Autori su više puta pregledali specifikacije novih energetskih projekata, u kojima projektanti postrojenja obično biraju nehrđajući čelik 304 ili 316 za cijevi kondenzatora i pomoćnog izmjenjivača topline. Za mnoge, termin nehrđajući čelik priziva auru nepobjedive korozije, dok u stvari, nehrđajući čelici ponekad mogu biti najgori izbor jer su podložni lokaliziranoj koroziji. A u ovom dobu smanjene dostupnosti slatke vode za dopunjavanje rashladne vode, zajedno s rashladnim tornjevima koji rade u ciklusima visoke koncentracije, potencijalni mehanizmi kvara nehrđajućeg čelika su uvećani. U nekim primjenama, nehrđajući čelik serije 300 će preživjeti samo mjesece, ponekad samo sedmice, prije nego što pođe po zlu. Ovaj članak se fokusira barem na pitanja koja treba uzeti u obzir pri odabiru materijala za cijevi kondenzatora iz perspektive tretmana vode. Ostali faktori koji nisu razmatrani u ovom radu, ali koji igraju ulogu u odabiru materijala uključuju čvrstoću materijala, svojstva prijenosa topline i otpornost na mehaničke sile, uključujući zamor i eroziju korozije.
Dodavanje 12% ili više hroma čeliku uzrokuje da legura formira kontinuirani oksidni sloj koji štiti osnovni metal ispod. Otuda i naziv nehrđajući čelik. U odsustvu drugih legirajućih materijala (posebno nikla), ugljični čelik je dio feritne grupe, a njegova jedinična ćelija ima kubnu strukturu centriranu po tijelu (BCC).
Kada se nikl doda u smjesu legure u koncentraciji od 8% ili više, čak i na sobnoj temperaturi, ćelija će postojati u plošno centriranoj kubičnoj (FCC) strukturi koja se naziva austenit.
Kao što je prikazano u Tabeli 1, nehrđajući čelici serije 300 i drugi nehrđajući čelici imaju sadržaj nikla koji stvara austenitnu strukturu.
Austenitni čelici su se pokazali vrlo vrijednima u mnogim primjenama, uključujući i kao materijal za cijevi pregrijača i pregrijača visokih temperatura u energetskim kotlovima. Serija 300 se posebno često koristi kao materijal za cijevi izmjenjivača topline niskih temperatura, uključujući kondenzatore površine pare. Međutim, upravo u tim primjenama mnogi previđaju potencijalne mehanizme kvara.
Glavna poteškoća s nehrđajućim čelikom, posebno popularnim materijalima 304 i 316, je ta što zaštitni oksidni sloj često uništavaju nečistoće u rashladnoj vodi te pukotine i naslage koje doprinose koncentraciji nečistoća. Osim toga, u uvjetima isključenja, stajaća voda može dovesti do rasta mikroba, čiji metabolički nusprodukti mogu biti vrlo štetni za metale.
Uobičajena nečistoća rashladne vode, i jedna od najtežih za ekonomično uklanjanje, je hlorid. Ovaj ion može uzrokovati mnoge probleme u generatorima pare, ali u kondenzatorima i pomoćnim izmjenjivačima topline, glavna poteškoća je što hloridi u dovoljnim koncentracijama mogu prodrijeti i uništiti zaštitni oksidni sloj na nehrđajućem čeliku, uzrokujući lokaliziranu koroziju, tj. tačkastu koroziju.
Točkasta korozija je jedan od najpodmuklijih oblika korozije jer može uzrokovati prodiranje u zidove i kvar opreme uz mali gubitak metala.
Koncentracije klorida ne moraju biti vrlo visoke da bi izazvale koroziju u obliku tačkaste korozije kod nehrđajućeg čelika 304 i 316, a za čiste površine bez ikakvih naslaga ili pukotina, preporučene maksimalne koncentracije klorida sada se smatraju:
Nekoliko faktora može lako proizvesti koncentracije hlorida koje premašuju ove smjernice, kako općenito tako i na lokaliziranim lokacijama. Postalo je vrlo rijetko prvo razmotriti jednokratno hlađenje za nove elektrane. Većina je izgrađena s rashladnim tornjevima ili, u nekim slučajevima, kondenzatorima hlađenim zrakom (ACC). Za one s rashladnim tornjevima, koncentracija nečistoća u kozmetici može "ciklično rasti". Na primjer, kolona s koncentracijom hlorida u nadopunskoj vodi od 50 mg/l radi s pet ciklusa koncentracije, a sadržaj hlorida u cirkulirajućoj vodi je 250 mg/l. Samo ovo bi trebalo općenito isključiti 304 SS. Osim toga, u novim i postojećim postrojenjima postoji sve veća potreba za zamjenom slatke vode za ponovno punjenje postrojenja. Uobičajena alternativa su komunalne otpadne vode. Tabela 2 uspoređuje analizu četiri izvora slatke vode s četiri izvora otpadnih voda.
Pazite na povećane nivoe hlorida (i drugih nečistoća, poput dušika i fosfora, koji mogu značajno povećati mikrobnu kontaminaciju u sistemima za hlađenje). Za gotovo svu sivu vodu, svaka cirkulacija u rashladnom tornju će premašiti granicu hlorida koju preporučuje standard 316 SS.
Prethodna diskusija zasniva se na potencijalu korozije uobičajenih metalnih površina. Pukotine i sedimenti dramatično mijenjaju priču, jer oba pružaju mjesta gdje se nečistoće mogu koncentrirati. Tipična lokacija za mehaničke pukotine u kondenzatorima i sličnim izmjenjivačima topline je na spojevima cijevi i cijevnih ploča. Sediment unutar cijevi može stvoriti pukotine na granici sedimenta, a sam sediment može poslužiti kao mjesto za kontaminaciju. Nadalje, budući da se nehrđajući čelik oslanja na kontinuirani oksidni sloj za zaštitu, naslage mogu formirati mjesta siromašna kisikom koja preostalu čeličnu površinu pretvaraju u anodu.
Gornja diskusija ističe probleme koje projektanti postrojenja obično ne uzimaju u obzir prilikom specificiranja materijala za cijevi kondenzatora i pomoćnih izmjenjivača topline za nove projekte. Mentalitet u vezi s nehrđajućim čelicima 304 i 316 ponekad se čini da je "to smo oduvijek radili" bez razmatranja posljedica takvih postupaka. Dostupni su alternativni materijali za rješavanje težih uvjeta rashladne vode s kojima se mnoga postrojenja sada suočavaju.
Prije rasprave o alternativnim metalima, potrebno je ukratko navesti još jednu stvar. U mnogim slučajevima, nehrđajući čelik 316 ili čak 304 dobro je funkcionirao tokom normalnog rada, ali je otkazao tokom nestanka struje. U većini slučajeva, kvar je uzrokovan lošom drenažom kondenzatora ili izmjenjivača topline, što uzrokuje stagnaciju vode u cijevima. Ovo okruženje pruža idealne uvjete za rast mikroorganizama. Mikrobne kolonije zauzvrat proizvode korozivne spojeve koji direktno nagrizaju metal cijevi.
Ovaj mehanizam, poznat kao mikrobno izazvana korozija (MIC), poznat je po tome što uništava cijevi od nehrđajućeg čelika i druge metale u roku od nekoliko sedmica. Ako se izmjenjivač topline ne može isprazniti, treba ozbiljno razmotriti periodično cirkuliranje vode kroz izmjenjivač topline i dodavanje biocida tokom procesa. (Za više detalja o pravilnim postupcima slaganja, pogledajte D. Janikowski, „Slojevito slaganje kondenzatora i BOP izmjenjivača – Razmatranja“; održano 4-6. juna 2019. u Champaignu, IL, predstavljeno na 39. simpoziju o hemiji elektroprivrede.)
Za gore navedene surove uvjete okoline, kao i za surovije uvjete okoline poput bočate ili morske vode, mogu se koristiti alternativni metali za uklanjanje nečistoća. Tri grupe legura su se pokazale uspješnima: komercijalno čisti titan, 6% molibdenski austenitni nehrđajući čelik i superferitni nehrđajući čelik. Ove legure su također otporne na MIC. Iako se titan smatra vrlo otpornim na koroziju, njegova heksagonalna gusto pakirana kristalna struktura i izuzetno nizak modul elastičnosti čine ga osjetljivim na mehanička oštećenja. Ova legura je najpogodnija za nove instalacije sa jakim konstrukcijama za potporu cijevi. Odlična alternativa je super feritni nehrđajući čelik Sea-Cure®. Sastav ovog materijala prikazan je u nastavku.
Čelik ima visok sadržaj kroma, ali nizak sadržaj nikla, tako da je feritni nehrđajući čelik, a ne austenitni nehrđajući čelik. Zbog niskog sadržaja nikla, košta mnogo manje od drugih legura. Visoka čvrstoća i modul elastičnosti Sea-Curea omogućavaju tanje stijenke od drugih materijala, što rezultira poboljšanim prijenosom topline.
Poboljšana svojstva ovih metala prikazana su na tabeli "Ekvivalentni broj otpornosti na rupičastu koroziju", koja je, kao što i samo ime govori, postupak ispitivanja koji se koristi za određivanje otpornosti različitih metala na rupičastu koroziju.
Jedno od najčešćih pitanja je „Koliki je maksimalni sadržaj hlorida koji određena vrsta nehrđajućeg čelika može tolerirati?“ Odgovori se uveliko razlikuju. Faktori uključuju pH, temperaturu, prisustvo i vrstu pukotina te potencijal za aktivne biološke vrste. Na desnoj osi Slike 5 dodan je alat koji pomaže u donošenju ove odluke. Zasnovan je na neutralnom pH, tekućoj vodi temperature 35°C koja se obično nalazi u mnogim BOP i kondenzacijskim primjenama (kako bi se spriječilo stvaranje naslaga i pukotina). Nakon što je odabrana legura sa specifičnim hemijskim sastavom, može se odrediti PREn, a zatim presjeći s odgovarajućom kosom crtom. Preporučeni maksimalni nivo hlorida tada se može odrediti crtanjem horizontalne linije na desnoj osi. Općenito, ako se legura razmatra za primjenu u bočatoj ili morskoj vodi, mora imati CCT iznad 25 stepeni Celzijusa, mjereno G 48 testom.
Jasno je da su superferitne legure koje predstavlja Sea-Cure® uglavnom pogodne čak i za primjenu u morskoj vodi. Postoji još jedna prednost ovih materijala koju treba naglasiti. Problemi korozije mangana uočeni su kod nehrđajućeg čelika 304 i 316 dugi niz godina, uključujući i postrojenja duž rijeke Ohio. Nedavno su napadnuti izmjenjivači topline u postrojenjima duž rijeka Mississippi i Missouri. Korozija mangana također je čest problem u sistemima za dopunjavanje vode iz bunara. Mehanizam korozije identificiran je kao reakcija mangan dioksida (MnO2) s oksidirajućim biocidom pri čemu se ispod taloga stvara hlorovodonična kiselina. HCl je ono što zaista napada metale. [WH Dickinson i RW Pick, "Korozija ovisna o manganu u elektroenergetskoj industriji"; predstavljeno na godišnjoj konferenciji o koroziji NACE 2002. godine, Denver, CO.] Feritni čelici su otporni na ovaj mehanizam korozije.
Odabir materijala višeg kvaliteta za cijevi kondenzatora i izmjenjivača topline još uvijek nije zamjena za pravilnu kontrolu kemijskog tretmana vode. Kao što je autor Buecker naveo u prethodnom članku o elektroenergetici, pravilno dizajniran i vođen program kemijskog tretmana neophodan je kako bi se smanjio potencijal za stvaranje kamenca, korozije i onečišćenja. Polimerna hemija se pojavljuje kao snažna alternativa starijoj fosfatnoj/fosfonatnoj hemiji za kontrolu korozije i stvaranja kamenca u sistemima rashladnih tornjeva. Kontrola mikrobne kontaminacije bila je i nastavit će biti kritično pitanje. Dok je oksidativna hemija s hlorom, izbjeljivačem ili sličnim spojevima temelj mikrobne kontrole, dodatni tretmani često mogu poboljšati efikasnost programa tretmana. Jedan takav primjer je stabilizacijska hemija, koja pomaže u povećanju brzine oslobađanja i efikasnosti oksidirajućih biocida na bazi hlora bez unošenja ikakvih štetnih spojeva u vodu. Osim toga, dopunsko hranjenje neoksidirajućim fungicidima može biti vrlo korisno u kontroli razvoja mikroba. Rezultat je da postoji mnogo načina za poboljšanje održivosti i pouzdanosti izmjenjivača topline elektrana, ali svaki sistem je drugačiji, tako da je pažljivo planiranje i konsultacije sa stručnjacima iz industrije važno za izbor materijala i kemijskih postupaka. Veliki dio ovog članka napisan je iz vode. Sa stanovišta tretmana, mi nismo uključeni u odluke o materijalima, ali se od nas traži da pomognemo u upravljanju uticajem tih odluka kada oprema bude puštena u rad. Konačnu odluku o odabiru materijala mora donijeti osoblje postrojenja na osnovu niza faktora specificiranih za svaku primjenu.
O autoru: Brad Buecker je viši tehnički publicista u ChemTreat-u. Ima 36 godina iskustva u elektroenergetskoj industriji ili je povezan s njom, većinom u hemiji za proizvodnju pare, tretmanu vode, kontroli kvalitete zraka i u City Water, Light & Power (Springfield, IL), a Kansas City Power & Light Company se nalazi u stanici La Cygne u Kansasu. Također je proveo dvije godine kao vršilac dužnosti nadzornika za vodu/otpadne vode u hemijskom postrojenju. Buecker ima diplomu prvostupnika hemije sa Državnog univerziteta Iowa, uz dodatne kurseve iz mehanike fluida, ravnoteže energije i materijala i napredne neorganske hemije.
Dan Janikowski je tehnički direktor u Plymouth Tubeu. Već 35 godina bavi se razvojem metala, proizvodnjom i ispitivanjem cjevastih proizvoda, uključujući legure bakra, nehrđajući čelik, legure nikla, titan i ugljični čelik. Janikowski je u Plymouth Metrou od 2005. godine, a obavljao je razne visoke pozicije prije nego što je postao tehnički direktor 2010. godine.