Международната покана за съдържание на POWERGEN вече е отворена! Търсим лектори от индустриите за комунални услуги и производство на електроенергия. Темите включват конвенционално и възобновяемо производство на енергия, дигитална трансформация на електроцентрали, съхранение на енергия, микромрежи, оптимизация на инсталации, захранване на място и други.
Авторите многократно са преглеждали спецификациите на нови енергийни проекти, в които проектантите на инсталации обикновено избират неръждаема стомана 304 или 316 за тръби на кондензатор и спомагателен топлообменник. За мнозина терминът „неръждаема стомана“ извиква аура на непобедима корозия, когато всъщност неръждаемите стомани понякога могат да бъдат най-лошият избор, защото са податливи на локализирана корозия. И в тази епоха на намалена наличност на прясна вода за допълване на охлаждащата вода, съчетана с охладителни кули, работещи с цикли на висока концентрация, потенциалните механизми за повреда на неръждаемата стомана се увеличават. В някои приложения неръждаемата стомана серия 300 ще оцелее само месеци, понякога само седмици, преди да се повреди. Тази статия се фокусира поне върху проблемите, които трябва да се вземат предвид при избора на материали за тръби на кондензатор от гледна точка на пречистването на водата. Други фактори, които не са разгледани в тази статия, но играят роля при избора на материал, включват якост на материала, свойства на топлопреминаване и устойчивост на механични сили, включително умора и ерозионна корозия.
Добавянето на 12% или повече хром към стоманата кара сплавта да образува непрекъснат оксиден слой, който защитава основния метал отдолу. Оттук и терминът неръждаема стомана. При липса на други легиращи материали (особено никел), въглеродната стомана е част от феритната група, а нейната елементарна клетка има обемно-центрирана кубична (BCC) структура.
Когато към сплавната смес се добави никел в концентрация от 8% или по-висока, дори при стайна температура, клетката ще съществува в гранецентрирана кубична (FCC) структура, наречена аустенит.
Както е показано в Таблица 1, неръждаемите стомани от серия 300 и други неръждаеми стомани имат съдържание на никел, което създава аустенитна структура.
Аустенитните стомани са се доказали като много ценни в много приложения, включително като материал за високотемпературни тръби за прегреватели и прегреватели в енергийни котли. Серията 300 по-специално често се използва като материал за нискотемпературни тръби за топлообменници, включително кондензатори с повърхностна пара. Въпреки това, именно в тези приложения мнозина пренебрегват потенциалните механизми на повреда.
Основната трудност при неръждаемата стомана, особено популярните материали 304 и 316, е, че защитният оксиден слой често се разрушава от примеси в охлаждащата вода и от пукнатини и отлагания, които спомагат за концентрирането на примесите. Освен това, при условия на спиране, застоялата вода може да доведе до растеж на микроби, чиито метаболитни странични продукти могат да бъдат силно вредни за металите.
Често срещан примес в охлаждащата вода и един от най-трудните за отстраняване икономически ефективно е хлоридът. Този йон може да причини много проблеми в парогенераторите, но в кондензаторите и спомагателните топлообменници основната трудност е, че хлоридите в достатъчни концентрации могат да проникнат и да разрушат защитния оксиден слой върху неръждаемата стомана, причинявайки локализирана корозия, т.е. питинг.
Питингът е една от най-коварните форми на корозия, защото може да причини проникване в стените и повреда на оборудването с малка загуба на метал.
Не е необходимо концентрациите на хлориди да са много високи, за да причинят точкова корозия в неръждаема стомана 304 и 316, а за чисти повърхности без отлагания или пукнатини, препоръчителните максимални концентрации на хлориди сега се считат за:
Няколко фактора могат лесно да доведат до концентрации на хлориди, които надвишават тези насоки, както като цяло, така и на локални места. Стана много рядко първо да се обмисля еднократно охлаждане за нови електроцентрали. Повечето са изградени с охладителни кули или в някои случаи с въздушно охлаждани кондензатори (ACC). За тези с охладителни кули концентрацията на примеси в козметиката може да „циклично се покачва“. Например, колона с концентрация на хлорид в допълващата вода от 50 mg/l работи с пет цикъла на концентрация, а съдържанието на хлорид в циркулиращата вода е 250 mg/l. Само това би трябвало да изключи 304 SS. Освен това, в новите и съществуващите инсталации има нарастваща нужда от замяна на прясна вода за презареждане на инсталациите. Често срещана алтернатива са битовите отпадъчни води. Таблица 2 сравнява анализа на четирите източника на прясна вода с четирите източника на отпадъчни води.
Внимавайте за повишени нива на хлориди (и други примеси, като азот и фосфор, които могат значително да увеличат микробното замърсяване в охладителните системи). За почти всички сиви води, всяка циркулация в охладителната кула ще надвиши ограничението за хлориди, препоръчано от 316 SS.
Предходното обсъждане се основава на корозионния потенциал на обикновените метални повърхности. Пукнатините и утайките драстично променят историята, тъй като и двете осигуряват места, където могат да се концентрират примеси. Типично място за механични пукнатини в кондензатори и подобни топлообменници е на местата на свързване на тръби и тръбни листове. Утайката в тръбата може да създаде пукнатини на границата на утайката, а самата утайка може да служи като място за замърсяване. Освен това, тъй като неръждаемата стомана разчита на непрекъснат оксиден слой за защита, отлаганията могат да образуват бедни на кислород места, които превръщат останалата стоманена повърхност в анод.
Горното обсъждане очертава проблеми, които проектантите на инсталации обикновено не вземат предвид, когато определят материали за тръби на кондензатор и спомагателен топлообменник за нови проекти. Нагласата относно неръждаемите стали 304 и 316 понякога все още изглежда е „това винаги сме правили“, без да се вземат предвид последствията от подобни действия. Предлагат се алтернативни материали за справяне с по-суровите условия на охлаждащата вода, с които много инсталации се сблъскват сега.
Преди да обсъдим алтернативните метали, трябва накратко да посочим още един момент. В много случаи, неръждаема стомана 316 или дори 304 се е представяла добре по време на нормална работа, но се е повредила по време на прекъсване на захранването. В повечето случаи повредата се дължи на лошо оттичане на кондензатора или топлообменника, което води до застояла вода в тръбите. Тази среда осигурява идеални условия за растежа на микроорганизми. Микробните колонии от своя страна произвеждат корозивни съединения, които директно корозират тръбния метал.
Този механизъм, известен като микробно индуцирана корозия (МИК), е известен с това, че разрушава тръбите от неръждаема стомана и други метали в рамките на седмици. Ако топлообменникът не може да се дренира, трябва сериозно да се обмисли периодичното циркулиране на вода през топлообменника и добавяне на биоцид по време на процеса. (За повече подробности относно правилните процедури за полагане вижте Д. Яниковски, „Полагане на кондензаторни и превенторни топлообменници – съображения“; проведено на 4-6 юни 2019 г. в Шампейн, Илинойс. Представено на 39-ия симпозиум по химия на електроенергийните компании.)
За суровите среди, посочени по-горе, както и за по-сурови среди като бракична или морска вода, могат да се използват алтернативни метали за предпазване от примеси. Три групи сплави са се доказали като успешни: търговски чист титан, 6% молибденова аустенитна неръждаема стомана и суперферитна неръждаема стомана. Тези сплави са също така устойчиви на MIC. Въпреки че титанът се счита за много устойчив на корозия, неговата хексагонална плътно опакована кристална структура и изключително ниският модул на еластичност го правят податлив на механични повреди. Тази сплав е най-подходяща за нови инсталации със здрави конструкции за носещи тръби. Отлична алтернатива е суперферитната неръждаема стомана Sea-Cure®. Съставът на този материал е показан по-долу.
Стоманата е с високо съдържание на хром, но с ниско съдържание на никел, така че е феритна неръждаема стомана, а не аустенитна неръждаема стомана. Поради ниското си съдържание на никел, тя струва много по-малко от други сплави. Високата якост и модул на еластичност на Sea-Cure позволяват по-тънки стени в сравнение с други материали, което води до подобрен топлопренос.
Подобрените свойства на тези метали са показани на таблицата „Еквивалентно число на устойчивост на точкова корозия“, която, както подсказва името, е процедура за изпитване, използвана за определяне на устойчивостта на различни метали на точкова корозия.
Един от най-често задаваните въпроси е „Какво е максималното съдържание на хлорид, което даден клас неръждаема стомана може да понесе?“ Отговорите варират значително. Факторите включват pH, температура, наличие и вид на пукнатини и потенциал за активни биологични видове. На дясната ос на Фигура 5 е добавен инструмент, който да помогне с това решение. Той се основава на неутрално pH, течаща вода с температура 35°C, често срещана в много приложения за превенторно преобразуване и кондензация (за предотвратяване на образуването на отлагания и пукнатини). След като е избрана сплав със специфичен химичен състав, може да се определи PREn и след това да се пресече със съответната наклонена черта. Препоръчителното максимално ниво на хлорид може да се определи чрез начертаване на хоризонтална линия на дясната ос. Като цяло, ако дадена сплав се разглежда за приложения в солени или морски води, тя трябва да има CCT над 25 градуса по Целзий, измерена чрез теста G 48.
Ясно е, че суперферитните сплави, представени от Sea-Cure®, са като цяло подходящи дори за приложения в морска вода. Трябва да се подчертае и друго предимство на тези материали. Проблеми с корозията на мангана са наблюдавани при неръждаеми 304 и 316 от много години, включително в заводи по поречието на река Охайо. Наскоро топлообменниците в заводи по поречието на реките Мисисипи и Мисури бяха засегнати. Корозията на мангана е често срещан проблем и в системите за допълване на кладенчна вода. Механизмът на корозия е идентифициран като реакция на манганов диоксид (MnO2) с окисляващ биоцид, за да се генерира солна киселина под отлаганията. HCl е това, което наистина атакува металите. [WH Dickinson and RW Pick, „Корозия, зависима от манган, в електроенергийната индустрия“; представено на годишната конференция за корозия на NACE през 2002 г., Денвър, Колорадо.] Феритните стомани са устойчиви на този механизъм на корозия.
Изборът на по-висококачествени материали за тръбите на кондензаторите и топлообменниците все още не е заместител на правилния контрол на химията за пречистване на водата. Както авторът Бюкер ​​е посочил в предишна статия за енергийното инженерство, правилно проектирана и управлявана програма за химическа обработка е необходима, за да се сведе до минимум потенциалът за образуване на котлен камък, корозия и замърсяване. Полимерната химия се очертава като мощна алтернатива на по-старата фосфатна/фосфонатна химия за контрол на корозията и котления камък в системите на охладителните кули. Контролът на микробното замърсяване е бил и ще продължи да бъде критичен проблем. Докато окислителната химия с хлор, белина или подобни съединения е крайъгълният камък на микробния контрол, допълнителните обработки често могат да подобрят ефективността на програмите за обработка. Един такъв пример е стабилизиращата химия, която помага за увеличаване на скоростта на освобождаване и ефективността на окислителни биоциди на основата на хлор, без да се въвеждат вредни съединения във водата. Освен това, допълнителното захранване с неокисляващи фунгициди може да бъде много полезно за контрол на развитието на микроби. Резултатът е, че има много начини за подобряване на устойчивостта и надеждността на топлообменниците на електроцентралите, но всяка система е различна, така че внимателното планиране и консултации с експерти от индустрията са важни за избора на материали и химични процедури. Голяма част от тази статия е написана от водоснабдително проучване. От гледна точка на обработката, ние не участваме във вземането на решения за материалите, но от нас се иска да помогнем за управлението на въздействието на тези решения, след като оборудването е пуснато в експлоатация. Окончателното решение за избор на материал трябва да бъде взето от персонала на завода въз основа на редица фактори, определени за всяко приложение.
За автора: Брад Бюкер ​​е старши технически публицист в ChemTreat. Той има 36 години опит в енергийната индустрия или е свързан с нея, голяма част от който е в областта на химията за парогенериране, пречистването на вода, контрола на качеството на въздуха, както и в City Water, Light & Power (Спрингфийлд, Илинойс), а Kansas City Power & Light Company се намира в станция Ла Син, Канзас. Той е работил и две години като изпълняващ длъжността ръководител на водоснабдяване/отпадъчни води в химически завод. Бюкер ​​има бакалавърска степен по химия от Държавния университет на Айова с допълнителни курсове по механика на флуидите, енергийно и материално равновесие и напреднала неорганична химия.
Дан Яниковски е технически мениджър в Plymouth Tube. В продължение на 35 години той се занимава с разработването на метали, производството и тестването на тръбни продукти, включително медни сплави, неръждаема стомана, никелови сплави, титан и въглеродна стомана. Работейки в Plymouth Metro от 2005 г., Яниковски е заемал различни висши позиции, преди да стане технически мениджър през 2010 г.