصعب الشوائب التي يمكن إزالتها اقتصاديًا. يمكن أن يسبب هذا الأيون العديد من المشاكل في مولدات البخار، ولكن في المكثفات والمبادلات الحرارية المساعدة، تكمن الصعوبة الرئيسية في أن الكلوريدات بتركيزات كافية يمكن أن تخترق وتدمر طبقة الأكسيد الواقية على الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يتسبب في التآكل الموضعي، أي التآكل النقطي.
يعتبر التآكل النقطي أحد أكثر أشكال التآكل خطورة لأنه يمكن أن يتسبب في اختراق الجدران وفشل المعدات مع فقدان القليل من المعدن.
لا يجب أن تكون تركيزات الكلوريد مرتفعة للغاية لتسبب التآكل الحفري في الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و316، وبالنسبة للأسطح النظيفة الخالية من أي رواسب أو شقوق، فإن تركيزات الكلوريد القصوى الموصى بها تعتبر الآن كما يلي:
يمكن لعدة عوامل أن تنتج بسهولة تركيزات كلوريد تتجاوز هذه الإرشادات، سواء بشكل عام أو في مواقع محلية. أصبح من النادر جدًا التفكير أولاً في التبريد لمرة واحدة لمحطات الطاقة الجديدة. يتم بناء معظمها بأبراج تبريد، أو في بعض الحالات، مكثفات مبردة بالهواء (ACC). بالنسبة لتلك التي تحتوي على أبراج تبريد، يمكن أن "يتزايد" تركيز الشوائب في مستحضرات التجميل. على سبيل المثال، يعمل عمود بتركيز كلوريد ماء مكياج يبلغ 50 ملجم/لتر بخمس دورات تركيز، ومحتوى الكلوريد في الماء المتداول هو 250 ملجم/لتر. هذا وحده يجب أن يستبعد بشكل عام 304 SS. بالإضافة إلى ذلك، في المحطات الجديدة والقائمة، هناك حاجة متزايدة لاستبدال المياه العذبة لإعادة شحن المحطة. البديل الشائع هو مياه الصرف الصحي البلدية. يقارن الجدول 2 تحليل إمدادات المياه العذبة الأربعة مع إمدادات مياه الصرف الصحي الأربعة.
احذر من مستويات الكلوريد المرتفعة (والشوائب الأخرى، مثل النيتروجين والفوسفور، والتي يمكن أن تزيد بشكل كبير من التلوث الميكروبي في أنظمة التبريد). بالنسبة لجميع المياه الرمادية تقريبًا، فإن أي دوران في برج التبريد سيتجاوز حد الكلوريد الموصى به بواسطة 316 SS.
تعتمد المناقشة السابقة على إمكانية التآكل في الأسطح المعدنية الشائعة. تغير الكسور والرواسب القصة بشكل كبير، حيث يوفر كلاهما أماكن يمكن أن تتركز فيها الشوائب. الموقع النموذجي للشقوق الميكانيكية في المكثفات والمبادلات الحرارية المماثلة هو الوصلات بين الأنابيب. يمكن أن تخلق الرواسب داخل الأنبوب شقوقًا على حدود الرواسب، ويمكن أن تعمل الرواسب نفسها كموقع للتلوث. علاوة على ذلك، نظرًا لأن الفولاذ المقاوم للصدأ يعتمد على طبقة أكسيد مستمرة للحماية، يمكن أن تشكل الرواسب مواقع فقيرة بالأكسجين تحول سطح الفولاذ المتبقي إلى أنود.
تتناول المناقشة أعلاه القضايا التي لا يأخذها مصممو المصانع عادةً في الاعتبار عند تحديد مواد أنابيب المكثف والمبادل الحراري المساعد للمشاريع الجديدة. لا تزال العقلية فيما يتعلق بـ 304 و 316 SS تبدو أحيانًا وكأنها "هذا ما فعلناه دائمًا" دون النظر في عواقب مثل هذه الإجراءات. تتوفر مواد بديلة للتعامل مع ظروف مياه التبريد الأكثر قسوة التي تواجهها العديد من المصانع الآن.
قبل مناقشة المعادن البديلة، يجب ذكر نقطة أخرى بإيجاز. في كثير من الحالات، كان أداء 316 SS أو حتى 304 SS جيدًا أثناء التشغيل العادي، لكنه فشل أثناء انقطاع التيار الكهربائي. في معظم الحالات، يكون الفشل بسبب سوء تصريف المكثف أو المبادل الحراري مما يتسبب في ركود المياه في الأنابيب. توفر هذه البيئة الظروف المثالية لنمو الكائنات الحية الدقيقة. تنتج المستعمرات الميكروبية بدورها مركبات تآكلية تؤدي مباشرة إلى تآكل المعدن الأنبوبي.
من المعروف أن هذه الآلية، المعروفة باسم التآكل الناجم عن الميكروبات (MIC)، تدمر أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ والمعادن الأخرى في غضون أسابيع. إذا لم يكن من الممكن تصريف المبادل الحراري، فيجب التفكير بجدية في تدوير المياه بشكل دوري من خلال المبادل الحراري وإضافة مبيد حيوي أثناء العملية. (لمزيد من التفاصيل حول إجراءات وضع الطبقات المناسبة، راجع D. Janikowski، "Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations"؛ الذي عقد في الفترة من 4 إلى 6 يونيو 2019 في شامبين، إلينوي، قدم في ندوة الكيمياء التاسعة والثلاثين لمرافق الكهرباء.)
بالنسبة للبيئات القاسية المذكورة أعلاه، وكذلك البيئات الأكثر قسوة مثل المياه المالحة أو مياه البحر، يمكن استخدام المعادن البديلة لدرء الشوائب. وقد أثبتت ثلاث مجموعات من السبائك نجاحها، وهي التيتانيوم النقي تجاريًا، والفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الموليبدينوم بنسبة 6٪، والفولاذ المقاوم للصدأ الفائق الفيريتي. هذه السبائك مقاومة أيضًا لـ MIC. وعلى الرغم من أن التيتانيوم يعتبر مقاومًا جدًا للتآكل، إلا أن بنيته البلورية السداسية المعبأة ومعامل المرونة المنخفض للغاية يجعله عرضة للتلف الميكانيكي. هذه السبائك مناسبة بشكل أفضل للتركيبات الجديدة ذات هياكل دعم الأنابيب القوية. البديل الممتاز هو الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق الفيريتي Sea-Cure®. يظهر تكوين هذه المادة أدناه.
يحتوي الفولاذ على نسبة عالية من الكروم ولكن نسبة منخفضة من النيكل، لذا فهو عبارة عن فولاذ مقاوم للصدأ فريتي وليس فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي. ونظرًا لانخفاض محتواه من النيكل، فإن تكلفته أقل بكثير من السبائك الأخرى. تسمح القوة العالية ومعامل المرونة في Sea-Cure بجدران أرق من المواد الأخرى، مما يؤدي إلى تحسين نقل الحرارة.
تظهر الخصائص المحسنة لهذه المعادن في مخطط "رقم مكافئ مقاومة التآكل النقطي"، والذي، كما يوحي الاسم، هو إجراء اختبار يستخدم لتحديد مقاومة المعادن المختلفة للتآكل النقطي.
من أكثر الأسئلة شيوعًا: "ما هو الحد الأقصى لمحتوى الكلوريد الذي يتحمله نوع معين من الفولاذ المقاوم للصدأ؟" تتفاوت الإجابات بشكل كبير. تشمل العوامل درجة الحموضة (pH)، ودرجة الحرارة، ووجود الكسور ونوعها، واحتمالية وجود أنواع بيولوجية نشطة. أُضيفت أداة على المحور الأيمن للشكل 5 للمساعدة في هذا القرار. يعتمد هذا على درجة حموضة محايدة، ومياه جارية بدرجة حرارة 35 درجة مئوية، وهي شائعة الاستخدام في العديد من تطبيقات مانعات التسرب (BOP) والتكثيف (لمنع تكوّن الرواسب والشقوق). بمجرد اختيار سبيكة ذات تركيبة كيميائية محددة، يمكن تحديد PREn ثم تقاطعها مع الخط المائل المناسب. يمكن بعد ذلك تحديد الحد الأقصى الموصى به لمستوى الكلوريد برسم خط أفقي على المحور الأيمن. بشكل عام، إذا كانت السبائك ستُستخدم في تطبيقات المياه قليلة الملوحة أو مياه البحر، فيجب أن يكون لها درجة حرارة تحويل (CCT) أعلى من 25 درجة مئوية، كما هو مُقاس باختبار G 48.
من الواضح أن السبائك الفائقة الفريتية التي تمثلها Sea-Cure® مناسبة عمومًا لتطبيقات مياه البحر. وهناك فائدة أخرى لهذه المواد يجب التأكيد عليها. لُوحظت مشاكل تآكل المنغنيز في الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و316 لسنوات عديدة، بما في ذلك في المصانع الواقعة على طول نهر أوهايو. ومؤخرًا، تعرضت المبادلات الحرارية في المصانع الواقعة على طول نهري المسيسيبي وميسوري للهجوم. يُعد تآكل المنغنيز أيضًا مشكلة شائعة في أنظمة تعويض مياه الآبار. وقد تم تحديد آلية التآكل على أنها تفاعل ثاني أكسيد المنغنيز (MnO2) مع مبيد حيوي مؤكسد لتوليد حمض الهيدروكلوريك تحت الرواسب. حمض الهيدروكلوريك هو ما يهاجم المعادن في الواقع. [WH Dickinson وRW Pick، "التآكل المعتمد على المنغنيز في صناعة الطاقة الكهربائية"؛ عُرض في مؤتمر التآكل السنوي للجمعية الوطنية للمهندسين الكيميائيين (NACE) لعام 2002، دنفر، كولورادو]. تتميز الفولاذات الفريتية بمقاومتها لآلية التآكل هذه.
إن اختيار مواد عالية الجودة لأنابيب المكثفات والمبادلات الحرارية لا يزال لا يغني عن التحكم الجيد في كيمياء معالجة المياه. وكما أوضح الكاتب بويكر في مقال سابق حول هندسة الطاقة، فإن برنامج معالجة كيميائية مصمم ومُشغل بشكل صحيح ضروري لتقليل احتمالية الترسبات والتآكل والتلوث. تبرز كيمياء البوليمر كبديل قوي لكيمياء الفوسفات/الفوسفونات القديمة للتحكم في التآكل والترسبات في أنظمة أبراج التبريد. لطالما كانت السيطرة على التلوث الميكروبي، وستظل كذلك، قضية حرجة. في حين أن الكيمياء المؤكسدة بالكلور أو المبيض أو المركبات المماثلة تُمثل حجر الأساس في مكافحة الميكروبات، فإن المعالجات التكميلية غالبًا ما تُحسّن كفاءة برامج المعالجة. ومن الأمثلة على ذلك كيمياء التثبيت، التي تساعد على زيادة معدل إطلاق وكفاءة المبيدات الحيوية المؤكسدة القائمة على الكلور دون إدخال أي مركبات ضارة في الماء. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون التغذية التكميلية بمبيدات الفطريات غير المؤكسدة مفيدة جدًا في السيطرة على نمو الميكروبات. والنتيجة هي وجود العديد من الطرق لتحسين استدامة وموثوقية التدفئة في محطات الطاقة. إن المبادلات الحرارية هي مبادلات حرارية، ولكن كل نظام يختلف عن الآخر، لذا فإن التخطيط الدقيق والتشاور مع خبراء الصناعة أمر مهم لاختيار المواد والإجراءات الكيميائية. لقد تمت كتابة جزء كبير من هذه المقالة من منظور معالجة المياه، ونحن لا نشارك في قرارات المواد، ولكن يُطلب منا المساعدة في إدارة تأثير تلك القرارات بمجرد تشغيل المعدات. يجب أن يتخذ موظفو المصنع القرار النهائي بشأن اختيار المواد بناءً على عدد من العوامل المحددة لكل تطبيق.
نبذة عن المؤلف: براد بويكر هو مسؤول العلاقات العامة الفني الأول في شركة ChemTreat. لديه 36 عامًا من الخبرة في صناعة الطاقة أو تابعة لها، ومعظمها في كيمياء توليد البخار، ومعالجة المياه، ومراقبة جودة الهواء وفي شركة City Water, Light & Power (سبرينجفيلد، إلينوي) وشركة Kansas City Power & Light Company الموجودة في محطة لا سيجن، كانساس. كما أمضى عامين كمشرف بالإنابة على المياه / مياه الصرف الصحي في مصنع للمواد الكيميائية. حصل بويكر على درجة البكالوريوس في الكيمياء من جامعة ولاية آيوا مع دورات تدريبية إضافية في ميكانيكا الموائع، وتوازن الطاقة والمواد، والكيمياء غير العضوية المتقدمة.
دان جانيكوفسكي هو المدير الفني في شركة بليموث مترو. لمدة 35 عامًا، شارك في تطوير المعادن وتصنيع واختبار المنتجات الأنبوبية بما في ذلك سبائك النحاس والفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل والتيتانيوم والفولاذ الكربوني. بعد أن عمل في شركة بليموث مترو منذ عام 2005، شغل جانيكوفسكي مناصب عليا مختلفة قبل أن يصبح المدير الفني في عام 2010.