POWERGENin kansainvälinen sisältöhaku on nyt auki! Etsimme puhujia sähkö- ja energia-alan toimialoilta. Aiheita ovat perinteisen ja uusiutuvan energian tuotanto, voimalaitosten digitaalinen muutos, energian varastointi, mikroverkot, laitosten optimointi, paikalliset sähkönjakelujärjestelmät ja paljon muuta.
Kirjoittajat ovat tarkastelleet yhä uudelleen uusia voimalaitosprojektien spesifikaatioita, joissa laitossuunnittelijat tyypillisesti valitsevat lauhduttimen ja apulämmönvaihtimen putkistoon 304- tai 316-ruostumatonta terästä. Monille termi ruostumaton teräs tuo mieleen voittamattoman korroosion auran, vaikka ruostumattomat teräkset voivat joskus olla huonoin valinta, koska ne ovat alttiita paikalliselle korroosiolle. Ja tässä aikakaudessa, jolloin jäähdytysveden täydennykseen tarvittavan makean veden saatavuus on vähentynyt ja jäähdytystornit toimivat suurilla pitoisuusjaksoilla, ruostumattoman teräksen mahdolliset vikaantumismekanismit korostuvat. Joissakin sovelluksissa 300-sarjan ruostumaton teräs kestää vain kuukausia, joskus vain viikkoja, ennen kuin se pettää. Tämä artikkeli keskittyy ainakin niihin asioihin, jotka tulisi ottaa huomioon lauhdutinputkimateriaaleja valittaessa vedenkäsittelyn näkökulmasta. Muita tässä artikkelissa käsittelemättömiä, mutta materiaalin valintaan vaikuttavia tekijöitä ovat materiaalin lujuus, lämmönsiirto-ominaisuudet ja mekaanisten voimien, kuten väsymis- ja eroosiokorroosion, kestävyys.
Kun teräkseen lisätään 12 % tai enemmän kromia, seos muodostaa jatkuvan oksidikerroksen, joka suojaa alla olevaa perusmetallia. Tästä johtuu termi ruostumaton teräs. Muiden seosaineiden (erityisesti nikkelin) puuttuessa hiiliteräs kuuluu ferriittiryhmään, ja sen yksikkösolulla on kappalekeskeinen kuutiollinen (BCC) rakenne.
Kun nikkeliä lisätään seosseokseen 8 %:n tai sitä korkeammalla pitoisuudella, jopa huoneenlämmössä, kenno muodostaa pintakeskeisen kuutiomaisen (FCC) rakenteen, jota kutsutaan austeniitiksi.
Kuten taulukosta 1 käy ilmi, 300-sarjan ruostumattomien terästen ja muiden ruostumattomien terästen nikkelipitoisuus muodostaa austeniittisen rakenteen.
Austeniittiset teräkset ovat osoittautuneet erittäin arvokkaiksi monissa sovelluksissa, mukaan lukien materiaalina korkean lämpötilan ylilämmittimissä ja välilämmittimissä voimakattiloissa. Erityisesti 300-sarjaa käytetään usein materiaalina matalan lämpötilan lämmönvaihdinputkissa, mukaan lukien höyrypintojen lauhduttimet. Näissä sovelluksissa monet kuitenkin unohtavat mahdolliset vikaantumismekanismit.
Ruostumattoman teräksen, erityisesti suosittujen 304- ja 316-materiaalien, suurin vaikeus on se, että jäähdytysveden epäpuhtaudet sekä epäpuhtauksia tiivistävät raot ja kerrostumat tuhoavat usein suojaavan oksidikerroksen. Lisäksi seisokkien aikana seisova vesi voi johtaa mikrobien kasvuun, joiden aineenvaihduntatuotteet voivat olla erittäin haitallisia metalleille.
Yleinen jäähdytysveden epäpuhtaus ja yksi vaikeimmista taloudellisesti poistettavista on kloridi. Tämä ioni voi aiheuttaa monia ongelmia höyrygeneraattoreissa, mutta lauhduttimissa ja apualämmönvaihtimissa suurin vaikeus on se, että riittävinä pitoisuuksina kloridit voivat tunkeutua ruostumattoman teräksen suojaavaan oksidikerrokseen ja tuhota sen, aiheuttaen paikallista korroosiota eli pistekorroosiota.
Pistekorroosio on yksi salakavalimmista korroosion muodoista, koska se voi aiheuttaa seinämien läpivientejä ja laitteiden rikkoutumisen vähäisellä metallin menetyksellä.
Kloridipitoisuuksien ei tarvitse olla kovin korkeita aiheuttaakseen pistekorroosiota 304- ja 316-teräksessä, ja puhtaille pinnoille, joilla ei ole kerrostumia tai rakoja, suositeltuja kloridin enimmäispitoisuuksia pidetään nyt seuraavina:
Useat tekijät voivat helposti tuottaa näitä ohjeita ylittäviä kloridipitoisuuksia sekä yleisesti että paikallisesti. Uusien voimalaitosten kohdalla on tullut hyvin harvinaiseksi harkita ensin kertakäyttöjäähdytystä. Useimmat on rakennettu jäähdytystorneilla tai joissakin tapauksissa ilmajäähdytteisillä lauhduttimilla (ACC). Jäähdytystorneilla varustetuissa laitoksissa kosmetiikan epäpuhtauksien pitoisuus voi "kiertää ylöspäin". Esimerkiksi kolonni, jonka korvausveden kloridipitoisuus on 50 mg/l, toimii viidellä pitoisuusjaksolla, ja kiertävän veden kloridipitoisuus on 250 mg/l. Pelkästään tämän pitäisi yleensä sulkea pois 304 SS:n. Lisäksi uusissa ja olemassa olevissa laitoksissa on kasvava tarve korvata makea vesi laitoksen täydennystä varten. Yleinen vaihtoehto on kunnallinen jätevesi. Taulukossa 2 verrataan neljän makean veden lähteen ja neljän jäteveden lähteen analyysiä.
Varo kohonneita kloridipitoisuuksia (ja muita epäpuhtauksia, kuten typpeä ja fosforia, jotka voivat lisätä huomattavasti mikrobien saastumista jäähdytysjärjestelmissä). Lähes kaikkien harmaavesien kierto jäähdytystornissa ylittää 316 SS:n suositteleman kloridirajan.
Edellinen keskustelu perustuu yleisten metallipintojen korroosiopotentiaaliin. Murtumat ja sedimentit muuttavat tilannetta dramaattisesti, sillä molemmat tarjoavat paikkoja, joihin epäpuhtaudet voivat keskittyä. Tyypillinen paikka mekaanisille halkeamille lauhduttimissa ja vastaavissa lämmönvaihtimissa on putkien välisten levyjen liitoskohdat. Putken sisällä oleva sedimentti voi aiheuttaa halkeamia sedimentin rajapinnalle, ja sedimentti itsessään voi toimia kontaminaatiopaikkana. Lisäksi, koska ruostumaton teräs on suojattu jatkuvalla oksidikerroksella, kerrostumat voivat muodostaa hapettomia kohtia, jotka muuttavat jäljellä olevan teräspinnan anodiksi.
Yllä oleva keskustelu hahmottelee asioita, joita laitossuunnittelijat eivät yleensä ota huomioon määrittäessään lauhduttimen ja apulämmönvaihtimen putkimateriaaleja uusiin projekteihin. 304- ja 316-teräsputkiin liittyvä mentaliteetti tuntuu joskus edelleen olevan "näin olemme aina tehneet" ottamatta huomioon tällaisten toimien seurauksia. Saatavilla on vaihtoehtoisia materiaaleja, jotka käsittelevät monien laitosten nykyisiä ankarampia jäähdytysvesiolosuhteita.
Ennen vaihtoehtoisten metallien käsittelyä on lyhyesti mainittava vielä yksi seikka. Monissa tapauksissa 316- tai jopa 304-ruostumaton teräs on toiminut hyvin normaalikäytössä, mutta vikaantunut sähkökatkon aikana. Useimmissa tapauksissa vikaantuminen johtuu lauhduttimen tai lämmönvaihtimen huonosta vedenpoistosta, joka aiheuttaa veden pysähtymistä putkiin. Tämä ympäristö tarjoaa ihanteelliset olosuhteet mikro-organismien kasvulle. Mikrobipesäkkeet puolestaan ​​tuottavat syövyttäviä yhdisteitä, jotka syövyttävät suoraan putkimaista metallia.
Tämä mekanismi, joka tunnetaan nimellä mikrobien aiheuttama korroosio (MIC), tiedetään tuhoavan ruostumattomasta teräksestä valmistettuja putkia ja muita metalleja viikoissa. Jos lämmönvaihdinta ei voida tyhjentää, on vakavasti harkittava veden säännöllistä kierrättämistä lämmönvaihtimen läpi ja biosidin lisäämistä prosessin aikana. (Lisätietoja asianmukaisista kerrostamismenetelmistä on D. Janikowskin artikkelissa ”Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations”, joka pidettiin 4.–6. kesäkuuta 2019 Champaignissa, Illinoisissa. Esitetty 39. sähkölaitoskemian symposiumissa.)
Yllä korostetuissa ankarissa ympäristöissä sekä ankarammissa ympäristöissä, kuten murtovedessä tai merivedessä, epäpuhtauksien torjumiseksi voidaan käyttää vaihtoehtoisia metalleja. Kolme seosryhmää on osoittautunut menestyksekkäiksi: kaupallisesti puhdas titaani, 6 % molybdeenia sisältävä austeniittinen ruostumaton teräs ja superferriittinen ruostumaton teräs. Nämä seokset ovat myös MIC-kestäviä. Vaikka titaania pidetään erittäin korroosionkestävänä, sen kuusikulmainen, tiivis kiderakenne ja erittäin alhainen kimmokerroin tekevät siitä alttiin mekaanisille vaurioille. Tämä seos sopii parhaiten uusiin asennuksiin, joissa on vahvat putkitukialustat. Erinomainen vaihtoehto on superferriittinen ruostumaton teräs Sea-Cure®. Tämän materiaalin koostumus on esitetty alla.
Teräksessä on paljon kromia, mutta vähän nikkeliä, joten se on ferriittistä ruostumatonta terästä pikemminkin kuin austeniittista ruostumatonta terästä. Alhaisen nikkelipitoisuutensa vuoksi se maksaa paljon vähemmän kuin muut seokset. Sea-Cure-teräksen korkea lujuus ja kimmokerroin mahdollistavat ohuemmat seinämät kuin muissa materiaaleissa, mikä parantaa lämmönsiirtoa.
Näiden metallien parannetut ominaisuudet on esitetty ”Pitting Resistance Equivalent Number” -taulukossa, joka nimensä mukaisesti on testausmenetelmä, jota käytetään määrittämään eri metallien pistekorroosionkestävyys.
Yksi yleisimmistä kysymyksistä on "Mikä on tietyn ruostumattoman teräksen laadun sietämä enimmäiskloridipitoisuus?". Vastaukset vaihtelevat suuresti. Tekijöitä ovat pH, lämpötila, murtumien esiintyminen ja tyyppi sekä aktiivisten biologisten lajien potentiaali. Kuvan 5 oikealle akselille on lisätty työkalu tämän päätöksen helpottamiseksi. Se perustuu neutraaliin pH-arvoon ja 35 °C:n virtaavaan veteen, jota esiintyy yleisesti monissa BOP- ja kondensaatiosovelluksissa (kerrostumien ja halkeamien muodostumisen estämiseksi). Kun tietyn kemiallisen koostumuksen omaava seos on valittu, PREn voidaan määrittää ja sitten merkitä sopivalla kauttaviivalla. Suositeltu enimmäiskloridipitoisuus voidaan sitten määrittää piirtämällä vaakasuora viiva oikealle akselille. Yleisesti ottaen, jos seosta on tarkoitus harkita murto- tai merivesisovelluksiin, sen CCT:n on oltava yli 25 celsiusastetta mitattuna G 48 -testillä.
On selvää, että Sea-Cure®:n edustamat superferriittiset seokset soveltuvat yleensä jopa merivesisovelluksiin. Näillä materiaaleilla on toinenkin etu, jota on korostettava. Mangaanin korroosio-ongelmia on havaittu 304- ja 316-teräksillä jo vuosia, myös Ohio-joen varrella sijaitsevilla laitoksilla. Viime aikoina Mississippi- ja Missouri-jokien varrella sijaitsevien laitosten lämmönvaihtimet ovat kärsineet ongelmista. Mangaanin korroosio on myös yleinen ongelma kaivoveden täyttöjärjestelmissä. Korroosiomekanismina on tunnistettu mangaanidioksidin (MnO2) reaktio hapettavan biosidin kanssa, jolloin muodostuu suolahappoa kerrostuman alle. HCl on se, mikä todellisuudessa hyökkää metalleihin. [WH Dickinson ja RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; esitelty vuoden 2002 NACE:n vuosittaisessa korroosiokonferenssissa, Denver, CO.] Ferriittiset teräkset kestävät tätä korroosiomekanismia.
Korkealaatuisempien materiaalien valitseminen lauhdutin- ja lämmönvaihdinputkiin ei vieläkään korvaa asianmukaista vedenkäsittelykemian hallintaa. Kuten kirjoittaja Buecker on aiemmassa energiatekniikan artikkelissa todennut, oikein suunniteltu ja käytetty kemiallinen käsittelyohjelma on välttämätön kalkkikertymän, korroosion ja likaantumisen minimoimiseksi. Polymeerikemia on nousemassa tehokkaaksi vaihtoehdoksi vanhemmalle fosfaatti-/fosfonaattikemialle korroosion ja kalkkikertymän hallitsemiseksi jäähdytystornijärjestelmissä. Mikrobikontaminaation hallinta on ollut ja tulee olemaan kriittinen kysymys. Vaikka oksidatiivinen kemia kloorin, valkaisuaineen tai vastaavien yhdisteiden kanssa on mikrobien torjunnan kulmakivi, lisäkäsittelyt voivat usein parantaa käsittelyohjelmien tehokkuutta. Yksi tällainen esimerkki on stabilointikemia, joka auttaa lisäämään klooripohjaisten hapettavien biosidien vapautumisnopeutta ja tehokkuutta ilman, että veteen joutuu haitallisia yhdisteitä. Lisäksi lisäsyöttö ei-hapettavilla sienitautien torjunta-aineilla voi olla erittäin hyödyllistä mikrobien kehityksen torjunnassa. Tuloksena on, että voimalaitosten lämmönvaihtimien kestävyyttä ja luotettavuutta voidaan parantaa monella tapaa, mutta jokainen järjestelmä on erilainen, joten huolellinen suunnittelu ja alan asiantuntijoiden kuuleminen on tärkeää materiaalien ja kemiallisten menetelmien valinnassa. Suuri osa tästä artikkelista on kirjoitettu vedenkäsittelyn näkökulmasta. Emme ole mukana materiaalipäätöksissä, mutta meitä pyydetään auttamaan näiden päätösten vaikutusten hallinnassa, kun laitteet ovat käytössä. Lopullisen päätöksen materiaalivalinnasta tekee tehtaan henkilöstö useiden kullekin sovellukselle määriteltyjen tekijöiden perusteella.
Tietoja kirjoittajasta: Brad Buecker on vanhempi tekninen tiedottaja ChemTreatilla. Hänellä on 36 vuoden kokemus energiateollisuudesta tai sen kanssa tekemisissä olemisesta, suuri osa siitä höyryntuotantokemiasta, vedenkäsittelystä, ilmanlaadun valvonnasta ja City Water, Light & Powerilla (Springfield, IL) ja Kansas City Power & Light Companylla, joka sijaitsee La Cygne Stationilla Kansasissa. Hän työskenteli myös kaksi vuotta kemiantehtaan vt. vesi-/jätevesivalvonnan esimiehenä. Bueckerilla on kemian kandidaatin tutkinto Iowan osavaltionyliopistosta ja lisäksi kursseja virtausmekaniikasta, energia- ja materiaalitasapainosta sekä edistyneestä epäorgaanisesta kemiasta.
Dan Janikowski on Plymouth Tuben tekninen päällikkö. Hän on työskennellyt 35 vuoden ajan metallien kehittämisessä, putkituotteiden, kuten kupariseosten, ruostumattoman teräksen, nikkeliseosten, titaanin ja hiiliteräksen, valmistuksessa ja testauksessa. Janikowski on työskennellyt Plymouth Metrolla vuodesta 2005 lähtien ja toiminut useissa johtotehtävissä ennen kuin hänestä tuli tekninen päällikkö vuonna 2010.