Η Διεθνής Πρόσκληση Υποβολής Περιεχομένου POWERGEN είναι τώρα ανοιχτή! Αναζητούμε ομιλητές από τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας και τις βιομηχανίες παραγωγής ενέργειας. Τα θέματα περιλαμβάνουν την παραγωγή συμβατικής και ανανεώσιμης ενέργειας, τον ψηφιακό μετασχηματισμό των σταθμών παραγωγής ενέργειας, την αποθήκευση ενέργειας, τα μικροδίκτυα, τη βελτιστοποίηση των σταθμών, την επιτόπια παροχή ενέργειας και πολλά άλλα.
Οι συγγραφείς έχουν επανεξετάσει ξανά και ξανά τις νέες προδιαγραφές έργων ενέργειας, στις οποίες οι σχεδιαστές εγκαταστάσεων συνήθως επιλέγουν ανοξείδωτο χάλυβα 304 ή 316 για τους σωλήνες συμπυκνωτή και βοηθητικού εναλλάκτη θερμότητας. Για πολλούς, ο όρος ανοξείδωτος χάλυβας δημιουργεί μια αύρα αήττητης διάβρωσης, ενώ στην πραγματικότητα, οι ανοξείδωτοι χάλυβες μπορεί μερικές φορές να είναι η χειρότερη επιλογή επειδή είναι ευαίσθητοι σε τοπική διάβρωση. Και, σε αυτήν την εποχή της μειωμένης διαθεσιμότητας γλυκού νερού για την αναπλήρωση του νερού ψύξης, σε συνδυασμό με τους πύργους ψύξης που λειτουργούν σε κύκλους υψηλής συγκέντρωσης, οι πιθανοί μηχανισμοί αστοχίας ανοξείδωτου χάλυβα μεγεθύνονται. Σε ορισμένες εφαρμογές, ο ανοξείδωτος χάλυβας σειράς 300 θα επιβιώσει μόνο για μήνες, μερικές φορές μόνο εβδομάδες, πριν αποτύχει. Αυτό το άρθρο εστιάζει τουλάχιστον στα ζητήματα που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την επιλογή υλικών σωλήνων συμπυκνωτή από την άποψη της επεξεργασίας νερού. Άλλοι παράγοντες που δεν συζητούνται σε αυτήν την εργασία αλλά παίζουν ρόλο στην επιλογή υλικού περιλαμβάνουν την αντοχή του υλικού, τις ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας και την αντοχή στις μηχανικές δυνάμεις, συμπεριλαμβανομένης της κόπωσης και της διάβρωσης.
Η προσθήκη 12% ή περισσότερου χρωμίου στον χάλυβα προκαλεί το σχηματισμό ενός συνεχούς στρώματος οξειδίου από το κράμα που προστατεύει το βασικό μέταλλο από κάτω. Εξ ου και ο όρος ανοξείδωτος χάλυβας. Ελλείψει άλλων υλικών κράματος (ειδικά νικελίου), ο χάλυβας άνθρακα είναι μέρος της ομάδας φερρίτη και το μοναδιαίο κελί του έχει κυβική δομή με κέντρο το σώμα (BCC).
Όταν προστίθεται νικέλιο στο μείγμα κραμάτων σε συγκέντρωση 8% ή υψηλότερη, ακόμη και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, το κελί θα υπάρχει σε μια κυβική δομή με επίκεντρο την επιφάνεια (FCC) που ονομάζεται ωστενίτης.
Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, οι ανοξείδωτοι χάλυβες της σειράς 300 και άλλοι ανοξείδωτοι χάλυβες έχουν περιεκτικότητα σε νικέλιο που παράγει ωστενιτική δομή.
Οι ωστενιτικοί χάλυβες έχουν αποδειχθεί πολύτιμοι σε πολλές εφαρμογές, όπως ως υλικό για σωλήνες υπερθέρμανσης και αναθέρμανσης υψηλής θερμοκρασίας σε λέβητες ισχύος. Η σειρά 300 ειδικότερα χρησιμοποιείται συχνά ως υλικό για σωλήνες εναλλάκτη θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας, συμπεριλαμβανομένων των συμπυκνωτών επιφάνειας ατμού. Ωστόσο, σε αυτές τις εφαρμογές πολλοί παραβλέπουν πιθανούς μηχανισμούς βλάβης.
Η κύρια δυσκολία με τον ανοξείδωτο χάλυβα, ειδικά τα δημοφιλή υλικά 304 και 316, είναι ότι το προστατευτικό στρώμα οξειδίου συχνά καταστρέφεται από ακαθαρσίες στο νερό ψύξης και από ρωγμές και εναποθέσεις που βοηθούν στη συγκέντρωση ακαθαρσιών. Επιπλέον, υπό συνθήκες διακοπής λειτουργίας, το στάσιμο νερό μπορεί να οδηγήσει σε μικροβιακή ανάπτυξη, των οποίων τα μεταβολικά υποπροϊόντα μπορεί να είναι ιδιαίτερα επιβλαβή για τα μέταλλα.
Μια κοινή πρόσμειξη του νερού ψύξης, και μία από τις πιο δύσκολες στην οικονομική απομάκρυνση, είναι το χλωρίδιο. Αυτό το ιόν μπορεί να προκαλέσει πολλά προβλήματα στις ατμογεννήτριες, αλλά στους συμπυκνωτές και τους βοηθητικούς εναλλάκτες θερμότητας, η κύρια δυσκολία έγκειται στο ότι τα χλωρίδια σε επαρκείς συγκεντρώσεις μπορούν να διεισδύσουν και να καταστρέψουν το προστατευτικό στρώμα οξειδίου στον ανοξείδωτο χάλυβα, προκαλώντας τοπική διάβρωση, δηλαδή σχηματισμό οπών.
Η δημιουργία οπών είναι μια από τις πιο ύπουλες μορφές διάβρωσης, επειδή μπορεί να προκαλέσει διεισδύσεις σε τοίχους και αστοχία εξοπλισμού με μικρή απώλεια μετάλλου.
Οι συγκεντρώσεις χλωριούχων δεν χρειάζεται να είναι πολύ υψηλές για να προκαλέσουν διάβρωση με οπές σε ανοξείδωτο χάλυβα 304 και 316, και για καθαρές επιφάνειες χωρίς εναποθέσεις ή ρωγμές, οι συνιστώμενες μέγιστες συγκεντρώσεις χλωριούχων θεωρούνται πλέον οι εξής:
Αρκετοί παράγοντες μπορούν εύκολα να προκαλέσουν συγκεντρώσεις χλωρίου που υπερβαίνουν αυτές τις οδηγίες, τόσο γενικά όσο και σε τοπικές τοποθεσίες. Έχει γίνει πολύ σπάνιο να εξετάζεται πρώτα η ψύξη μίας φοράς για νέους σταθμούς παραγωγής ενέργειας. Οι περισσότεροι κατασκευάζονται με πύργους ψύξης ή, σε ορισμένες περιπτώσεις, με αερόψυκτους συμπυκνωτές (ACC). Για εκείνους με πύργους ψύξης, η συγκέντρωση ακαθαρσιών στα καλλυντικά μπορεί να «κυκλοφορήσει προς τα πάνω». Για παράδειγμα, μια στήλη με συγκέντρωση χλωρίου στο νερό αναπλήρωσης 50 mg/l λειτουργεί με πέντε κύκλους συγκέντρωσης και η περιεκτικότητα σε χλωρίδιο του κυκλοφορούντος νερού είναι 250 mg/l. Αυτό και μόνο θα πρέπει γενικά να αποκλείει το 304 SS. Επιπλέον, σε νέες και υφιστάμενες μονάδες, υπάρχει αυξανόμενη ανάγκη αντικατάστασης του γλυκού νερού για την επαναφόρτιση των εγκαταστάσεων. Μια κοινή εναλλακτική λύση είναι τα αστικά λύματα. Ο Πίνακας 2 συγκρίνει την ανάλυση των τεσσάρων πηγών γλυκού νερού με τις τέσσερις πηγές λυμάτων.
Προσέξτε για αυξημένα επίπεδα χλωρίου (και άλλες ακαθαρσίες, όπως άζωτο και φώσφορο, που μπορούν να αυξήσουν σημαντικά τη μικροβιακή μόλυνση στα συστήματα ψύξης). Για όλα τα γκρίζα νερά, οποιαδήποτε κυκλοφορία στον πύργο ψύξης θα υπερβαίνει το όριο χλωρίου που συνιστάται από το 316 SS.
Η προηγούμενη συζήτηση βασίζεται στο δυναμικό διάβρωσης των κοινών μεταλλικών επιφανειών. Τα θραύσματα και τα ιζήματα αλλάζουν δραματικά την ιστορία, καθώς και τα δύο παρέχουν σημεία όπου μπορούν να συγκεντρωθούν ακαθαρσίες. Μια τυπική θέση για μηχανικές ρωγμές σε συμπυκνωτές και παρόμοιους εναλλάκτες θερμότητας είναι στις ενώσεις φύλλου σωλήνα με σωλήνα. Τα ιζήματα εντός του σωλήνα μπορούν να δημιουργήσουν ρωγμές στα όρια του ιζήματος και το ίδιο το ίζημα μπορεί να χρησιμεύσει ως σημείο μόλυνσης. Επιπλέον, επειδή ο ανοξείδωτος χάλυβας βασίζεται σε ένα συνεχές στρώμα οξειδίου για προστασία, οι εναποθέσεις μπορούν να σχηματίσουν θέσεις φτωχές σε οξυγόνο που μετατρέπουν την υπόλοιπη επιφάνεια του χάλυβα σε άνοδο.
Η παραπάνω συζήτηση σκιαγραφεί ζητήματα που οι σχεδιαστές εγκαταστάσεων συνήθως δεν λαμβάνουν υπόψη όταν καθορίζουν υλικά για τους σωλήνες συμπυκνωτή και βοηθητικού εναλλάκτη θερμότητας για νέα έργα. Η νοοτροπία σχετικά με τους σωλήνες SS 304 και 316 μερικές φορές εξακολουθεί να φαίνεται να είναι «αυτό κάναμε πάντα» χωρίς να λαμβάνονται υπόψη οι συνέπειες τέτοιων ενεργειών. Διατίθενται εναλλακτικά υλικά για την αντιμετώπιση των πιο σκληρών συνθηκών ψύξης που αντιμετωπίζουν τώρα πολλές μονάδες.
Πριν από τη συζήτηση για εναλλακτικά μέταλλα, πρέπει να αναφερθεί σύντομα ένα άλλο σημείο. Σε πολλές περιπτώσεις, ένα 316 SS ή ακόμα και ένα 304 SS είχε καλή απόδοση κατά την κανονική λειτουργία, αλλά παρουσίασε βλάβη κατά τη διάρκεια διακοπής ρεύματος. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η βλάβη οφείλεται σε κακή αποστράγγιση του συμπυκνωτή ή του εναλλάκτη θερμότητας που προκαλεί στάσιμο νερό στους σωλήνες. Αυτό το περιβάλλον παρέχει ιδανικές συνθήκες για την ανάπτυξη μικροοργανισμών. Οι μικροβιακές αποικίες με τη σειρά τους παράγουν διαβρωτικές ενώσεις που διαβρώνουν άμεσα το σωληνωτό μέταλλο.
Αυτός ο μηχανισμός, γνωστός ως μικροβιακά επαγόμενη διάβρωση (MIC), είναι γνωστό ότι καταστρέφει σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα και άλλα μέταλλα μέσα σε λίγες εβδομάδες. Εάν ο εναλλάκτης θερμότητας δεν μπορεί να αποστραγγιστεί, θα πρέπει να δοθεί σοβαρή προσοχή στην περιοδική κυκλοφορία νερού μέσω του εναλλάκτη θερμότητας και στην προσθήκη βιοκτόνου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. (Για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τις σωστές διαδικασίες τοποθέτησης, βλ. D. Janikowski, "Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations" (Στρώσεις συμπυκνωτή και εναλλακτών BOP - Παρατηρήσεις), που πραγματοποιήθηκε στις 4-6 Ιουνίου 2019 στο Champaign, IL. Παρουσιάστηκε στο 39ο Συμπόσιο Χημείας Ηλεκτρικών Υπηρεσιών.)
Για τα σκληρά περιβάλλοντα που επισημαίνονται παραπάνω, καθώς και για τα σκληρότερα περιβάλλοντα όπως το υφάλμυρο νερό ή το θαλασσινό νερό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικά μέταλλα για την αποτροπή των ακαθαρσιών. Τρεις ομάδες κραμάτων έχουν αποδειχθεί επιτυχημένες, το εμπορικά καθαρό τιτάνιο, ο ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας 6% μολυβδαινίου και ο υπερφερριτικός ανοξείδωτος χάλυβας. Αυτά τα κράματα είναι επίσης ανθεκτικά στην MIC. Αν και το τιτάνιο θεωρείται πολύ ανθεκτικό στη διάβρωση, η εξαγωνική κρυσταλλική δομή του και το εξαιρετικά χαμηλό μέτρο ελαστικότητας το καθιστούν ευάλωτο σε μηχανικές βλάβες. Αυτό το κράμα είναι ιδανικό για νέες εγκαταστάσεις με ισχυρές δομές στήριξης σωλήνων. Μια εξαιρετική εναλλακτική λύση είναι ο υπερφερριτικός ανοξείδωτος χάλυβας Sea-Cure®. Η σύνθεση αυτού του υλικού φαίνεται παρακάτω.
Ο χάλυβας έχει υψηλή περιεκτικότητα σε χρώμιο αλλά χαμηλή σε νικέλιο, επομένως είναι φερριτικός ανοξείδωτος χάλυβας και όχι ωστενιτικός. Λόγω της χαμηλής περιεκτικότητάς του σε νικέλιο, κοστίζει πολύ λιγότερο από άλλα κράματα. Η υψηλή αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας του Sea-Cure επιτρέπουν λεπτότερα τοιχώματα από άλλα υλικά, με αποτέλεσμα βελτιωμένη μεταφορά θερμότητας.
Οι βελτιωμένες ιδιότητες αυτών των μετάλλων εμφανίζονται στο διάγραμμα «Ισοδύναμος Αριθμός Αντίστασης σε Φρεάτια», το οποίο, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι μια διαδικασία δοκιμής που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της αντοχής διαφόρων μετάλλων στη διάβρωση με φρεάτια.
Μία από τις πιο συνηθισμένες ερωτήσεις είναι «Ποια είναι η μέγιστη περιεκτικότητα σε χλωριούχα που μπορεί να ανεχθεί μια συγκεκριμένη ποιότητα ανοξείδωτου χάλυβα;» Οι απαντήσεις ποικίλλουν σημαντικά. Οι παράγοντες περιλαμβάνουν το pH, τη θερμοκρασία, την παρουσία και τον τύπο των ρωγμών, καθώς και την πιθανότητα ενεργών βιολογικών ειδών. Ένα εργαλείο έχει προστεθεί στον δεξιό άξονα του Σχήματος 5 για να βοηθήσει σε αυτήν την απόφαση. Βασίζεται σε ουδέτερο pH, ρέον νερό 35°C που βρίσκεται συνήθως σε πολλές εφαρμογές BOP και συμπύκνωσης (για την πρόληψη του σχηματισμού αποθέσεων και ρωγμών). Μόλις επιλεγεί ένα κράμα με συγκεκριμένη χημική σύνθεση, το PREn μπορεί να προσδιοριστεί και στη συνέχεια να τέμνεται με την κατάλληλη κάθετο. Το συνιστώμενο μέγιστο επίπεδο χλωριούχων μπορεί στη συνέχεια να προσδιοριστεί σχεδιάζοντας μια οριζόντια γραμμή στον δεξιό άξονα. Γενικά, εάν ένα κράμα πρόκειται να ληφθεί υπόψη για εφαρμογές υφάλμυρου ή θαλασσινού νερού, πρέπει να έχει CCT πάνω από 25 βαθμούς Κελσίου, όπως μετράται με τη δοκιμή G 48.
Είναι σαφές ότι τα υπερφερριτικά κράματα που αντιπροσωπεύονται από το Sea-Cure® είναι γενικά κατάλληλα ακόμη και για εφαρμογές σε θαλασσινό νερό. Υπάρχει ένα άλλο πλεονέκτημα αυτών των υλικών που πρέπει να τονιστεί. Προβλήματα διάβρωσης μαγγανίου έχουν παρατηρηθεί για τα SS 304 και 316 εδώ και πολλά χρόνια, συμπεριλαμβανομένων των μονάδων κατά μήκος του ποταμού Οχάιο. Πρόσφατα, οι εναλλάκτες θερμότητας σε μονάδες κατά μήκος των ποταμών Μισισιπή και Μιζούρι έχουν δεχθεί επίθεση. Η διάβρωση μαγγανίου είναι επίσης ένα κοινό πρόβλημα στα συστήματα αναπλήρωσης νερού γεωτρήσεων. Ο μηχανισμός διάβρωσης έχει αναγνωριστεί ως αντίδραση διοξειδίου του μαγγανίου (MnO2) με ένα οξειδωτικό βιοκτόνο για την παραγωγή υδροχλωρικού οξέος κάτω από την εναπόθεση. Το HCl είναι αυτό που πραγματικά προσβάλλει τα μέταλλα. [WH Dickinson και RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"· παρουσιάστηκε στο Ετήσιο Συνέδριο Διάβρωσης NACE του 2002, Ντένβερ, Κολοράντο]. Οι φερριτικοί χάλυβες είναι ανθεκτικοί σε αυτόν τον μηχανισμό διάβρωσης.
Η επιλογή υλικών υψηλότερης ποιότητας για τους σωλήνες συμπυκνωτή και εναλλάκτη θερμότητας δεν αποτελεί ακόμη υποκατάστατο του σωστού ελέγχου της χημείας επεξεργασίας νερού. Όπως έχει περιγράψει ο συγγραφέας Buecker σε προηγούμενο άρθρο για την ενεργειακή μηχανική, ένα σωστά σχεδιασμένο και λειτουργικό πρόγραμμα χημικής επεξεργασίας είναι απαραίτητο για την ελαχιστοποίηση της πιθανότητας απολέπισης, διάβρωσης και ρύπανσης. Η χημεία πολυμερών αναδύεται ως μια ισχυρή εναλλακτική λύση στην παλαιότερη χημεία φωσφορικών/φωσφονικών για τον έλεγχο της διάβρωσης και της απολέπισης σε συστήματα πύργων ψύξης. Ο έλεγχος της μικροβιακής μόλυνσης ήταν και θα συνεχίσει να είναι ένα κρίσιμο ζήτημα. Ενώ η οξειδωτική χημεία με χλώριο, χλωρίνη ή παρόμοιες ενώσεις είναι ο ακρογωνιαίος λίθος του μικροβιακού ελέγχου, οι συμπληρωματικές θεραπείες μπορούν συχνά να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα των προγραμμάτων επεξεργασίας. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η χημεία σταθεροποίησης, η οποία βοηθά στην αύξηση του ρυθμού απελευθέρωσης και της αποτελεσματικότητας των οξειδωτικών βιοκτόνων με βάση το χλώριο χωρίς την εισαγωγή επιβλαβών ενώσεων στο νερό. Επιπλέον, η συμπληρωματική τροφοδοσία με μη οξειδωτικά μυκητοκτόνα μπορεί να είναι πολύ ωφέλιμη για τον έλεγχο της μικροβιακής ανάπτυξης. Το αποτέλεσμα είναι ότι υπάρχουν πολλοί τρόποι για να βελτιωθεί η βιωσιμότητα και η αξιοπιστία των εναλλακτών θερμότητας των σταθμών παραγωγής ενέργειας, αλλά κάθε σύστημα είναι διαφορετικό, επομένως ο προσεκτικός σχεδιασμός και η διαβούλευση με τους ειδικούς του κλάδου είναι σημαντικοί για την επιλογή υλικών και χημικών διαδικασιών. Μεγάλο μέρος αυτού του άρθρου είναι γραμμένο από ένα Από την άποψη της επεξεργασίας νερού, δεν εμπλεκόμαστε σε αποφάσεις σχετικά με τα υλικά, αλλά μας ζητείται να βοηθήσουμε στη διαχείριση του αντίκτυπου αυτών των αποφάσεων μόλις ο εξοπλισμός τεθεί σε λειτουργία. Η τελική απόφαση για την επιλογή υλικών πρέπει να ληφθεί από το προσωπικό της εγκατάστασης με βάση έναν αριθμό παραγόντων που καθορίζονται για κάθε εφαρμογή.
Σχετικά με τον Συγγραφέα: Ο Brad Buecker είναι Ανώτερος Τεχνικός Υπεύθυνος Δημοσιολογίας στην ChemTreat. Έχει 36 χρόνια εμπειρίας ή σχετίζεται με τον κλάδο της ενέργειας, μεγάλο μέρος της οποίας στη χημεία παραγωγής ατμού, την επεξεργασία νερού, τον έλεγχο της ποιότητας του αέρα και στην City Water, Light & Power (Σπρινγκφιλντ, Ιλινόις) και η Kansas City Power & Light Company εδρεύει στον σταθμό La Cygne του Κάνσας. Επίσης, εργάστηκε για δύο χρόνια ως αναπληρωτής επιβλέπων νερού/λυμάτων σε ένα χημικό εργοστάσιο. Ο Buecker κατέχει πτυχίο Χημείας από το Πανεπιστήμιο της Αϊόβα με επιπλέον εργασίες στη Μηχανική Ρευστών, την Ισορροπία Ενέργειας και Υλικών και την Προηγμένη Ανόργανη Χημεία.
Ο Dan Janikowski είναι Τεχνικός Διευθυντής στην Plymouth Metro. Για 35 χρόνια, ασχολείται με την ανάπτυξη μετάλλων, την κατασκευή και τη δοκιμή σωληνωτών προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων κραμάτων χαλκού, ανοξείδωτου χάλυβα, κραμάτων νικελίου, τιτανίου και ανθρακούχου χάλυβα. Εργαζόμενος στην Plymouth Metro από το 2005, ο Janikowski κατείχε διάφορες ανώτερες θέσεις πριν γίνει Τεχνικός Διευθυντής το 2010.