A szerzők újra és újra áttekintették az új energiaprojekt-specifikációkat, amelyekben az erőműtervezők jellemzően 304-es vagy 316-os rozsdamentes acélt választanak a kondenzátor és a kiegészítő hőcserélő csöveinek. Sokak számára a rozsdamentes acél kifejezés a legyőzhetetlen korrózió auráját idézi fel, holott a rozsdamentes acélok néha a legrosszabb választásnak bizonyulhatnak, mivel érzékenyek a helyi korrózióra. És ebben a korban, amikor a hűtővíz utánpótlásához szükséges friss víz mennyisége csökken, és a hűtőtornyok nagy koncentrációjú ciklusokban működnek, a rozsdamentes acél lehetséges meghibásodási mechanizmusai felerősödnek. Egyes alkalmazásokban a 300-as sorozatú rozsdamentes acél csak hónapokig, néha csak hetekig bírja ki, mielőtt meghibásodna. Ez a cikk legalább azokra a kérdésekre összpontosít, amelyeket figyelembe kell venni a kondenzátorcsövek anyagainak vízkezelési szempontból történő kiválasztásakor. Az anyagválasztásban szerepet játszó egyéb tényezők, amelyeket ebben a cikkben nem tárgyalunk, de az anyagválasztásban szerepet játszanak, az anyag szilárdsága, a hőátadási tulajdonságok és a mechanikai erőkkel szembeni ellenállás, beleértve a fáradásos és eróziós korróziót.
Ha az acélhoz 12% vagy több krómot adunk, az ötvözet egy folyamatos oxidréteget képez, amely védi az alatta lévő alapfémet. Innen ered a rozsdamentes acél kifejezés. Más ötvözőanyagok (különösen a nikkel) hiányában a szénacél a ferritcsoport része, és egységcellája testközpontú köbös (BCC) szerkezetű.
Amikor 8%-os vagy annál nagyobb koncentrációban nikkelt adunk az ötvözetkeverékhez, a cella még szobahőmérsékleten is egy lapcentrált köbös (FCC) szerkezetet, az úgynevezett ausztenitet alkot.
Amint az 1. táblázatban látható, a 300-as sorozatú rozsdamentes acélok és más rozsdamentes acélok nikkeltartalma ausztenites szerkezetet hoz létre.
Az ausztenites acélok számos alkalmazásban nagyon értékesnek bizonyultak, többek között a magas hőmérsékletű túlhevítő és utánhevítő csövek anyagaként erőművi kazánokban. Különösen a 300-as sorozatot használják gyakran alacsony hőmérsékletű hőcserélő csövek anyagaként, beleértve a gőzfelületi kondenzátorokat is. Azonban ezekben az alkalmazásokban sokan figyelmen kívül hagyják a lehetséges meghibásodási mechanizmusokat.
A rozsdamentes acél, különösen a népszerű 304 és 316 anyagok fő nehézsége, hogy a védőoxidréteget gyakran elpusztítják a hűtővízben lévő szennyeződések, valamint a repedések és lerakódások, amelyek elősegítik a szennyeződések koncentrálódását. Ezenkívül leállási körülmények között az állóvíz mikrobiális növekedéshez vezethet, amelynek anyagcsere-melléktermékei rendkívül károsak lehetnek a fémekre.
A hűtővízben gyakori, és gazdaságosan az egyik legnehezebben eltávolítható szennyeződés a klorid. Ez az ion számos problémát okozhat a gőzfejlesztőkben, de a kondenzátorokban és a kiegészítő hőcserélőkben a fő nehézség az, hogy a kloridok elegendő koncentrációban behatolhatnak és elpusztíthatják a rozsdamentes acél védőoxid rétegét, ami lokális korróziót, azaz gödrösödést okozhat.
A gödrösödés a korrózió egyik legalattomosabb formája, mivel csekély fémveszteséggel okozhat faláthatolást és berendezések meghibásodását.
A kloridkoncentrációnak nem kell nagyon magasnak lennie ahhoz, hogy gödrös korróziót okozzon a 304 és 316 rozsdamentes acélban, és tiszta, lerakódások vagy repedések nélküli felületek esetén az ajánlott maximális kloridkoncentráció ma már a következő:
Számos tényező könnyen előidézhet olyan kloridkoncentrációt, amely meghaladja ezeket az irányelveket, mind általánosságban, mind helyileg. Nagyon ritkán fordul elő, hogy új erőművek esetében először az egyszeri hűtést vegyék figyelembe. A legtöbbjük hűtőtornyokkal, vagy egyes esetekben léghűtéses kondenzátorokkal (ACC) épül. A hűtőtornyokkal rendelkezők esetében a kozmetikumokban található szennyeződések koncentrációja „felpöröghet”. Például egy 50 mg/l kloridkoncentrációjú pótvízzel rendelkező oszlop öt koncentrációs ciklussal működik, és a keringő víz kloridtartalma 250 mg/l. Ez önmagában általában kizárja a 304 SS-t. Ezenkívül az új és meglévő üzemekben egyre nagyobb szükség van az édesvíz cseréjére az üzem utántöltéséhez. Gyakori alternatíva a kommunális szennyvíz. A 2. táblázat összehasonlítja a négy édesvízforrás és a négy szennyvízforrás elemzését.
Figyeljen a megnövekedett kloridszintre (és más szennyeződésekre, például nitrogénre és foszforra, amelyek nagymértékben növelhetik a mikrobiális szennyeződést a hűtőrendszerekben). Lényegében minden szürkevíz esetében a hűtőtoronyban keringtetett kloridszint meghaladja a 316 SS által ajánlott határértéket.
Az előző vita a közönséges fémfelületek korróziós potenciálján alapul. A törések és az üledékek drámaian megváltoztatják a helyzetet, mivel mindkettő olyan helyeket biztosít, ahol a szennyeződések felhalmozódhatnak. A kondenzátorokban és hasonló hőcserélőkben a mechanikai repedések tipikus helye a csövek lemezcsatlakozásai. A csőben lévő üledék repedéseket hozhat létre az üledék határán, és maga az üledék szennyeződési helyként szolgálhat. Továbbá, mivel a rozsdamentes acél védelme érdekében egy folyamatos oxidrétegre támaszkodik, a lerakódások oxigénszegény helyeket képezhetnek, amelyek a fennmaradó acélfelületet anóddá alakítják.
A fentiek olyan kérdéseket vázolnak fel, amelyeket az üzemtervezők jellemzően nem vesznek figyelembe az új projektek kondenzátor- és kiegészítő hőcserélő csőanyagainak meghatározásakor. A 304-es és 316-os SS-sel kapcsolatos mentalitás néha még mindig az, hogy „mindig is ezt csináltuk”, anélkül, hogy figyelembe vennénk az ilyen lépések következményeit. Alternatív anyagok állnak rendelkezésre a sok üzem által jelenleg tapasztalt zordabb hűtővíz-körülmények kezelésére.
Mielőtt az alternatív fémekről beszélnénk, röviden ki kell térnünk még egy dologra. Sok esetben a 316-os vagy akár a 304-es rozsdamentes acél normál üzem közben jól teljesített, de áramkimaradás esetén meghibásodott. A legtöbb esetben a meghibásodás oka a kondenzátor vagy a hőcserélő rossz vízelvezetése, ami pangó vizet okoz a csövekben. Ez a környezet ideális feltételeket biztosít a mikroorganizmusok szaporodásához. A mikrobiális telepek viszont korrozív vegyületeket termelnek, amelyek közvetlenül korrodálják a cső alakú fémet.
Ez a mechanizmus, amelyet mikrobiálisan indukált korróziónak (MIC) neveznek, köztudottan heteken belül tönkreteszi a rozsdamentes acélcsöveket és más fémeket. Ha a hőcserélő nem üríthető ki, komolyan meg kell fontolni a víz időszakos keringtetését a hőcserélőn keresztül, és biocid hozzáadását a folyamat során. (A megfelelő rétegezési eljárásokról további részleteket lásd D. Janikowski „Kondenzátor és BOP hőcserélők rétegezése – Megfontolások” című előadásában; 2019. június 4-6. között Champaignben, Illinois államban. Bemutatva a 39. Villamos Közmű Kémiai Szimpóziumon.)
A fent kiemelt zord környezeti feltételek, valamint a zordabb környezeti feltételek, mint például a sós víz vagy a tengervíz, esetén alternatív fémek használhatók a szennyeződések eltávolítására. Három ötvözetcsoport bizonyult sikeresnek: a kereskedelmi tisztaságú titán, a 6%-os molibdéntartalmú ausztenites rozsdamentes acél és a szuperferrites rozsdamentes acél. Ezek az ötvözetek MIC-állóak is. Bár a titánt nagyon korrózióállónak tartják, hatszögletű, sűrűn elhelyezkedő kristályszerkezete és rendkívül alacsony rugalmassági modulusa miatt érzékeny a mechanikai sérülésekre. Ez az ötvözet leginkább új, erős csőtartó szerkezetű létesítményekhez alkalmas. Kiváló alternatíva a Sea-Cure® szuperferrites rozsdamentes acél. Az anyag összetétele az alábbiakban látható.
Az acél krómtartalma magas, nikkeltartalma azonban alacsony, így ferrites, nem pedig ausztenites rozsdamentes acélról van szó. Alacsony nikkeltartalma miatt sokkal olcsóbb, mint más ötvözetek. A Sea-Cure nagy szilárdsága és rugalmassági modulusa vékonyabb falakat tesz lehetővé, mint más anyagok, ami jobb hőátadást eredményez.
Ezen fémek fokozott tulajdonságait a „lyukkorrózióállósági egyenértékszám” táblázat mutatja, amely – ahogy a neve is sugallja – egy vizsgálati eljárás, amely a különböző fémek lyukkorrózióval szembeni ellenállását határozza meg.
Az egyik leggyakoribb kérdés: „Mekkora a maximális kloridtartalom, amelyet egy adott rozsdamentes acélminőség elvisel?”. A válaszok széles skálán mozognak. A tényezők közé tartozik a pH, a hőmérséklet, a törések jelenléte és típusa, valamint az aktív biológiai fajok lehetősége. Az 5. ábra jobb tengelyén egy eszközt adtunk hozzá, hogy segítsen ebben a döntésben. Semleges pH-n, 35 °C-os áramló vízen alapul, amely gyakran megtalálható számos BOP és kondenzációs alkalmazásban (a lerakódások és a repedések kialakulásának megakadályozása érdekében). Miután kiválasztottunk egy adott kémiai összetételű ötvözetet, meghatározhatjuk a PREn értéket, majd a megfelelő perjellel metszhetjük. Az ajánlott maximális kloridszint ezután egy vízszintes vonal húzásával határozható meg a jobb tengelyen. Általánosságban elmondható, hogy ha egy ötvözetet brakkvízi vagy tengervízi alkalmazásokhoz kívánnak használni, akkor a G 48 teszttel mért CCT-jének 25 Celsius-fok felett kell lennie.
Egyértelmű, hogy a Sea-Cure® által képviselt szuperferrites ötvözetek általában alkalmasak akár tengervízi alkalmazásokhoz is. Van egy másik előnye is ezeknek az anyagoknak, amelyet hangsúlyozni kell. A 304-es és 316-os SS esetében évek óta megfigyelhetők mangán korróziós problémák, többek között az Ohio folyó menti üzemekben is. Az utóbbi időben a Mississippi és Missouri folyók menti üzemek hőcserélőit is megtámadták. A mangán korróziója a kútvíz-pótló rendszerekben is gyakori probléma. A korróziós mechanizmust a mangán-dioxid (MnO2) oxidáló biociddal való reakciójaként azonosították, sósavat képezve a lerakódás alatt. A HCl az, ami valójában megtámadja a fémeket. [WH Dickinson és RW Pick, "Mangánfüggő korrózió az elektromos energiaiparban"; bemutatva a 2002-es NACE éves korróziós konferencián, Denver, CO.] A ferrites acélok ellenállnak ennek a korróziós mechanizmusnak.
A kondenzátor- és hőcserélő csövekhez használt magasabb minőségű anyagok kiválasztása továbbra sem helyettesíti a megfelelő vízkezelési kémiai szabályozást. Ahogy Buecker szerző egy korábbi energetikai cikkében felvázolta, a vízkő, korrózió és szennyeződés lehetőségének minimalizálása érdekében megfelelően megtervezett és működtetett kémiai kezelési programra van szükség. A polimer kémia a régebbi foszfát/foszfonát kémia hatékony alternatívájaként jelenik meg a hűtőtorony-rendszerek korróziójának és vízkőlerakódásának szabályozásában. A mikrobiális szennyeződés szabályozása kritikus kérdés volt és továbbra is az lesz. Míg a klórral, fehérítővel vagy hasonló vegyületekkel végzett oxidatív kémia a mikrobiális szabályozás sarokköve, a kiegészítő kezelések gyakran javíthatják a kezelési programok hatékonyságát. Ilyen példa a stabilizációs kémia, amely segít növelni a klóralapú oxidáló biocidok kibocsátási sebességét és hatékonyságát anélkül, hogy káros vegyületeket juttatna a vízbe. Ezenkívül a nem oxidáló gombaölő szerekkel történő kiegészítő takarmányozás nagyon előnyös lehet a mikrobiális fejlődés szabályozásában. Ennek eredményeként számos módja van az erőművi hőcserélők fenntarthatóságának és megbízhatóságának javítására, de minden rendszer más, ezért az anyagok és a kémiai eljárások kiválasztásához fontos a gondos tervezés és az iparági szakértőkkel való konzultáció. A cikk nagy része vízkezelési szempontból íródott, mi... Nem veszünk részt az anyaggal kapcsolatos döntésekben, de felkérnek minket, hogy segítsünk kezelni ezeknek a döntéseknek a hatását, miután a berendezés üzembe helyezésre kerül. Az anyagválasztásról szóló végső döntést az üzem személyzetének kell meghoznia, az egyes alkalmazásokhoz meghatározott számos tényező alapján.
A szerzőről: Brad Buecker a ChemTreat vezető műszaki publicistája. 36 éves tapasztalattal rendelkezik az energetikai iparban, nagyrészt a gőzfejlesztési kémia, a vízkezelés, a levegőminőség-szabályozás területén, valamint a City Water, Light & Power (Springfield, IL) vállalatnál, a Kansas City Power & Light Company pedig a kansasi La Cygne Stationben található. Emellett két évig megbízott víz-/szennyvízkezelő felügyelőként dolgozott egy vegyi üzemben. Buecker kémia szakon szerzett BSc diplomát az Iowa Állami Egyetemen, kiegészítő kurzusokat pedig folyadékmechanika, energia- és anyagegyensúly, valamint haladó szervetlen kémia szakokon végzett.
Dan Janikowski a Plymouth Tube műszaki vezetője. 35 éve foglalkozik fémek fejlesztésével, csőtermékek, többek között rézötvözetek, rozsdamentes acél, nikkelötvözetek, titán és szénacél gyártásával és tesztelésével. Janikowski 2005 óta dolgozik a Plymouth Metrónál, ahol különböző vezető pozíciókat töltött be, mielőtt 2010-ben műszaki vezető lett.