Pengumuman Panggilan untuk Konten POWERGEN International kini telah dibuka! Kami mencari pembicara dari industri utilitas dan pembangkit listrik. Topik meliputi pembangkit listrik konvensional dan terbarukan, transformasi digital pembangkit listrik, penyimpanan energi, mikrogrid, optimasi pembangkit, daya di lokasi, dan banyak lagi.
Para penulis telah berulang kali meninjau spesifikasi proyek pembangkit listrik baru, di mana perancang pembangkit biasanya memilih baja tahan karat 304 atau 316 untuk pipa kondensor dan penukar panas tambahan. Bagi banyak orang, istilah baja tahan karat membangkitkan aura ketahanan korosi yang tak terkalahkan, padahal sebenarnya, baja tahan karat terkadang bisa menjadi pilihan terburuk karena rentan terhadap korosi lokal. Dan, di era ketersediaan air tawar yang berkurang untuk penambahan air pendingin, ditambah dengan menara pendingin yang beroperasi pada siklus konsentrasi tinggi, mekanisme kegagalan baja tahan karat potensial menjadi lebih besar. Dalam beberapa aplikasi, baja tahan karat seri 300 hanya akan bertahan selama beberapa bulan, terkadang hanya beberapa minggu, sebelum gagal. Artikel ini berfokus pada setidaknya masalah yang harus dipertimbangkan ketika memilih material pipa kondensor dari perspektif pengolahan air. Faktor lain yang tidak dibahas dalam makalah ini tetapi berperan dalam pemilihan material meliputi kekuatan material, sifat perpindahan panas, dan ketahanan terhadap gaya mekanis, termasuk kelelahan dan korosi erosi.
Penambahan 12% atau lebih kromium pada baja menyebabkan paduan tersebut membentuk lapisan oksida kontinu yang melindungi logam dasar di bawahnya. Oleh karena itu, disebut baja tahan karat. Tanpa adanya bahan paduan lain (terutama nikel), baja karbon termasuk dalam kelompok ferit, dan sel unitnya memiliki struktur kubus berpusat badan (BCC).
Ketika nikel ditambahkan ke dalam campuran paduan dengan konsentrasi 8% atau lebih tinggi, bahkan pada suhu ruangan, sel tersebut akan berada dalam struktur kubus berpusat muka (FCC) yang disebut austenit.
Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, baja tahan karat seri 300 dan baja tahan karat lainnya memiliki kandungan nikel yang menghasilkan struktur austenitik.
Baja austenitik telah terbukti sangat berharga dalam banyak aplikasi, termasuk sebagai material untuk tabung superheater dan reheater suhu tinggi pada boiler pembangkit listrik. Seri 300 khususnya sering digunakan sebagai material untuk tabung penukar panas suhu rendah, termasuk kondensor permukaan uap. Namun, dalam aplikasi inilah banyak yang mengabaikan mekanisme kegagalan potensial.
Kesulitan utama pada baja tahan karat, terutama material 304 dan 316 yang populer, adalah lapisan oksida pelindungnya sering rusak oleh kotoran dalam air pendingin dan oleh celah serta endapan yang membantu memusatkan kotoran. Selain itu, dalam kondisi penghentian operasi, air yang menggenang dapat menyebabkan pertumbuhan mikroba, yang produk sampingan metabolismenya dapat sangat merusak logam.
Salah satu pengotor umum dalam air pendingin, dan salah satu yang paling sulit dihilangkan secara ekonomis, adalah klorida. Ion ini dapat menyebabkan banyak masalah pada generator uap, tetapi pada kondensor dan penukar panas bantu, kesulitan utamanya adalah klorida dalam konsentrasi yang cukup dapat menembus dan merusak lapisan oksida pelindung pada baja tahan karat, menyebabkan korosi lokal, yaitu pitting.
Korosi lubang adalah salah satu bentuk korosi yang paling berbahaya karena dapat menyebabkan penetrasi dinding dan kegagalan peralatan dengan sedikit kehilangan logam.
Konsentrasi klorida tidak perlu terlalu tinggi untuk menyebabkan korosi pitting pada baja tahan karat 304 dan 316, dan untuk permukaan yang bersih tanpa endapan atau celah, konsentrasi klorida maksimum yang direkomendasikan sekarang dianggap sebagai:
Beberapa faktor dapat dengan mudah menghasilkan konsentrasi klorida yang melebihi pedoman ini, baik secara umum maupun di lokasi tertentu. Saat ini sangat jarang mempertimbangkan pendinginan sekali lewat (once-through cooling) untuk pembangkit listrik baru. Sebagian besar dibangun dengan menara pendingin, atau dalam beberapa kasus, kondensor berpendingin udara (ACC). Bagi yang memiliki menara pendingin, konsentrasi pengotor dalam kosmetik dapat "meningkat". Misalnya, kolom dengan konsentrasi klorida air pengisi 50 mg/l beroperasi dengan lima siklus konsentrasi, dan kandungan klorida air sirkulasi adalah 250 mg/l. Hal ini saja umumnya seharusnya menyingkirkan 304 SS. Selain itu, di pembangkit listrik baru dan yang sudah ada, ada peningkatan kebutuhan untuk mengganti air tawar untuk pengisian ulang pembangkit. Alternatif umum adalah air limbah perkotaan. Tabel 2 membandingkan analisis empat pasokan air tawar dengan empat pasokan air limbah.
Waspadai peningkatan kadar klorida (dan pengotor lainnya, seperti nitrogen dan fosfor, yang dapat sangat meningkatkan kontaminasi mikroba dalam sistem pendingin). Untuk hampir semua air limbah, sirkulasi apa pun di menara pendingin akan melebihi batas klorida yang direkomendasikan oleh 316 SS.
Pembahasan sebelumnya didasarkan pada potensi korosi permukaan logam umum. Retakan dan sedimen secara dramatis mengubah keadaan, karena keduanya menyediakan tempat di mana kotoran dapat terkonsentrasi. Lokasi umum untuk retakan mekanis pada kondensor dan penukar panas serupa adalah pada sambungan tabung ke lembaran tabung. Sedimen di dalam tabung dapat menciptakan retakan pada batas sedimen, dan sedimen itu sendiri dapat berfungsi sebagai tempat kontaminasi. Lebih lanjut, karena baja tahan karat bergantung pada lapisan oksida kontinu untuk perlindungan, endapan dapat membentuk tempat yang kekurangan oksigen yang mengubah permukaan baja yang tersisa menjadi anoda.
Diskusi di atas menguraikan masalah yang biasanya tidak dipertimbangkan oleh perancang pabrik ketika menentukan material tabung kondensor dan penukar panas tambahan untuk proyek baru. Mentalitas mengenai baja tahan karat 304 dan 316 terkadang masih tampak seperti "itulah yang selalu kita lakukan" tanpa mempertimbangkan konsekuensi dari tindakan tersebut. Material alternatif tersedia untuk menangani kondisi air pendingin yang lebih keras yang kini dihadapi banyak pabrik.
Sebelum membahas logam alternatif, ada satu poin yang perlu disebutkan secara singkat. Dalam banyak kasus, baja tahan karat 316 atau bahkan 304 berkinerja baik selama operasi normal, tetapi gagal selama pemadaman listrik. Dalam kebanyakan kasus, kegagalan disebabkan oleh drainase kondensor atau penukar panas yang buruk yang menyebabkan air menggenang di dalam tabung. Lingkungan ini menyediakan kondisi ideal untuk pertumbuhan mikroorganisme. Koloni mikroba pada gilirannya menghasilkan senyawa korosif yang secara langsung mengikis logam tubular.
Mekanisme ini, yang dikenal sebagai korosi yang diinduksi mikroba (MIC), diketahui dapat merusak pipa baja tahan karat dan logam lainnya dalam hitungan minggu. Jika penukar panas tidak dapat dikuras, pertimbangan serius harus diberikan untuk secara berkala mengalirkan air melalui penukar panas dan menambahkan biosida selama proses tersebut. (Untuk detail lebih lanjut tentang prosedur pemasangan yang tepat, lihat D. Janikowski, “Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations”; diadakan pada 4-6 Juni 2019 di Champaign, IL. Dipresentasikan pada Simposium Kimia Utilitas Listrik ke-39.)
Untuk lingkungan keras yang telah disebutkan di atas, serta lingkungan yang lebih keras seperti air payau atau air laut, logam alternatif dapat digunakan untuk menangkal pengotor. Tiga kelompok paduan telah terbukti berhasil, yaitu titanium murni komersial, baja tahan karat austenitik 6% molibdenum, dan baja tahan karat superferitik. Paduan ini juga tahan terhadap MIC. Meskipun titanium dianggap sangat tahan terhadap korosi, struktur kristal heksagonal tertutup rapat dan modulus elastisitas yang sangat rendah membuatnya rentan terhadap kerusakan mekanis. Paduan ini paling cocok untuk instalasi baru dengan struktur penyangga pipa yang kuat. Alternatif yang sangat baik adalah baja tahan karat superferitik Sea-Cure®. Komposisi material ini ditunjukkan di bawah ini.
Baja ini memiliki kandungan kromium yang tinggi tetapi nikel yang rendah, sehingga merupakan baja tahan karat feritik dan bukan baja tahan karat austenitik. Karena kandungan nikelnya yang rendah, harganya jauh lebih murah daripada paduan lainnya. Kekuatan dan modulus elastisitas Sea-Cure yang tinggi memungkinkan dinding yang lebih tipis daripada material lain, sehingga menghasilkan perpindahan panas yang lebih baik.
Sifat-sifat unggul dari logam-logam ini ditunjukkan pada grafik "Angka Kesetaraan Ketahanan Korosi Lubang", yang, seperti namanya, merupakan prosedur pengujian yang digunakan untuk menentukan ketahanan berbagai logam terhadap korosi lubang.
Salah satu pertanyaan yang paling umum adalah “Berapa kandungan klorida maksimum yang dapat ditoleransi oleh jenis baja tahan karat tertentu?” Jawabannya sangat beragam. Faktor-faktornya meliputi pH, suhu, keberadaan dan jenis retakan, dan potensi adanya spesies biologis aktif. Sebuah alat telah ditambahkan pada sumbu kanan Gambar 5 untuk membantu pengambilan keputusan ini. Alat ini didasarkan pada air mengalir dengan pH netral dan suhu 35°C yang umum ditemukan dalam banyak aplikasi BOP dan kondensasi (untuk mencegah pembentukan endapan dan retakan). Setelah paduan dengan komposisi kimia tertentu dipilih, PREn dapat ditentukan dan kemudian diiris dengan garis miring yang sesuai. Tingkat klorida maksimum yang direkomendasikan kemudian dapat ditentukan dengan menggambar garis horizontal pada sumbu kanan. Secara umum, jika suatu paduan akan dipertimbangkan untuk aplikasi air payau atau air laut, paduan tersebut harus memiliki CCT di atas 25 derajat Celcius seperti yang diukur dengan uji G 48.
Jelas bahwa paduan super feritik yang diwakili oleh Sea-Cure® umumnya cocok bahkan untuk aplikasi air laut. Ada manfaat lain dari material ini yang harus ditekankan. Masalah korosi mangan telah diamati pada baja tahan karat 304 dan 316 selama bertahun-tahun, termasuk di pabrik-pabrik di sepanjang Sungai Ohio. Baru-baru ini, penukar panas di pabrik-pabrik di sepanjang Sungai Mississippi dan Missouri telah diserang. Korosi mangan juga merupakan masalah umum dalam sistem pengisian air sumur. Mekanisme korosi telah diidentifikasi sebagai mangan dioksida (MnO2) yang bereaksi dengan biosida pengoksidasi untuk menghasilkan asam klorida di bawah endapan. HCl adalah yang sebenarnya menyerang logam. [WH Dickinson dan RW Pick, "Korosi Bergantung Mangan di Industri Pembangkit Listrik"; dipresentasikan pada Konferensi Korosi Tahunan NACE 2002, Denver, CO.] Baja feritik tahan terhadap mekanisme korosi ini.
Memilih material berkualitas lebih tinggi untuk tabung kondensor dan penukar panas tetap bukan pengganti pengendalian kimia pengolahan air yang tepat. Seperti yang telah diuraikan oleh penulis Buecker dalam artikel teknik tenaga listrik sebelumnya, program pengolahan kimia yang dirancang dan dioperasikan dengan benar diperlukan untuk meminimalkan potensi pembentukan kerak, korosi, dan pengotoran. Kimia polimer muncul sebagai alternatif yang ampuh untuk kimia fosfat/fosfonat yang lebih lama untuk mengendalikan korosi dan pembentukan kerak dalam sistem menara pendingin. Mengendalikan kontaminasi mikroba telah dan akan terus menjadi masalah kritis. Meskipun kimia oksidatif dengan klorin, pemutih, atau senyawa serupa adalah landasan pengendalian mikroba, perawatan tambahan seringkali dapat meningkatkan efisiensi program perawatan. Salah satu contohnya adalah kimia stabilisasi, yang membantu meningkatkan laju pelepasan dan efisiensi biosida pengoksidasi berbasis klorin tanpa memasukkan senyawa berbahaya ke dalam air. Selain itu, pemberian tambahan fungisida non-pengoksidasi mungkin sangat bermanfaat dalam mengendalikan perkembangan mikroba. Hasilnya adalah ada banyak cara untuk meningkatkan keberlanjutan dan keandalan penukar panas pembangkit listrik, tetapi setiap sistem berbeda, sehingga perencanaan yang cermat dan konsultasi dengan para ahli industri penting untuk pemilihan yang tepat. tentang bahan dan prosedur kimia. Sebagian besar artikel ini ditulis dari perspektif pengolahan air, kami tidak terlibat dalam keputusan material, tetapi kami diminta untuk membantu mengelola dampak dari keputusan tersebut setelah peralatan beroperasi. Keputusan akhir tentang pemilihan material harus dibuat oleh personel pabrik berdasarkan sejumlah faktor yang ditentukan untuk setiap aplikasi.
Tentang Penulis: Brad Buecker adalah Humas Teknis Senior di ChemTreat. Ia memiliki 36 tahun pengalaman di atau terkait dengan industri tenaga listrik, sebagian besar di bidang kimia pembangkit uap, pengolahan air, pengendalian kualitas udara, dan di City Water, Light & Power (Springfield, IL) dan Kansas City Power & Light Company yang berlokasi di La Cygne Station, Kansas. Ia juga menghabiskan dua tahun sebagai pengawas air/air limbah sementara di sebuah pabrik kimia. Buecker memegang gelar Sarjana Sains (BS) di bidang Kimia dari Iowa State University dengan tambahan mata kuliah di bidang Mekanika Fluida, Kesetimbangan Energi dan Material, dan Kimia Anorganik Tingkat Lanjut.
Dan Janikowski adalah Manajer Teknik di Plymouth Tube. Selama 35 tahun, ia telah terlibat dalam pengembangan logam, pembuatan dan pengujian produk tubular termasuk paduan tembaga, baja tahan karat, paduan nikel, titanium, dan baja karbon. Setelah bergabung dengan Plymouth Metro sejak tahun 2005, Janikowski memegang berbagai posisi senior sebelum menjadi Manajer Teknik pada tahun 2010.