Međunarodni poziv za sadržaj POWERGEN-a je sada otvoren! Tražimo govornike iz industrije komunalnih usluga i proizvodnje energije. Teme uključuju konvencionalnu i obnovljivu proizvodnju energije, digitalnu transformaciju elektrana, skladištenje energije, mikromreže, optimizaciju postrojenja, napajanje na licu mjesta i još mnogo toga.
Autori su više puta pregledavali specifikacije novih energetskih projekata, u kojima projektanti postrojenja obično biraju nehrđajući čelik 304 ili 316 za cijevi kondenzatora i pomoćnog izmjenjivača topline. Za mnoge, pojam nehrđajući čelik priziva auru nepobjedive korozije, dok zapravo nehrđajući čelici ponekad mogu biti najgori izbor jer su podložni lokaliziranoj koroziji. U ovom dobu smanjene dostupnosti slatke vode za nadopunu rashladne vode, zajedno s rashladnim tornjevima koji rade u ciklusima visoke koncentracije, potencijalni mehanizmi kvara nehrđajućeg čelika su uvećani. U nekim primjenama, nehrđajući čelik serije 300 će preživjeti samo mjesece, ponekad samo tjedne, prije nego što pođe po zlu. Ovaj članak se fokusira barem na pitanja koja treba uzeti u obzir pri odabiru materijala za cijevi kondenzatora iz perspektive obrade vode. Ostali čimbenici koji nisu raspravljeni u ovom radu, ali koji igraju ulogu u odabiru materijala uključuju čvrstoću materijala, svojstva prijenosa topline i otpornost na mehaničke sile, uključujući zamor i eroziju korozije.
Dodavanje 12% ili više kroma čeliku uzrokuje da legura formira kontinuirani oksidni sloj koji štiti osnovni metal ispod. Otuda i naziv nehrđajući čelik. U nedostatku drugih legirajućih materijala (posebno nikla), ugljični čelik je dio feritne skupine, a njegova jedinična ćelija ima kubnu strukturu centriranu po tijelu (BCC).
Kada se nikal doda smjesi legure u koncentraciji od 8% ili više, čak i na sobnoj temperaturi, ćelija će postojati u plošno centriranoj kubičnoj (FCC) strukturi koja se naziva austenit.
Kao što je prikazano u Tablici 1, nehrđajući čelici serije 300 i drugi nehrđajući čelici imaju sadržaj nikla koji stvara austenitnu strukturu.
Austenitni čelici pokazali su se vrlo vrijednima u mnogim primjenama, uključujući i kao materijal za cijevi pregrijača i pregrijača visokih temperatura u energetskim kotlovima. Serija 300 se posebno često koristi kao materijal za cijevi izmjenjivača topline niskih temperatura, uključujući kondenzatore površine pare. Međutim, upravo u tim primjenama mnogi previđaju potencijalne mehanizme kvara.
Glavna poteškoća s nehrđajućim čelikom, posebno popularnim materijalima 304 i 316, jest ta što zaštitni oksidni sloj često uništavaju nečistoće u rashladnoj vodi te pukotine i naslage koje pomažu u koncentraciji nečistoća. Osim toga, u uvjetima isključenja, stajaća voda može dovesti do rasta mikroba, čiji metabolički nusprodukti mogu biti vrlo štetni za metale.
Uobičajena nečistoća rashladne vode, a jedna od najtežih za ekonomski uklanjanje, je klorid. Ovaj ion može uzrokovati mnoge probleme u generatorima pare, ali u kondenzatorima i pomoćnim izmjenjivačima topline glavna je poteškoća što kloridi u dovoljnim koncentracijama mogu prodrijeti i uništiti zaštitni oksidni sloj na nehrđajućem čeliku, uzrokujući lokaliziranu koroziju, tj. točkastu koroziju.
Točkasta korozija je jedan od najpodmuklijih oblika korozije jer može uzrokovati prodiranje u zidove i kvar opreme uz mali gubitak metala.
Koncentracije klorida ne moraju biti vrlo visoke da bi izazvale rupičastu koroziju u nehrđajućem čeliku 304 i 316, a za čiste površine bez ikakvih naslaga ili pukotina, preporučene maksimalne koncentracije klorida sada se smatraju:
Nekoliko čimbenika može lako proizvesti koncentracije klorida koje premašuju ove smjernice, kako općenito tako i na lokaliziranim lokacijama. Postalo je vrlo rijetko prvo razmotriti jednokratno hlađenje za nove elektrane. Većina je izgrađena s rashladnim tornjevima ili u nekim slučajevima, zrakom hlađenim kondenzatorima (ACC). Za one s rashladnim tornjevima, koncentracija nečistoća u kozmetici može "ciklički rasti". Na primjer, kolona s koncentracijom klorida u nadopunskoj vodi od 50 mg/l radi s pet ciklusa koncentracije, a sadržaj klorida u cirkulirajućoj vodi je 250 mg/l. Samo to bi općenito trebalo isključiti 304 SS. Osim toga, u novim i postojećim postrojenjima postoji sve veća potreba za zamjenom slatke vode za ponovno punjenje postrojenja. Uobičajena alternativa su komunalne otpadne vode. Tablica 2 uspoređuje analizu četiri izvora slatke vode s četiri izvora otpadnih voda.
Pazite na povećane razine klorida (i drugih nečistoća, poput dušika i fosfora, koje mogu uvelike povećati mikrobnu kontaminaciju u rashladnim sustavima). Za gotovo svu sivu vodu, svaka cirkulacija u rashladnom tornju premašit će granicu klorida koju preporučuje 316 SS.
Prethodna rasprava temelji se na potencijalu korozije uobičajenih metalnih površina. Pukotine i sedimenti dramatično mijenjaju priču, jer oba pružaju mjesta gdje se nečistoće mogu koncentrirati. Tipično mjesto za mehaničke pukotine u kondenzatorima i sličnim izmjenjivačima topline je na spojevima cijevi i cijevnih ploča. Sediment unutar cijevi može stvoriti pukotine na granici sedimenta, a sam sediment može poslužiti kao mjesto kontaminacije. Nadalje, budući da se nehrđajući čelik oslanja na kontinuirani oksidni sloj za zaštitu, naslage mogu formirati mjesta siromašna kisikom koja preostalu površinu čelika pretvaraju u anodu.
Gornja rasprava ocrtava probleme koje projektanti postrojenja obično ne uzimaju u obzir prilikom specificiranja materijala za cijevi kondenzatora i pomoćnog izmjenjivača topline za nove projekte. Mentalitet u vezi s nehrđajućim čelicima 304 i 316 ponekad se čini još uvijek "to smo oduvijek radili" bez razmatranja posljedica takvih postupaka. Dostupni su alternativni materijali za rješavanje težih uvjeta rashladne vode s kojima se mnoga postrojenja sada suočavaju.
Prije rasprave o alternativnim metalima, potrebno je ukratko navesti još jednu točku. U mnogim slučajevima, nehrđajući čelik 316 ili čak 304 dobro je funkcionirao tijekom normalnog rada, ali je zakazao tijekom nestanka struje. U većini slučajeva, kvar je posljedica loše drenaže kondenzatora ili izmjenjivača topline što uzrokuje stagnaciju vode u cijevima. Ovo okruženje pruža idealne uvjete za rast mikroorganizama. Mikrobne kolonije zauzvrat proizvode korozivne spojeve koji izravno nagrizaju metal cijevi.
Ovaj mehanizam, poznat kao mikrobno inducirana korozija (MIC), uništava cijevi od nehrđajućeg čelika i druge metale u roku od nekoliko tjedana. Ako se izmjenjivač topline ne može isprazniti, treba ozbiljno razmotriti periodično propuštanje vode kroz izmjenjivač topline i dodavanje biocida tijekom procesa. (Za više detalja o pravilnim postupcima slaganja, pogledajte D. Janikowski, „Slojevito slaganje kondenzatora i BOP izmjenjivača – Razmatranja“; održano 4.-6. lipnja 2019. u Champaignu, IL, predstavljeno na 39. simpoziju o kemiji elektroprivrede.)
Za gore navedene teške uvjete, kao i za teže uvjete poput bočate ili morske vode, mogu se koristiti alternativni metali za uklanjanje nečistoća. Tri skupine legura pokazale su se uspješnima: komercijalno čisti titan, 6%-tni molibdenski austenitni nehrđajući čelik i superferitni nehrđajući čelik. Ove legure su također otporne na MIC. Iako se titan smatra vrlo otpornim na koroziju, njegova heksagonalna gusto pakirana kristalna struktura i izuzetno nizak modul elastičnosti čine ga osjetljivim na mehanička oštećenja. Ova legura je najprikladnija za nove instalacije s jakim konstrukcijama za potporu cijevi. Izvrsna alternativa je superferitni nehrđajući čelik Sea-Cure®. Sastav ovog materijala prikazan je u nastavku.
Čelik ima visok udio kroma, ali nizak udio nikla, pa je feritni nehrđajući čelik, a ne austenitni nehrđajući čelik. Zbog niskog udjela nikla, košta puno manje od drugih legura. Visoka čvrstoća i modul elastičnosti Sea-Curea omogućuju tanje stijenke od drugih materijala, što rezultira poboljšanim prijenosom topline.
Poboljšana svojstva ovih metala prikazana su na tablici „Ekvivalentni broj otpornosti na rupičastu koroziju“, koja je, kao što i samo ime govori, postupak ispitivanja koji se koristi za određivanje otpornosti različitih metala na rupičastu koroziju.
Jedno od najčešćih pitanja je „Koliki je maksimalni sadržaj klorida koji određena vrsta nehrđajućeg čelika može podnijeti?“ Odgovori se uvelike razlikuju. Čimbenici uključuju pH, temperaturu, prisutnost i vrstu pukotina te potencijal za aktivne biološke vrste. Na desnoj osi slike 5 dodan je alat koji pomaže u donošenju ove odluke. Temelji se na neutralnom pH, tekućoj vodi od 35 °C koja se obično nalazi u mnogim BOP i kondenzacijskim primjenama (kako bi se spriječilo stvaranje naslaga i pukotina). Nakon što je odabrana legura određenog kemijskog sastava, može se odrediti PREn, a zatim ga presjeći odgovarajućom kosom crtom. Preporučena maksimalna razina klorida tada se može odrediti crtanjem vodoravne crte na desnoj osi. Općenito, ako se legura razmatra za primjenu u bočatoj ili morskoj vodi, mora imati CCT iznad 25 stupnjeva Celzija, mjereno G 48 testom.
Jasno je da su superferitne legure koje predstavlja Sea-Cure® općenito prikladne čak i za primjenu u morskoj vodi. Postoji još jedna prednost ovih materijala koju treba naglasiti. Problemi s korozijom mangana uočeni su kod nehrđajućeg čelika 304 i 316 dugi niz godina, uključujući i postrojenja uz rijeku Ohio. Nedavno su napadnuti izmjenjivači topline u postrojenjima uz rijeke Mississippi i Missouri. Korozija mangana također je čest problem u sustavima za nadopunjavanje vode iz bunara. Mehanizam korozije identificiran je kao reakcija manganovog dioksida (MnO2) s oksidirajućim biocidom pri čemu se ispod taloga stvara klorovodična kiselina. HCl je ono što stvarno napada metale. [WH Dickinson i RW Pick, "Korozija ovisna o manganu u elektroenergetskoj industriji"; predstavljeno na godišnjoj konferenciji o koroziji NACE 2002., Denver, CO.] Feritni čelici otporni su na ovaj mehanizam korozije.
Odabir visokokvalitetnih materijala za cijevi kondenzatora i izmjenjivača topline još uvijek nije zamjena za pravilnu kontrolu kemije obrade vode. Kao što je autor Buecker istaknuo u prethodnom članku o elektroenergetici, pravilno osmišljen i vođen program kemijske obrade potreban je kako bi se smanjio potencijal za kamenac, koroziju i onečišćenje. Polimerna kemija pojavljuje se kao snažna alternativa starijoj fosfatnoj/fosfonatnoj kemiji za kontrolu korozije i kamenca u sustavima rashladnih tornjeva. Kontrola mikrobne kontaminacije bila je i nastavit će biti kritično pitanje. Dok je oksidativna kemija s klorom, izbjeljivačem ili sličnim spojevima temelj mikrobne kontrole, dodatni tretmani često mogu poboljšati učinkovitost programa obrade. Jedan takav primjer je stabilizacijska kemija, koja pomaže povećati brzinu oslobađanja i učinkovitost oksidirajućih biocida na bazi klora bez unošenja ikakvih štetnih spojeva u vodu. Osim toga, dopunska hrana s neoksidirajućim fungicidima može biti vrlo korisna u kontroli razvoja mikroba. Rezultat je da postoji mnogo načina za poboljšanje održivosti i pouzdanosti izmjenjivača topline elektrana, ali svaki je sustav drugačiji, stoga je pažljivo planiranje i konzultacije sa stručnjacima iz industrije važno za odabir materijala i kemijskih postupaka. Velik dio ovog članka napisan je iz vode Iz perspektive obrade, nismo uključeni u odluke o materijalima, ali se od nas traži da pomognemo u upravljanju utjecajem tih odluka nakon što oprema bude puštena u rad. Konačnu odluku o odabiru materijala mora donijeti osoblje postrojenja na temelju niza čimbenika specificiranih za svaku primjenu.
O autoru: Brad Buecker je viši tehnički publicist u ChemTreatu. Ima 36 godina iskustva u elektroenergetskoj industriji ili je povezan s njom, većinom u kemiji proizvodnje pare, obradi vode, kontroli kvalitete zraka te u City Water, Light & Power (Springfield, IL), a tvrtka Kansas City Power & Light Company nalazi se u stanici La Cygne u Kansasu. Također je dvije godine proveo kao vršitelj dužnosti nadzornika za vodu/otpadne vode u kemijskom postrojenju. Buecker ima diplomu prvostupnika kemije sa Sveučilišta Iowa State s dodatnim kolegijima iz mehanike fluida, ravnoteže energije i materijala te napredne anorganske kemije.
Dan Janikowski je tehnički direktor u Plymouth Tubeu. Već 35 godina bavi se razvojem metala, proizvodnjom i ispitivanjem cjevastih proizvoda, uključujući bakrene legure, nehrđajući čelik, nikalne legure, titan i ugljični čelik. U Plymouth Metrou radi od 2005. godine, a Janikowski je obnašao razne visoke pozicije prije nego što je 2010. postao tehnički direktor.