نویسندگان بارها و بارها مشخصات پروژه‌های جدید نیروگاهی را بررسی کرده‌اند که در آن‌ها طراحان نیروگاه معمولاً فولاد ضد زنگ 304 یا 316 را برای لوله‌های کندانسور و مبدل حرارتی کمکی انتخاب می‌کنند. برای بسیاری، اصطلاح فولاد ضد زنگ تداعی کننده‌ی هاله ای از خوردگی شکست‌ناپذیر است، در حالی که در واقع، فولادهای ضد زنگ گاهی اوقات می‌توانند بدترین انتخاب باشند زیرا مستعد خوردگی موضعی هستند. و در این دوره که دسترسی به آب شیرین برای خنک‌کننده‌های جبرانی کاهش یافته است، همراه با برج‌های خنک‌کننده که در چرخه‌های غلظت بالا کار می‌کنند، مکانیسم‌های بالقوه‌ی شکست فولاد ضد زنگ افزایش یافته است. در برخی کاربردها، فولاد ضد زنگ سری 300 فقط ماه‌ها، گاهی اوقات فقط چند هفته، قبل از شکست دوام می‌آورد. این مقاله حداقل بر روی مسائلی تمرکز دارد که باید هنگام انتخاب مواد لوله کندانسور از دیدگاه تصفیه آب در نظر گرفته شوند. عوامل دیگری که در این مقاله مورد بحث قرار نگرفته‌اند اما در انتخاب مواد نقش دارند عبارتند از: استحکام مواد، خواص انتقال حرارت و مقاومت در برابر نیروهای مکانیکی، از جمله خستگی و خوردگی فرسایشی.
افزودن ۱۲٪ یا بیشتر کروم به فولاد باعث می‌شود که آلیاژ یک لایه اکسید پیوسته تشکیل دهد که از فلز پایه زیرین محافظت می‌کند. از این رو اصطلاح فولاد ضد زنگ به آن اطلاق می‌شود. در غیاب سایر مواد آلیاژی (به ویژه نیکل)، فولاد کربنی بخشی از گروه فریت است و سلول واحد آن دارای ساختار مکعبی مرکز پر (BCC) است.
وقتی نیکل با غلظت ۸٪ یا بیشتر به مخلوط آلیاژ اضافه شود، سلول حتی در دمای محیط نیز در یک ساختار مکعبی با وجوه مرکزپر (FCC) به نام آستنیت وجود خواهد داشت.
همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، فولادهای زنگ نزن سری 300 و سایر فولادهای زنگ نزن دارای محتوای نیکل هستند که ساختار آستنیتی ایجاد می‌کند.
فولادهای آستنیتی در بسیاری از کاربردها، از جمله به عنوان ماده‌ای برای لوله‌های سوپرهیتر و ری‌هیتر دمای بالا در بویلرهای قدرت، بسیار ارزشمند بوده‌اند. سری ۳۰۰ به طور خاص اغلب به عنوان ماده‌ای برای لوله‌های مبدل حرارتی دمای پایین، از جمله کندانسورهای سطح بخار، استفاده می‌شود. با این حال، در این کاربردها است که بسیاری از مکانیسم‌های خرابی بالقوه را نادیده می‌گیرند.
مشکل اصلی فولاد ضد زنگ، به ویژه مواد محبوب 304 و 316، این است که لایه اکسید محافظ اغلب توسط ناخالصی‌های موجود در آب خنک‌کننده و شکاف‌ها و رسوباتی که به تمرکز ناخالصی‌ها کمک می‌کنند، از بین می‌رود. علاوه بر این، در شرایط خاموشی، آب راکد می‌تواند منجر به رشد میکروبی شود که فرآورده‌های جانبی متابولیک آن می‌تواند به فلزات بسیار آسیب برساند.
یکی از ناخالصی‌های رایج آب خنک‌کننده و یکی از دشوارترین موارد برای حذف اقتصادی، کلرید است. این یون می‌تواند مشکلات زیادی را در مولدهای بخار ایجاد کند، اما در کندانسورها و مبدل‌های حرارتی کمکی، مشکل اصلی این است که کلریدها در غلظت‌های کافی می‌توانند به لایه اکسید محافظ روی فولاد ضد زنگ نفوذ کرده و آن را از بین ببرند و باعث خوردگی موضعی، یعنی حفره‌دار شدن، شوند.
خوردگی حفره‌ای یکی از موذی‌ترین انواع خوردگی است زیرا می‌تواند باعث نفوذ به دیواره و خرابی تجهیزات شود، بدون اینکه فلز زیادی از بین برود.
غلظت کلرید برای ایجاد خوردگی حفره‌ای در فولاد ضد زنگ 304 و 316 لازم نیست خیلی زیاد باشد، و برای سطوح تمیز و بدون هیچ گونه رسوب یا شکافی، حداکثر غلظت کلرید توصیه شده اکنون به شرح زیر در نظر گرفته می‌شود:
عوامل متعددی می‌توانند به راحتی غلظت کلریدی تولید کنند که از این دستورالعمل‌ها فراتر رود، چه به طور کلی و چه در مکان‌های محلی. به ندرت پیش می‌آید که ابتدا خنک‌سازی یک‌باره برای نیروگاه‌های جدید در نظر گرفته شود. اکثر آنها با برج‌های خنک‌کننده یا در برخی موارد، کندانسورهای خنک‌شده با هوا (ACC) ساخته شده‌اند. برای نیروگاه‌هایی که برج‌های خنک‌کننده دارند، غلظت ناخالصی‌های موجود در مواد آرایشی می‌تواند "چرخه افزایشی" داشته باشد. به عنوان مثال، ستونی با غلظت کلرید آب جبرانی 50 میلی‌گرم در لیتر با پنج چرخه غلظت کار می‌کند و میزان کلرید آب در گردش 250 میلی‌گرم در لیتر است. همین امر به تنهایی باید به طور کلی 304 SS را رد کند. علاوه بر این، در نیروگاه‌های جدید و موجود، نیاز فزاینده‌ای به جایگزینی آب شیرین برای تغذیه مجدد نیروگاه وجود دارد. یک جایگزین رایج، فاضلاب شهری است. جدول 2 تجزیه و تحلیل چهار منبع آب شیرین را با چهار منبع فاضلاب مقایسه می‌کند.
مراقب افزایش سطح کلرید (و سایر ناخالصی‌ها، مانند نیتروژن و فسفر، که می‌توانند آلودگی میکروبی را در سیستم‌های خنک‌کننده به شدت افزایش دهند) باشید. اساساً برای تمام آب‌های خاکستری، هرگونه گردش در برج خنک‌کننده از حد کلرید توصیه‌شده توسط 316 SS فراتر خواهد رفت.
بحث قبلی بر اساس پتانسیل خوردگی سطوح فلزی رایج است. شکستگی‌ها و رسوبات به طور چشمگیری داستان را تغییر می‌دهند، زیرا هر دو مکان‌هایی را فراهم می‌کنند که ناخالصی‌ها می‌توانند در آنها متمرکز شوند. یک مکان معمول برای ترک‌های مکانیکی در کندانسورها و مبدل‌های حرارتی مشابه، در محل اتصال لوله به ورق لوله است. رسوب درون لوله می‌تواند ترک‌هایی را در مرز رسوب ایجاد کند و خود رسوب می‌تواند به عنوان محلی برای آلودگی عمل کند. علاوه بر این، از آنجا که فولاد ضد زنگ برای محافظت به یک لایه اکسید پیوسته متکی است، رسوبات می‌توانند مکان‌های فقیر از اکسیژن تشکیل دهند که سطح فولاد باقی مانده را به یک آند تبدیل می‌کنند.
بحث فوق مسائلی را مطرح می‌کند که طراحان کارخانه معمولاً هنگام تعیین جنس لوله‌های کندانسور و مبدل حرارتی کمکی برای پروژه‌های جدید در نظر نمی‌گیرند. گاهی اوقات به نظر می‌رسد که طرز فکر در مورد فولادهای 304 و 316 SS این است که "این کاری است که ما همیشه انجام داده‌ایم" بدون اینکه عواقب چنین اقداماتی را در نظر بگیریم. مواد جایگزین برای مدیریت شرایط سخت‌تر آب خنک‌کننده که بسیاری از کارخانه‌ها اکنون با آن مواجه هستند، در دسترس هستند.
قبل از بحث در مورد فلزات جایگزین، نکته دیگری باید به طور خلاصه بیان شود. در بسیاری از موارد، یک فولاد ضد زنگ 316 یا حتی فولاد ضد زنگ 304 در طول عملیات عادی عملکرد خوبی داشت، اما در هنگام قطع برق از کار افتاد. در بیشتر موارد، این خرابی به دلیل تخلیه ضعیف کندانسور یا مبدل حرارتی است که باعث راکد ماندن آب در لوله‌ها می‌شود. این محیط شرایط ایده‌آلی را برای رشد میکروارگانیسم‌ها فراهم می‌کند. کلونی‌های میکروبی به نوبه خود ترکیبات خورنده‌ای تولید می‌کنند که مستقیماً فلز لوله را می‌خورند.
این مکانیسم که به عنوان خوردگی ناشی از میکروب (MIC) شناخته می‌شود، لوله‌های فولادی ضد زنگ و سایر فلزات را در عرض چند هفته از بین می‌برد. اگر مبدل حرارتی قابل تخلیه نباشد، باید به طور دوره‌ای گردش آب از طریق مبدل حرارتی و افزودن بایوساید در طول فرآیند مورد توجه جدی قرار گیرد. (برای جزئیات بیشتر در مورد رویه‌های مناسب چیدمان، به مقاله D. Janikowski با عنوان «لایه‌بندی مبدل‌های کندانسور و BOP - ملاحظات» مراجعه کنید؛ که در 4 تا 6 ژوئن 2019 در Champaign، IL ارائه شده در سی و نهمین سمپوزیوم شیمی برق ارائه شده است.)
برای محیط‌های خشن ذکر شده در بالا، و همچنین محیط‌های سخت‌تر مانند آب شور یا آب دریا، می‌توان از فلزات جایگزین برای دفع ناخالصی‌ها استفاده کرد. سه گروه آلیاژی موفقیت خود را ثابت کرده‌اند: تیتانیوم خالص تجاری، فولاد ضد زنگ آستنیتی مولیبدن ۶٪ و فولاد ضد زنگ سوپرفریتی. این آلیاژها همچنین در برابر MIC مقاوم هستند. اگرچه تیتانیوم در برابر خوردگی بسیار مقاوم در نظر گرفته می‌شود، اما ساختار کریستالی شش ضلعی فشرده و مدول الاستیک بسیار پایین آن، آن را مستعد آسیب مکانیکی می‌کند. این آلیاژ برای نصب‌های جدید با سازه‌های نگهدارنده لوله قوی مناسب است. یک جایگزین عالی، فولاد ضد زنگ سوپرفریتی Sea-Cure® است. ترکیب این ماده در زیر نشان داده شده است.
این فولاد کروم بالایی دارد اما نیکل کمی دارد، بنابراین یک فولاد ضد زنگ فریتی است تا یک فولاد ضد زنگ آستنیتی. به دلیل محتوای نیکل کم، قیمت آن بسیار کمتر از سایر آلیاژها است. استحکام بالا و مدول الاستیک Sea-Cure امکان ساخت دیواره‌های نازک‌تر نسبت به سایر مواد را فراهم می‌کند و در نتیجه انتقال حرارت بهبود می‌یابد.
خواص بهبود یافته این فلزات در نمودار «عدد معادل مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای» نشان داده شده است، که همانطور که از نامش پیداست، یک روش آزمایشی است که برای تعیین مقاومت فلزات مختلف در برابر خوردگی حفره‌ای استفاده می‌شود.
یکی از رایج‌ترین سوالات این است که «حداکثر میزان کلریدی که یک گرید خاص از فولاد ضد زنگ می‌تواند تحمل کند، چقدر است؟» پاسخ‌ها بسیار متفاوت هستند. عواملی مانند pH، دما، وجود و نوع شکستگی‌ها و پتانسیل گونه‌های بیولوژیکی فعال در این امر دخیل هستند. ابزاری در محور سمت راست شکل 5 اضافه شده است تا به این تصمیم‌گیری کمک کند. این ابزار بر اساس pH خنثی و آب جاری 35 درجه سانتیگراد است که معمولاً در بسیاری از کاربردهای BOP و تراکم یافت می‌شود (برای جلوگیری از تشکیل رسوب و ترک). پس از انتخاب آلیاژ با ترکیب شیمیایی خاص، می‌توان PREn را تعیین کرد و سپس آن را با خط مورب مناسب قطع کرد. سپس می‌توان حداکثر سطح کلرید توصیه شده را با رسم یک خط افقی در محور سمت راست تعیین کرد. به طور کلی، اگر قرار است آلیاژی برای کاربردهای آب شور یا آب دریا در نظر گرفته شود، باید CCT بالای 25 درجه سانتیگراد داشته باشد که با آزمایش G 48 اندازه‌گیری می‌شود.
واضح است که آلیاژهای فوق فریتی که با Sea-Cure® ارائه می‌شوند، عموماً برای کاربردهای حتی در آب دریا نیز مناسب هستند. این مواد مزیت دیگری نیز دارند که باید مورد تأکید قرار گیرند. مشکلات خوردگی منگنز برای فولادهای 304 و 316 SS سال‌هاست که مشاهده می‌شود، از جمله در کارخانه‌های کنار رودخانه اوهایو. اخیراً، مبدل‌های حرارتی در کارخانه‌های کنار رودخانه‌های می‌سی‌سی‌پی و میسوری مورد حمله قرار گرفته‌اند. خوردگی منگنز همچنین یک مشکل رایج در سیستم‌های جبران آب چاه است. مکانیسم خوردگی به عنوان واکنش دی اکسید منگنز (MnO2) با یک زیست‌کش اکسیدکننده برای تولید اسید هیدروکلریک در زیر رسوب شناسایی شده است. HCl چیزی است که واقعاً به فلزات حمله می‌کند. [WH Dickinson و RW Pick، "خوردگی وابسته به منگنز در صنعت برق"؛ ارائه شده در کنفرانس سالانه خوردگی NACE 2002، دنور، کلرادو.] فولادهای فریتی در برابر این مکانیسم خوردگی مقاوم هستند.
انتخاب مواد با کیفیت بالاتر برای لوله‌های کندانسور و مبدل حرارتی هنوز جایگزین کنترل مناسب شیمی تصفیه آب نیست. همانطور که نویسنده بوکر در مقاله قبلی مهندسی برق بیان کرده است، یک برنامه تصفیه شیمیایی به درستی طراحی و اجرا شده برای به حداقل رساندن پتانسیل رسوب‌گذاری، خوردگی و رسوب‌گذاری ضروری است. شیمی پلیمر به عنوان یک جایگزین قدرتمند برای شیمی فسفات/فسفونات قدیمی‌تر برای کنترل خوردگی و رسوب‌گذاری در سیستم‌های برج خنک‌کننده در حال ظهور است. کنترل آلودگی میکروبی یک مسئله حیاتی بوده و خواهد بود. در حالی که شیمی اکسیداتیو با کلر، سفیدکننده یا ترکیبات مشابه سنگ بنای کنترل میکروبی است، تصفیه‌های تکمیلی اغلب می‌توانند کارایی برنامه‌های تصفیه را بهبود بخشند. یکی از این نمونه‌ها، شیمی تثبیت‌کننده است که به افزایش سرعت آزادسازی و کارایی زیست‌کش‌های اکسیدکننده مبتنی بر کلر بدون وارد کردن هیچ ترکیب مضری به آب کمک می‌کند. علاوه بر این، تغذیه تکمیلی با قارچ‌کش‌های غیر اکسیدکننده ممکن است در کنترل توسعه میکروبی بسیار مفید باشد. نتیجه این است که راه‌های زیادی برای بهبود پایداری و قابلیت اطمینان مبدل‌های حرارتی نیروگاه وجود دارد، اما هر سیستم متفاوت است، بنابراین برنامه‌ریزی دقیق و مشاوره با متخصصان صنعت برای انتخاب مواد و مواد شیمیایی مهم است. رویه‌ها. بخش عمده‌ای از این مقاله از دیدگاه تصفیه آب نوشته شده است، ما در تصمیمات مربوط به مواد دخیل نیستیم، اما از ما خواسته شده است که پس از راه‌اندازی و راه‌اندازی تجهیزات، در مدیریت تأثیر این تصمیمات کمک کنیم. تصمیم نهایی در مورد انتخاب مواد باید توسط پرسنل کارخانه بر اساس تعدادی از عوامل مشخص شده برای هر کاربرد گرفته شود.
درباره نویسنده: برد بوکر، مسئول ارشد روابط عمومی فنی در شرکت ChemTreat است. او ۳۶ سال سابقه کار در صنعت برق یا وابسته به آن دارد که بخش عمده آن در شیمی تولید بخار، تصفیه آب، کنترل کیفیت هوا و در شرکت City Water, Light & Power (اسپرینگفیلد، ایلینوی) و Kansas City Power & Light Company واقع در ایستگاه La Cygne، کانزاس است. او همچنین دو سال به عنوان سرپرست موقت آب/فاضلاب در یک کارخانه شیمیایی فعالیت داشته است. بوکر دارای مدرک لیسانس شیمی از دانشگاه ایالتی آیووا است و دروس دیگری در مکانیک سیالات، تعادل انرژی و مواد و شیمی معدنی پیشرفته گذرانده است.
دن یانیکوفسکی مدیر فنی شرکت پلیموث تیوب است. او به مدت ۳۵ سال در توسعه فلزات، ساخت و آزمایش محصولات لوله‌ای از جمله آلیاژهای مس، فولاد ضد زنگ، آلیاژهای نیکل، تیتانیوم و فولاد کربنی فعالیت داشته است. یانیکوفسکی که از سال ۲۰۰۵ در پلیموث مترو فعالیت داشته، پیش از آنکه در سال ۲۰۱۰ به عنوان مدیر فنی منصوب شود، سمت‌های ارشد مختلفی را بر عهده داشته است.