POWERGENi rahvusvaheline sisukonkurss on nüüd avatud! Otsime esinejaid kommunaalteenuste ja elektritootmise tööstusharudest. Teemade hulka kuuluvad tavapärane ja taastuvenergia tootmine, elektrijaamade digitaalne transformatsioon, energia salvestamine, mikrovõrgud, jaamade optimeerimine, kohapealne energia ja palju muud.
Autorid on ikka ja jälle üle vaadanud uusi elektrijaamade spetsifikatsioone, milles tehase projekteerijad valivad kondensaatori ja abisoojusvaheti torude jaoks tavaliselt 304 või 316 roostevaba terase. Paljude jaoks tekitab termin roostevaba teras võitmatu korrosiooni aura, kuigi tegelikult võib roostevaba teras olla mõnikord halvim valik, kuna see on vastuvõtlik lokaalsele korrosioonile. Ja praegusel ajastul, kus jahutusvee täiendamiseks vajaliku magevee kättesaadavus on vähenenud ning jahutustornid töötavad suure kontsentratsiooniga tsüklitega, suurenevad roostevaba terase võimalikud purunemismehhanismid. Mõnes rakenduses peab 300-seeria roostevaba teras vastu vaid kuid, mõnikord ainult nädalaid, enne kui puruneb. See artikkel keskendub vähemalt küsimustele, mida tuleks kondensaatori torude materjalide valimisel veetöötluse seisukohast arvestada. Muud tegurid, mida selles artiklis ei käsitleta, kuid mis mängivad materjali valikul rolli, on materjali tugevus, soojusülekande omadused ja vastupidavus mehaanilistele jõududele, sealhulgas väsimus- ja erosioonkorrosioonile.
12% või rohkema kroomi lisamine terasele põhjustab sulami pideva oksiidikihi moodustumise, mis kaitseb all olevat põhimetalli. Sellest ka termin roostevaba teras. Muude legeermaterjalide (eriti nikli) puudumisel kuulub süsinikteras ferriitrühma ja selle ühikrakul on kehatsentreeritud kuupne (BCC) struktuur.
Kui sulamisegule lisatakse niklit kontsentratsioonis 8% või rohkem, isegi toatemperatuuril, eksisteerib rakk pinnatsentreeritud kuubilises (FCC) struktuuris, mida nimetatakse austeniidiks.
Nagu tabelis 1 näidatud, on 300-seeria roostevabadel terastel ja muudel roostevabadel terastel niklisisaldus, mis tekitab austeniitse struktuuri.
Austeniitsed terased on osutunud väga väärtuslikuks paljudes rakendustes, sealhulgas materjalina kõrge temperatuuriga ülekuumendite ja vahesoojendite torude jaoks elektrikateldes. Eriti 300-seeriat kasutatakse sageli materjalina madala temperatuuriga soojusvaheti torude, sealhulgas auru pinnakondensaatorite jaoks. Kuid just nendes rakendustes jätavad paljud tähelepanuta võimalikud rikkemehhanismid.
Roostevaba terase, eriti populaarsete 304 ja 316 materjalide peamine raskus seisneb selles, et kaitsev oksiidikiht hävib sageli jahutusvees olevate lisandite ning lisandite kontsentreerimisele kaasa aitavate pragude ja ladestuste tõttu. Lisaks võib seiskamistingimustes seisva vee tõttu tekkida mikroobide kasvu, mille ainevahetusproduktid võivad metallidele väga kahjulikud olla.
Jahutusvee tavaline lisand ja üks raskemini majanduslikult eemaldatavaid on kloriid. See ioon võib aurugeneraatorites põhjustada palju probleeme, kuid kondensaatorites ja abisoojusvahetites on peamiseks probleemiks see, et piisavas kontsentratsioonis kloriidid võivad tungida roostevaba terase kaitsva oksiidikihi sisse ja hävitada selle, põhjustades lokaalset korrosiooni ehk punktkorrosiooni.
Piting on üks salakavalamaid korrosiooni vorme, kuna see võib põhjustada seinte läbitungimist ja seadmete rikkeid vähese metallikaoga.
Kloriidi kontsentratsioon ei pea olema väga kõrge, et põhjustada 304 ja 316 roostevaba terase punktkorrosiooni, ning puhaste pindade puhul, kus puuduvad ladestused või praod, peetakse nüüd soovitatavaks maksimaalseks kloriidi kontsentratsiooniks järgmist:
Mitmed tegurid võivad kergesti põhjustada kloriidi kontsentratsioone, mis ületavad neid piirnorme, nii üldiselt kui ka lokaliseeritud kohtades. Uute elektrijaamade puhul on väga harva kaalutud esmalt ühekordset jahutust. Enamik neist on ehitatud jahutustornidega või mõnel juhul õhkjahutusega kondensaatoritega (ACC). Jahutustornidega elektrijaamade puhul võib kosmeetikatoodete lisandite kontsentratsioon "tsükliliselt ülespoole liikuda". Näiteks kolonn, mille kloriidi kontsentratsioon on 50 mg/l täiendusvee kloriidi kontsentratsioon, töötab viie kontsentreerimistsükliga ja ringleva vee kloriidisisaldus on 250 mg/l. See üksi peaks üldiselt välistama 304SS. Lisaks on nii uutes kui ka olemasolevates jaamades üha suurem vajadus asendada jaama täiendamiseks magevesi. Levinud alternatiiv on munitsipaalreovesi. Tabel 2 võrdleb nelja mageveevarustuse analüüsi nelja reoveevarustusega.
Jälgige suurenenud kloriidisisaldust (ja muid lisandeid, näiteks lämmastikku ja fosforit, mis võivad jahutussüsteemides oluliselt suurendada mikroobset saastumist). Peaaegu kogu hallvee puhul ületab jahutustornis ringluses olev kloriidisisaldus 316 SS poolt soovitatud piirnormi.
Eelnev arutelu põhineb tavaliste metallpindade korrosioonipotentsiaalil. Murrud ja setted muudavad olukorda dramaatiliselt, kuna mõlemad pakuvad kohti, kus lisandid saavad kontsentreeruda. Tüüpiline asukoht kondensaatorites ja sarnastes soojusvahetites mehaaniliste pragude tekkeks on torudevaheliste lehtede ühenduskohad. Torus olev sete võib tekitada pragusid sette piiril ja sete ise võib olla saastumiskohaks. Lisaks, kuna roostevaba teras tugineb kaitseks pidevale oksiidikihile, võivad ladestused moodustada hapnikuvaesed kohad, mis muudavad ülejäänud terase pinna anoodiks.
Ülaltoodud arutelu toob välja probleemid, mida tehase projekteerijad uute projektide kondensaatori ja abisoojusvaheti torumaterjalide valimisel tavaliselt ei arvesta. 304 ja 316 SS puhul tundub mõnikord endiselt olevat mentaliteet „nii oleme alati teinud“, arvestamata selliste tegude tagajärgedega. Paljude tehaste praeguste karmimate jahutusvee tingimustega toimetulekuks on saadaval alternatiivsed materjalid.
Enne alternatiivsete metallide arutamist tuleb lühidalt öelda veel ühe punkti. Paljudel juhtudel toimis 316 või isegi 304 roostevabast terasest teras normaalse töö ajal hästi, kuid elektrikatkestuse ajal lakkas töötamast. Enamasti on rikke põhjuseks kondensaatori või soojusvaheti halb drenaaž, mis põhjustab torudes seisva vee. See keskkond loob ideaalsed tingimused mikroorganismide kasvuks. Mikroobide kolooniad omakorda toodavad söövitavaid ühendeid, mis söövitavad otse torukujulist metalli.
See mehhanism, mida tuntakse mikroobselt indutseeritud korrosioonina (MIC), hävitab teadaolevalt roostevabast terasest torusid ja muid metalle nädalate jooksul. Kui soojusvahetit ei saa tühjendada, tuleks tõsiselt kaaluda vee perioodilist ringlust soojusvahetis ja biotsiidi lisamist protsessi ajal. (Lisateavet nõuetekohase kihistusprotseduuri kohta vt D. Janikowski, „Kondensaatori ja BOP-vahetite kihistus – kaalutlused“; toimus 4.–6. juunil 2019 Champaignis, Illinoisis, esitletud 39. elektrijaamade keemia sümpoosionil.)
Eespool esile tõstetud karmide keskkondade, aga ka veelgi karmimate keskkondade, näiteks riimvee või merevee puhul saab lisandite tõrjumiseks kasutada alternatiivseid metalle. Kolm sulamirühma on osutunud edukaks: kaubanduslikult puhas titaan, 6% molübdeeni sisaldav austeniitne roostevaba teras ja superferiitne roostevaba teras. Need sulamid on ka MIC-kindlad. Kuigi titaani peetakse väga korrosioonikindlaks, muudab selle kuusnurkne tihedalt pakitud kristallstruktuur ja äärmiselt madal elastsusmoodul selle mehaaniliste kahjustuste suhtes vastuvõtlikuks. See sulam sobib kõige paremini uute paigaldiste jaoks, millel on tugevad torutugistruktuurid. Suurepärane alternatiiv on superferiitne roostevaba teras Sea-Cure®. Selle materjali koostis on näidatud allpool.
Teras on kroomirikas, kuid niklist madal, seega on see pigem ferriitne roostevaba teras kui austeniitne roostevaba teras. Madala niklisisalduse tõttu on see palju odavam kui teised sulamid. Sea-Cure'i kõrge tugevus ja elastsusmoodul võimaldavad õhemaid seinu kui teised materjalid, mille tulemuseks on parem soojusülekanne.
Nende metallide täiustatud omadused on näidatud tabelis „Pitting Resistance Equivalent Number“, mis, nagu nimigi ütleb, on katsemenetlus, mida kasutatakse erinevate metallide punktkorrosioonikindluse määramiseks.
Üks levinumaid küsimusi on: „Milline on maksimaalne kloriidisisaldus, mida konkreetne roostevaba terase klass talub?“. Vastused on väga erinevad. Tegurid hõlmavad pH-d, temperatuuri, pragude olemasolu ja tüüpi ning aktiivsete bioloogiliste liikide potentsiaali. Joonise 5 paremale teljele on selle otsuse abistamiseks lisatud tööriist. See põhineb neutraalsel pH-l ja 35 °C voolaval veel, mida tavaliselt leidub paljudes BOP- ja kondensatsioonirakendustes (sademete ja pragude tekkimise vältimiseks). Kui kindla keemilise koostisega sulam on valitud, saab määrata PREn ja seejärel lõigata selle sobiva kaldkriipsuga. Soovitatava maksimaalse kloriidisisalduse saab seejärel määrata, joonistades paremale teljele horisontaaljoone. Üldiselt, kui sulamit kavatsetakse kasutada riim- või merevee rakendustes, peab selle CCT olema üle 25 kraadi Celsiuse järgi, mõõdetuna G 48 testiga.
On selge, et Sea-Cure®-i esindatud superferriitsed sulamid sobivad üldiselt isegi merevee rakendusteks. Nendel materjalidel on veel üks eelis, mida tuleb rõhutada. Mangaani korrosiooniprobleeme on 304 ja 316 SS puhul täheldatud juba aastaid, sealhulgas Ohio jõe ääres asuvates tehastes. Hiljuti on rünnatud Mississippi ja Missouri jõgede ääres asuvate tehaste soojusvaheteid. Mangaani korrosioon on levinud probleem ka puurkaevude täiendamise süsteemides. Korrosioonimehhanismiks on identifitseeritud mangaandioksiidi (MnO2) reageerimine oksüdeeriva biotsiidiga, mille tulemuseks on soolhappe teke sette all. HCl on see, mis tegelikult metalle ründab. [WH Dickinson ja RW Pick, "Mangaanist sõltuv korrosioon elektrienergia tööstuses"; esitletud 2002. aasta NACE iga-aastasel korrosioonikonverentsil Denveris, Colorados.] Ferriitsed terased on selle korrosioonimehhanismi suhtes vastupidavad.
Kõrgema klassi materjalide valimine kondensaatori ja soojusvaheti torude jaoks ei asenda endiselt nõuetekohast veetöötluskeemia juhtimist. Nagu autor Buecker on varasemas energeetikaartiklis välja toonud, on katlakivi, korrosiooni ja saastumise potentsiaali minimeerimiseks vajalik korralikult kavandatud ja käitatav keemilise töötlemise programm. Polümeerkeemia on kujunemas võimsaks alternatiiviks vanemale fosfaat/fosfonaatkeemiale, et kontrollida korrosiooni ja katlakivi teket jahutustornisüsteemides. Mikroobse saastumise kontrollimine on olnud ja jääb kriitiliseks probleemiks. Kuigi oksüdatiivne keemia kloori, valgendi või sarnaste ühenditega on mikroobide kontrolli nurgakivi, võivad täiendavad töötlemised sageli parandada töötlusprogrammide tõhusust. Üks selline näide on stabiliseeriv keemia, mis aitab suurendada klooripõhiste oksüdeerivate biotsiidide vabanemiskiirust ja tõhusust, ilma et vette kahjulikke ühendeid satuks. Lisaks võib täiendav söötmine mitteoksüdeerivate fungitsiididega olla mikroobide arengu kontrollimisel väga kasulik. Tulemuseks on see, et elektrijaamade soojusvahetite jätkusuutlikkuse ja töökindluse parandamiseks on palju võimalusi, kuid iga süsteem on erinev, seega on materjalide ja keemiliste protseduuride valikul oluline hoolikas planeerimine ja konsulteerimine valdkonna ekspertidega. Suur osa sellest artiklist on kirjutatud veetöötluse vaatenurgast. ei ole seotud materjalidega seotud otsuste langetamisega, kuid meilt palutakse aidata hallata nende otsuste mõju, kui seadmed on tööle pandud. Lõpliku otsuse materjalide valiku kohta peab tegema tehase personal, lähtudes iga rakenduse jaoks määratletud teguritest.
Autori kohta: Brad Buecker on ChemTreati vanemtehniline publicist. Tal on 36 aastat kogemust energeetikatööstuses või sellega seotud valdkondades, millest suur osa on olnud auru tootmise keemias, vee töötlemisel, õhukvaliteedi kontrollimisel ja City Water, Light & Poweris (Springfield, IL) ning Kansas City Power & Light Company asub La Cygne'i jaamas Kansases. Samuti töötas ta kaks aastat keemiatehases vee-/reoveeülema kohusetäitjana. Bueckeril on Iowa Osariigi Ülikoolist keemia bakalaureusekraad ning lisaks on ta õppinud vedelike mehaanikat, energia ja materjalide tasakaalu ning täiustatud anorgaanilist keemiat.
Dan Janikowski on Plymouth Tube'i tehnikajuht. Ta on 35 aastat tegelenud metallide arendamise, torukujuliste toodete, sealhulgas vasesulamite, roostevaba terase, nikli sulamite, titaani ja süsinikterase tootmise ja katsetamisega. Olles töötanud Plymouth Metros alates 2005. aastast, töötas Janikowski enne 2010. aastal tehnikajuhiks saamist erinevatel juhtivatel ametikohtadel.