راجع المؤلفون مرارًا وتكرارًا مواصفات مشاريع الطاقة الجديدة، حيث يختار مصممو المحطات عادةً الفولاذ المقاوم للصدأ من النوعين 304 أو 316 لأنابيب المكثف والمبادلات الحرارية المساعدة. بالنسبة للكثيرين، يوحي مصطلح الفولاذ المقاوم للصدأ بمفهوم مقاومته للتآكل، بينما في الواقع، قد يكون الفولاذ المقاوم للصدأ أحيانًا أسوأ خيار لأنه عرضة للتآكل الموضعي. وفي هذا العصر الذي يشهد انخفاضًا في توافر المياه العذبة لتغذية مياه التبريد، بالإضافة إلى تشغيل أبراج التبريد بدورات تركيز عالية، تتفاقم احتمالية فشل الفولاذ المقاوم للصدأ. في بعض التطبيقات، لا يصمد الفولاذ المقاوم للصدأ من سلسلة 300 إلا لأشهر، وأحيانًا لأسابيع فقط، قبل أن يتعطل. تركز هذه المقالة على الأقل على القضايا التي يجب مراعاتها عند اختيار مواد أنابيب المكثف من منظور معالجة المياه. تشمل العوامل الأخرى التي لم تُناقش في هذه الورقة ولكنها تؤثر على اختيار المواد: قوة المادة، وخصائص نقل الحرارة، ومقاومة القوى الميكانيكية، بما في ذلك تآكل الإجهاد والتآكل الناتج عن الاحتكاك.
تؤدي إضافة 12% أو أكثر من الكروم إلى الفولاذ إلى تكوين طبقة أكسيد متصلة تحمي المعدن الأساسي الموجود أسفلها. ومن هنا جاء مصطلح الفولاذ المقاوم للصدأ. في غياب مواد السبائك الأخرى (وخاصة النيكل)، يُعد الفولاذ الكربوني جزءًا من مجموعة الفريت، وتتميز وحدته الخلوية ببنية مكعبة مركزية الجسم (BCC).
عند إضافة النيكل إلى خليط السبيكة بتركيز 8٪ أو أعلى، ستوجد الخلية في بنية مكعبة مركزية الوجوه (FCC) تسمى الأوستنيت، حتى في درجة الحرارة المحيطة.
كما هو موضح في الجدول 1، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ من سلسلة 300 وأنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأخرى تحتوي على نسبة من النيكل تنتج بنية أوستنيتية.
أثبتت الفولاذات الأوستنيتية قيمتها الكبيرة في العديد من التطبيقات، بما في ذلك استخدامها كمادة لأنابيب التسخين الفائق وإعادة التسخين في غلايات الطاقة ذات درجات الحرارة العالية. وتُستخدم سلسلة 300 تحديدًا كمادة لأنابيب المبادلات الحرارية ذات درجات الحرارة المنخفضة، بما في ذلك مكثفات سطح البخار. ومع ذلك، في هذه التطبيقات تحديدًا، يتجاهل الكثيرون آليات الفشل المحتملة.
تكمن الصعوبة الرئيسية في الفولاذ المقاوم للصدأ، وخاصة المواد الشائعة من النوعين 304 و316، في أن طبقة الأكسيد الواقية غالباً ما تتلف بفعل الشوائب الموجودة في مياه التبريد والشقوق والترسبات التي تساعد على تركيز الشوائب. بالإضافة إلى ذلك، في ظروف الإيقاف، يمكن أن يؤدي ركود المياه إلى نمو الميكروبات، التي يمكن أن تكون نواتجها الأيضية ضارة للغاية بالمعادن.
يُعد الكلوريد من الشوائب الشائعة في مياه التبريد، وهو من أصعبها إزالةً من الناحية الاقتصادية. يمكن أن يتسبب هذا الأيون في العديد من المشاكل في مولدات البخار، ولكن في المكثفات والمبادلات الحرارية المساعدة، تكمن الصعوبة الرئيسية في أن الكلوريدات بتركيزات كافية يمكنها اختراق طبقة الأكسيد الواقية على الفولاذ المقاوم للصدأ وتدميرها، مما يتسبب في تآكل موضعي، أي تنقر.
يُعد التآكل النقطي أحد أكثر أشكال التآكل خبثًا لأنه يمكن أن يتسبب في اختراقات في الجدران وفشل المعدات مع فقدان ضئيل للمعدن.
لا يلزم أن تكون تركيزات الكلوريد عالية جدًا للتسبب في تآكل التنقر في الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و 316، وبالنسبة للأسطح النظيفة الخالية من أي رواسب أو شقوق، فإن الحد الأقصى الموصى به لتركيزات الكلوريد هو:
يمكن لعدة عوامل أن تؤدي بسهولة إلى تركيزات كلوريد تتجاوز هذه الحدود، سواء بشكل عام أو في مواقع محددة. وقد أصبح من النادر جدًا التفكير في التبريد المباشر لمحطات الطاقة الجديدة. فمعظمها مبني بأبراج تبريد، أو في بعض الحالات، بمكثفات تبريد هوائي. بالنسبة للمحطات التي تستخدم أبراج التبريد، قد يرتفع تركيز الشوائب في مستحضرات التجميل مع مرور الوقت. على سبيل المثال، عمود تبريد بتركيز كلوريد في مياه التغذية يبلغ 50 ملغم/لتر، يعمل بخمس دورات تركيز، ويبلغ محتوى الكلوريد في المياه المتداولة 250 ملغم/لتر. وهذا وحده كافٍ لاستبعاد استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ 304. بالإضافة إلى ذلك، في المحطات الجديدة والقائمة، تزداد الحاجة إلى استبدال المياه العذبة لتغذية المحطة. ويُعد الصرف الصحي البلدي بديلاً شائعًا. يقارن الجدول 2 تحليل مصادر المياه العذبة الأربعة مع مصادر مياه الصرف الصحي الأربعة.
انتبه لارتفاع مستويات الكلوريد (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 بموجب 316 SS.
تستند المناقشة السابقة إلى قابلية تآكل الأسطح المعدنية الشائعة. إلا أن الشقوق والترسبات تُغير الوضع جذريًا، إذ يُوفر كلاهما أماكن لتراكم الشوائب. ومن المواقع الشائعة للتشققات الميكانيكية في المكثفات والمبادلات الحرارية المماثلة، نقاط اتصال الأنابيب بألواح الأنابيب. ويمكن للترسبات داخل الأنبوب أن تُحدث تشققات عند حدودها، كما يُمكن أن تُصبح الترسبات نفسها موقعًا للتلوث. علاوة على ذلك، ولأن الفولاذ المقاوم للصدأ يعتمد على طبقة أكسيد متصلة للحماية، يُمكن أن تُشكل الترسبات مواقع فقيرة بالأكسجين تُحوّل سطح الفولاذ المتبقي إلى قطب موجب.
تُبيّن المناقشة السابقة بعض المشكلات التي لا يأخذها مصممو المحطات عادةً في الحسبان عند تحديد مواد أنابيب المكثفات والمبادلات الحرارية المساعدة للمشاريع الجديدة. ويبدو أن العقلية السائدة فيما يتعلق بالفولاذ المقاوم للصدأ 304 و316 لا تزال قائمة على مبدأ "هذا ما اعتدنا عليه" دون التفكير في عواقب هذا النهج. تتوفر مواد بديلة قادرة على التعامل مع ظروف مياه التبريد القاسية التي تواجهها العديد من المحطات حاليًا.
قبل مناقشة المعادن البديلة، لا بد من الإشارة إلى نقطة أخرى بإيجاز. في كثير من الحالات، كان أداء الفولاذ المقاوم للصدأ 316 أو حتى 304 جيدًا أثناء التشغيل العادي، ولكنه تعطل أثناء انقطاع التيار الكهربائي. في معظم الحالات، يعود سبب العطل إلى سوء تصريف المكثف أو المبادل الحراري، مما يؤدي إلى ركود الماء في الأنابيب. توفر هذه البيئة ظروفًا مثالية لنمو الكائنات الدقيقة. بدورها، تنتج مستعمرات الميكروبات مركبات أكالة تُسبب تآكل المعدن الأنبوبي بشكل مباشر.
تُعرف هذه الآلية، التي تُسمى التآكل الميكروبي (MIC)، بقدرتها على إتلاف أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ والمعادن الأخرى في غضون أسابيع. إذا تعذر تصريف المبادل الحراري، فينبغي التفكير جدياً في تدوير الماء دورياً عبره وإضافة مبيد حيوي أثناء العملية. (للمزيد من التفاصيل حول إجراءات التغليف الصحيحة، انظر: د. جانيكوفسكي، "تغليف المكثف ومبادلات BOP - اعتبارات"؛ عُقد في الفترة من 4 إلى 6 يونيو 2019 في شامبين، إلينوي، وقُدِّم في ندوة كيمياء المرافق الكهربائية التاسعة والثلاثين).
في البيئات القاسية المذكورة أعلاه، وكذلك البيئات الأكثر قسوة كالمياه قليلة الملوحة أو مياه البحر، يمكن استخدام معادن بديلة لمقاومة الشوائب. وقد أثبتت ثلاث مجموعات من السبائك نجاحها، وهي: التيتانيوم النقي تجاريًا، والفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المحتوي على 6% من الموليبدينوم، والفولاذ المقاوم للصدأ الفائق الفريتي. تتميز هذه السبائك أيضًا بمقاومتها للتآكل الميكروبي. على الرغم من أن التيتانيوم يُعتبر مقاومًا جدًا للتآكل، إلا أن بنيته البلورية السداسية المتراصة ومعامل مرونته المنخفض للغاية تجعله عرضة للتلف الميكانيكي. تُعد هذه السبيكة الأنسب للتركيبات الجديدة ذات هياكل دعم الأنابيب القوية. ويُعد الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق الفريتي Sea-Cure® بديلاً ممتازًا، ويُوضح تركيبه أدناه.
يتميز هذا الفولاذ بارتفاع نسبة الكروم وانخفاض نسبة النيكل، مما يجعله فولاذًا مقاومًا للصدأ من نوع الفريت وليس الأوستنيتي. وبسبب انخفاض نسبة النيكل فيه، فإن تكلفته أقل بكثير من السبائك الأخرى. كما أن قوة Sea-Cure العالية ومعامل مرونته يسمحان باستخدام جدران أرق من المواد الأخرى، مما يؤدي إلى تحسين نقل الحرارة.
تظهر الخصائص المحسنة لهذه المعادن في مخطط "رقم مكافئ مقاومة التنقر"، والذي، كما يوحي الاسم، هو إجراء اختبار يستخدم لتحديد مقاومة المعادن المختلفة للتآكل التنقري.
من أكثر الأسئلة شيوعًا: "ما هو الحد الأقصى لمحتوى الكلوريد الذي يمكن أن يتحمله نوع معين من الفولاذ المقاوم للصدأ؟" وتختلف الإجابات اختلافًا كبيرًا. تشمل العوامل درجة الحموضة، ودرجة الحرارة، ووجود الشقوق ونوعها، واحتمالية وجود أنواع بيولوجية نشطة. أُضيفت أداة على المحور الأيمن من الشكل 5 للمساعدة في اتخاذ هذا القرار. تعتمد هذه الأداة على درجة حموضة متعادلة، وماء جارٍ عند درجة حرارة 35 درجة مئوية، وهو شائع في العديد من تطبيقات مانع الانفجار وتطبيقات التكثيف (لمنع تكون الرواسب وتكوّن الشقوق). بمجرد اختيار سبيكة ذات تركيبة كيميائية محددة، يمكن تحديد قيمة PREn ثم تقاطعها بالخط المائل المناسب. بعد ذلك، يمكن تحديد الحد الأقصى الموصى به لمستوى الكلوريد برسم خط أفقي على المحور الأيمن. بشكل عام، إذا كان سيتم النظر في استخدام سبيكة ما في تطبيقات المياه قليلة الملوحة أو مياه البحر، فيجب أن يكون لها درجة حرارة انتقال حراري (CCT) أعلى من 25 درجة مئوية، كما تم قياسها بواسطة اختبار G 48.
من الواضح أن سبائك الفريت الفائقة التي تمثلها شركة Sea-Cure® مناسبة عمومًا حتى للاستخدام في مياه البحر. وهناك ميزة أخرى لهذه المواد جديرة بالتأكيد. فقد لوحظت مشاكل تآكل المنجنيز في الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و316 لسنوات عديدة، بما في ذلك في محطات توليد الطاقة على طول نهر أوهايو. ومؤخرًا، تعرضت المبادلات الحرارية في محطات توليد الطاقة على طول نهري المسيسيبي وميسوري للتآكل. كما يُعد تآكل المنجنيز مشكلة شائعة في أنظمة تغذية مياه الآبار. وقد حُددت آلية التآكل على أنها تفاعل ثاني أكسيد المنجنيز (MnO2) مع مبيد حيوي مؤكسد لتوليد حمض الهيدروكلوريك تحت الرواسب. حمض الهيدروكلوريك هو المادة الفعالة في مهاجمة المعادن. [WH Dickinson and RW Pick, “Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry”; presented at the 2002 NACE Annual Corrosion Conference, Denver, CO.] وتتميز سبائك الفريت بمقاومتها لآلية التآكل هذه.
لا يزال اختيار مواد عالية الجودة لأنابيب المكثف والمبادلات الحرارية غير كافٍ للتحكم السليم في كيمياء معالجة المياه. وكما أوضح المؤلف بوكر في مقال سابق في هندسة الطاقة، فإن برنامج معالجة كيميائية مصمم ومُدار بشكل صحيح ضروري لتقليل احتمالية الترسيب والتآكل والتلوث. وتبرز كيمياء البوليمرات كبديل قوي لكيمياء الفوسفات/الفوسفونات القديمة للتحكم في التآكل والترسبات في أنظمة أبراج التبريد. لطالما كانت السيطرة على التلوث الميكروبي وستظل قضية بالغة الأهمية. في حين أن الكيمياء المؤكسدة باستخدام الكلور أو المُبيض أو مركبات مماثلة هي حجر الزاوية في مكافحة الميكروبات، إلا أن المعالجات التكميلية غالبًا ما تُحسّن كفاءة برامج المعالجة. ومن الأمثلة على ذلك كيمياء التثبيت، التي تُساعد 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 مفيدًا جدًا في السيطرة على نمو الميكروبات. والنتيجة هي وجود العديد من الطرق لتحسين استدامة وموثوقية المبادلات الحرارية لمحطات الطاقة، ولكن كل يختلف النظام، لذا يُعد التخطيط الدقيق والتشاور مع خبراء الصناعة أمرًا بالغ الأهمية لاختيار المواد والإجراءات الكيميائية. كُتب جزء كبير من هذه المقالة من منظور معالجة المياه، فنحن لا نشارك في قرارات اختيار المواد، ولكن يُطلب منا المساعدة في إدارة تأثير هذه القرارات بمجرد تشغيل المعدات. يجب أن يتخذ موظفو المحطة القرار النهائي بشأن اختيار المواد بناءً على عدد من العوامل المحددة لكل تطبيق.
نبذة عن المؤلف: براد بوكر هو مسؤول إعلامي تقني أول في شركة ChemTreat. لديه 36 عامًا من الخبرة في قطاع الطاقة أو في مجالات ذات صلة به، معظمها في كيمياء توليد البخار، ومعالجة المياه، ومراقبة جودة الهواء، وفي شركة City Water, Light & Power (سبرينغفيلد، إلينوي) وشركة Kansas City Power & Light Company الواقعة في محطة لا سيجن، كانساس. كما شغل منصب مشرف بالنيابة على المياه/الصرف الصحي في مصنع كيميائي لمدة عامين. يحمل بوكر شهادة بكالوريوس في الكيمياء من جامعة ولاية أيوا، بالإضافة إلى دورات دراسية في ميكانيكا الموائع، وتوازن الطاقة والمواد، والكيمياء غير العضوية المتقدمة.
دان يانيكوفسكي هو المدير الفني في شركة بليموث تيوب. على مدار 35 عامًا، شارك في تطوير المعادن وتصنيع واختبار المنتجات الأنبوبية بما في ذلك سبائك النحاس والفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل والتيتانيوم والفولاذ الكربوني. انضم يانيكوفسكي إلى شركة بليموث مترو منذ عام 2005، وشغل مناصب عليا مختلفة قبل أن يصبح مديرًا فنيًا في عام 2010.