Forfatterne har gang på gang gennemgået nye kraftprojektspecifikationer, hvor anlægsdesignere typisk vælger 304 eller 316 rustfrit stål til kondensator- og hjælpevarmevekslerrør. For mange fremmaner udtrykket rustfrit stål en aura af uovervindelig korrosion, når rustfrit stål faktisk nogle gange kan være det værste valg, fordi det er modtageligt for lokal korrosion. Og i denne tid med reduceret tilgængelighed af ferskvand til kølevandspåfyldning, kombineret med køletårne, der opererer ved høje koncentrationscyklusser, forstørres potentielle fejlmekanismer for rustfrit stål. I nogle anvendelser vil 300-serien af ​​rustfrit stål kun overleve i måneder, nogle gange kun uger, før det svigter. Denne artikel fokuserer i det mindste på de problemstillinger, der bør overvejes, når man vælger kondensatorrørmaterialer fra et vandbehandlingsperspektiv. Andre faktorer, der ikke diskuteres i denne artikel, men som spiller en rolle i materialevalg, omfatter materialestyrke, varmeoverføringsegenskaber og modstandsdygtighed over for mekaniske kræfter, herunder træthed og erosionskorrosion.
Tilsætning af 12% eller mere krom til stål får legeringen til at danne et kontinuerligt oxidlag, der beskytter basismetallet nedenunder. Derfor udtrykket rustfrit stål. I fravær af andre legeringsmaterialer (især nikkel) er kulstofstål en del af ferritgruppen, og dets enhedscelle har en kropscentreret kubisk (BCC) struktur.
Når nikkel tilsættes legeringsblandingen i en koncentration på 8% eller højere, vil cellen eksistere i en fladecentreret kubisk (FCC) struktur kaldet austenit, selv ved stuetemperatur.
Som vist i tabel 1 har rustfrit stål i 300-serien og andre rustfrie ståltyper et nikkelindhold, der giver en austenitisk struktur.
Austenitiske ståltyper har vist sig at være meget værdifulde i mange anvendelser, herunder som materiale til højtemperatur-overhedere og genopvarmerrør i kraftkedler. Især 300-serien bruges ofte som materiale til lavtemperatur-varmevekslerrør, herunder dampoverfladekondensatorer. Det er dog i disse anvendelser, at mange overser potentielle fejlmekanismer.
Den største udfordring med rustfrit stål, især de populære materialer 304 og 316, er, at det beskyttende oxidlag ofte ødelægges af urenheder i kølevandet og af sprækker og aflejringer, der hjælper med at koncentrere urenheder. Derudover kan stillestående vand under nedlukningsforhold føre til mikrobiel vækst, hvis metaboliske biprodukter kan være meget skadelige for metaller.
En almindelig urenhed i kølevand, og en af ​​de sværeste at fjerne økonomisk, er klorid. Denne ion kan forårsage mange problemer i dampgeneratorer, men i kondensatorer og hjælpevarmevekslere er den største vanskelighed, at klorider i tilstrækkelige koncentrationer kan trænge ind og ødelægge det beskyttende oxidlag på rustfrit stål, hvilket forårsager lokal korrosion, dvs. grubetæring.
Grubetæring er en af ​​de mest lumske former for korrosion, fordi den kan forårsage væggennemtrængninger og udstyrsfejl med minimalt metaltab.
Kloridkoncentrationer behøver ikke at være særlig høje for at forårsage grubetæring i rustfrit stål 304 og 316, og for rene overflader uden aflejringer eller sprækker anses de anbefalede maksimale kloridkoncentrationer nu for at være:
Flere faktorer kan nemt producere kloridkoncentrationer, der overstiger disse retningslinjer, både generelt og på lokalt placerede steder. Det er blevet meget sjældent først at overveje engangskøling for nye kraftværker. De fleste er bygget med køletårne ​​eller i nogle tilfælde luftkølede kondensatorer (ACC). For dem med køletårne ​​kan koncentrationen af ​​urenheder i kosmetik "stige". For eksempel fungerer en kolonne med en kloridkoncentration på 50 mg/l i spædevand med fem koncentrationscyklusser, og kloridindholdet i det cirkulerende vand er 250 mg/l. Dette alene burde generelt udelukke 304 SS. Derudover er der i nye og eksisterende anlæg et stigende behov for at erstatte ferskvand til genopfyldning af anlæggene. Et almindeligt alternativ er kommunalt spildevand. Tabel 2 sammenligner analysen af ​​de fire ferskvandsforsyninger med de fire spildevandsforsyninger.
Vær opmærksom på forhøjede kloridniveauer (og andre urenheder, såsom nitrogen og fosfor, som i høj grad kan øge mikrobiel kontaminering i kølesystemer). For stort set alt gråt vand vil enhver cirkulation i køletårnet overstige den kloridgrænse, der anbefales i 316 SS.
Den foregående diskussion er baseret på korrosionspotentialet på almindelige metaloverflader. Brud og sedimenter ændrer historien dramatisk, da begge giver steder, hvor urenheder kan koncentreres. Et typisk sted for mekaniske revner i kondensatorer og lignende varmevekslere er ved rør-til-rør-pladeforbindelser. Sediment i røret kan skabe revner ved sedimentgrænsen, og selve sedimentet kan tjene som et sted for kontaminering. Da rustfrit stål desuden er afhængig af et kontinuerligt oxidlag for beskyttelse, kan aflejringerne danne iltfattige steder, der omdanner den resterende ståloverflade til en anode.
Ovenstående diskussion skitserer problemstillinger, som anlægsdesignere typisk ikke overvejer, når de specificerer materialer til kondensator- og hjælpevarmevekslerrør til nye projekter. Mentaliteten omkring 304 og 316 SS synes nogle gange stadig at være "det er det, vi altid har gjort" uden at overveje konsekvenserne af sådanne handlinger. Alternative materialer er tilgængelige til at håndtere de barske kølevandsforhold, som mange anlæg nu står over for.
Før alternative metaller diskuteres, skal et andet punkt kort nævnes. I mange tilfælde fungerede en 316 SS eller endda en 304 SS godt under normal drift, men svigtede under et strømafbrydelse. I de fleste tilfælde skyldes fejlen dårlig dræning af kondensatoren eller varmeveksleren, hvilket forårsager stillestående vand i rørene. Dette miljø giver ideelle betingelser for vækst af mikroorganismer. Mikrobielle kolonier producerer til gengæld ætsende forbindelser, der direkte korroderer det rørformede metal.
Denne mekanisme, kendt som mikrobielt induceret korrosion (MIC), er kendt for at ødelægge rør af rustfrit stål og andre metaller inden for få uger. Hvis varmeveksleren ikke kan drænes, bør man overveje periodisk at cirkulere vand gennem varmeveksleren og tilsætte biocid under processen. (For flere detaljer om korrekte oplægningsprocedurer, se D. Janikowski, “Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations”; afholdt 4.-6. juni 2019 i Champaign, IL. Præsenteret på det 39. Electric Utility Chemistry Symposium.)
Til de ovenfor fremhævede barske miljøer, såvel som barskere miljøer såsom brakvand eller havvand, kan alternative metaller bruges til at afværge urenheder. Tre legeringsgrupper har vist sig at være succesfulde: kommercielt rent titanium, 6% molybdæn austenitisk rustfrit stål og superferritisk rustfrit stål. Disse legeringer er også MIC-resistente. Selvom titanium anses for at være meget modstandsdygtigt over for korrosion, gør dets hexagonale tætpakkede krystalstruktur og ekstremt lave elasticitetsmodul det modtageligt for mekaniske skader. Denne legering er bedst egnet til nye installationer med stærke rørstøttestrukturer. Et fremragende alternativ er det superferritiske rustfri stål Sea-Cure®. Sammensætningen af ​​dette materiale er vist nedenfor.
Stålet har et højt kromindhold, men et lavt nikkelindhold, så det er et ferritisk rustfrit stål snarere end et austenitisk rustfrit stål. På grund af dets lave nikkelindhold koster det meget mindre end andre legeringer. Sea-Cures høje styrke og elasticitetsmodul giver mulighed for tyndere vægge end andre materialer, hvilket resulterer i forbedret varmeoverførsel.
De forbedrede egenskaber ved disse metaller er vist på diagrammet "Pitting Resistance Equivalent Number", som, som navnet antyder, er en testprocedure, der bruges til at bestemme forskellige metallers modstandsdygtighed over for grubetæring.
Et af de mest almindelige spørgsmål er: "Hvad er det maksimale kloridindhold, som en bestemt kvalitet af rustfrit stål kan tolerere?" Svarene varierer meget. Faktorer omfatter pH, temperatur, tilstedeværelse og type af brud samt potentialet for aktive biologiske stoffer. Der er tilføjet et værktøj på højre akse i figur 5 for at hjælpe med denne beslutning. Det er baseret på neutral pH, 35 °C strømmende vand, der almindeligvis findes i mange BOP- og kondensationsapplikationer (for at forhindre aflejringsdannelse og revnedannelse). Når en legering med en specifik kemisk sammensætning er valgt, kan PREn bestemmes og derefter gennemskæres med den passende skråstreg. Det anbefalede maksimale kloridniveau kan derefter bestemmes ved at tegne en vandret linje på højre akse. Generelt, hvis en legering skal overvejes til brakvands- eller havvandsapplikationer, skal den have en CCT over 25 grader Celsius målt ved G 48-testen.
Det er tydeligt, at de superferritiske legeringer, som Sea-Cure® repræsenterer, generelt er egnede til selv havvandsapplikationer. Der er en anden fordel ved disse materialer, som skal fremhæves. Mangankorrosionsproblemer er blevet observeret for 304 og 316 SS i mange år, herunder på anlæg langs Ohio-floden. For nylig er varmevekslere på anlæg langs Mississippi- og Missouri-floderne blevet angrebet. Mangankorrosion er også et almindeligt problem i brøndvandssystemer. Korrosionsmekanismen er blevet identificeret som mangandioxid (MnO2), der reagerer med et oxiderende biocid for at danne saltsyre under aflejringen. HCl er det, der virkelig angriber metaller. [WH Dickinson og RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; præsenteret på NACE Annual Corrosion Conference 2002, Denver, CO.] Ferritiske stål er modstandsdygtige over for denne korrosionsmekanisme.
Valg af materialer af højere kvalitet til kondensator- og varmevekslerrør er stadig ingen erstatning for korrekt kemisk kontrol af vandbehandling. Som forfatter Buecker har beskrevet i en tidligere artikel om energiteknik, er et korrekt designet og drevet kemisk behandlingsprogram nødvendigt for at minimere potentialet for afskalling, korrosion og tilsmudsning. Polymerkemi er ved at blive et stærkt alternativ til ældre fosfat/fosfonatkemi til at kontrollere korrosion og afskalling i køletårnssystemer. Kontrol af mikrobiel kontaminering har været og vil fortsat være et kritisk problem. Mens oxidativ kemi med klor, blegemiddel eller lignende forbindelser er hjørnestenen i mikrobiel kontrol, kan supplerende behandlinger ofte forbedre effektiviteten af ​​behandlingsprogrammer. Et sådant eksempel er stabiliseringskemi, som hjælper med at øge frigivelseshastigheden og effektiviteten af ​​klorbaserede oxiderende biocider uden at introducere skadelige forbindelser i vandet. Derudover kan supplerende foder med ikke-oxiderende fungicider være meget gavnligt til at kontrollere mikrobiel udvikling. Resultatet er, at der er mange måder at forbedre bæredygtigheden og pålideligheden af ​​kraftværkers varmevekslere på, men hvert system er forskelligt, så omhyggelig planlægning og konsultation med brancheeksperter er vigtig for valg af materialer og kemiske procedurer. Meget af Denne artikel er skrevet ud fra et vandbehandlingsperspektiv. Vi er ikke involveret i væsentlige beslutninger, men vi bliver bedt om at hjælpe med at håndtere virkningen af ​​disse beslutninger, når udstyret er i drift. Den endelige beslutning om materialevalg skal træffes af fabrikspersonalet baseret på en række faktorer, der er specificeret for hver anvendelse.
Om forfatteren: Brad Buecker er senior teknisk publicist hos ChemTreat. Han har 36 års erfaring i eller tilknyttet energibranchen, hvoraf en stor del erfaren inden for dampproduktionskemi, vandbehandling, luftkvalitetskontrol hos City Water, Light & Power (Springfield, Illinois), og Kansas City Power & Light Company er placeret på La Cygne Station, Kansas. Han tilbragte også to år som fungerende vand-/spildevandsleder på en kemisk fabrik. Buecker har en bachelorgrad i kemi fra Iowa State University med yderligere kurser i fluidmekanik, energi- og materialeligevægt og avanceret uorganisk kemi.
Dan Janikowski er teknisk chef hos Plymouth Tube. I 35 år har han været involveret i udvikling af metaller, fremstilling og test af rørformede produkter, herunder kobberlegeringer, rustfrit stål, nikkellegeringer, titanium og kulstofstål. Janikowski har været ansat hos Plymouth Metro siden 2005 og har haft forskellige ledende stillinger, før han blev teknisk chef i 2010.