Panggilan Konten Internasional POWERGEN sekarang dibuka! Kami mencari pembicara dari industri utilitas dan pembangkit listrik. Topik meliputi pembangkitan listrik konvensional dan terbarukan, transformasi digital pembangkit listrik, penyimpanan energi, jaringan mikro, pengoptimalan pabrik, daya di lokasi, dan banyak lagi.
Penulis telah meninjau spesifikasi proyek daya baru berkali-kali, di mana perancang pabrik biasanya memilih baja tahan karat 304 atau 316 untuk pipa kondensor dan penukar panas tambahan. Bagi banyak orang, istilah baja tahan karat memunculkan aura 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 pembuatan air pendingin, ditambah dengan menara pendingin yang beroperasi pada siklus konsentrasi tinggi, mekanisme kegagalan baja tahan karat yang potensial diperbesar. Dalam beberapa aplikasi, baja tahan karat seri 300 hanya akan bertahan selama berbulan-bulan, terkadang hanya beberapa minggu, sebelum gagal. Artikel ini berfokus pada setidaknya masalah yang harus dipertimbangkan saat memilih bahan tabung kondensor dari perspektif pengolahan air. Faktor-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 korosi kelelahan dan erosi.
Penambahan kromium sebanyak 12% atau lebih pada baja menyebabkan paduan tersebut membentuk lapisan oksida berkesinambungan yang melindungi logam dasar di bawahnya. Oleh karena itu muncul istilah baja tahan karat. Dengan tidak adanya bahan paduan lainnya (terutama nikel), baja karbon merupakan bagian dari kelompok ferit, dan sel satuannya memiliki struktur kubik berpusat badan (BCC).
Bila nikel ditambahkan ke campuran paduan pada konsentrasi 8% atau lebih tinggi, bahkan pada suhu ruangan, sel akan berada dalam struktur kubik berpusat muka (FCC) yang disebut austenit.
Seperti 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 dalam ketel listrik. Seri 300 khususnya sering digunakan sebagai material untuk tabung penukar panas suhu rendah, termasuk kondensor permukaan uap. Akan tetapi, dalam aplikasi inilah banyak yang mengabaikan mekanisme kegagalan potensial.
Kesulitan utama dengan baja tahan karat, terutama material 304 dan 316 yang populer, adalah bahwa lapisan oksida pelindung sering kali rusak oleh kotoran dalam air pendingin dan oleh celah-celah serta endapan yang membantu mengonsentrasikan kotoran. Selain itu, dalam kondisi penghentian, genangan air dapat menyebabkan pertumbuhan mikroba, yang produk sampingan metaboliknya dapat sangat merusak logam.
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 tambahan, kesulitan utamanya adalah klorida dalam konsentrasi yang cukup dapat menembus dan menghancurkan lapisan oksida pelindung pada baja tahan karat, sehingga menyebabkan korosi lokal, yakni pengelupasan.
Pitting merupakan salah satu bentuk korosi yang paling berbahaya karena dapat menyebabkan penetrasi dinding dan kegagalan peralatan dengan kehilangan logam yang sedikit.
Konsentrasi klorida tidak harus sangat tinggi untuk menimbulkan korosi pada baja tahan karat 304 dan 316, dan untuk permukaan yang bersih tanpa endapan atau celah, konsentrasi klorida maksimum yang direkomendasikan kini dianggap sebagai:
Beberapa faktor dapat dengan mudah menghasilkan konsentrasi klorida yang melebihi pedoman ini, baik secara umum maupun di lokasi lokal. Sangat jarang untuk mempertimbangkan pendinginan sekali pakai terlebih dahulu untuk pembangkit listrik baru. Sebagian besar dibangun dengan menara pendingin, atau dalam beberapa kasus, kondensor berpendingin udara (ACC). Bagi mereka yang memiliki menara pendingin, konsentrasi kotoran dalam kosmetik dapat "berputar naik." Misalnya, kolom dengan konsentrasi klorida air make-up 50 mg/l beroperasi dengan lima siklus konsentrasi, dan kandungan klorida dari air yang bersirkulasi adalah 250 mg/l. Ini saja umumnya harus mengesampingkan 304 SS. Selain itu, di pabrik baru dan yang sudah ada, ada kebutuhan yang meningkat untuk mengganti air tawar untuk pengisian ulang pabrik. Alternatif umum adalah air limbah kota. Tabel 2 membandingkan analisis empat persediaan air tawar dengan empat persediaan air limbah.
Waspadalah terhadap peningkatan kadar klorida (dan kotoran lainnya, seperti nitrogen dan fosfor, yang dapat sangat meningkatkan kontaminasi mikroba dalam sistem pendingin). Untuk semua air limbah, setiap sirkulasi di menara pendingin akan melebihi batas klorida yang direkomendasikan oleh 316 SS.
Pembahasan sebelumnya didasarkan pada potensi korosi pada permukaan logam umum. Retakan dan endapan mengubah cerita secara dramatis, karena keduanya menyediakan tempat berkumpulnya kotoran. Lokasi umum untuk retakan mekanis pada kondensor dan penukar kalor sejenisnya adalah pada sambungan lembaran tabung ke tabung. Endapan di dalam tabung dapat menciptakan retakan pada batas endapan, dan endapan itu sendiri dapat berfungsi sebagai tempat terjadinya kontaminasi. Lebih jauh lagi, karena baja tahan karat bergantung pada lapisan oksida kontinu untuk perlindungan, endapan dapat membentuk tempat-tempat miskin oksigen yang mengubah permukaan baja yang tersisa menjadi anoda.
Pembahasan di atas menguraikan berbagai masalah yang biasanya tidak dipertimbangkan oleh para perancang pabrik saat menentukan bahan tabung kondensor dan penukar panas tambahan untuk proyek-proyek baru. Pola pikir mengenai SS 304 dan 316 terkadang masih tampak seperti "itulah yang selalu kami lakukan" tanpa mempertimbangkan konsekuensi dari tindakan tersebut. Tersedia bahan-bahan alternatif untuk menangani kondisi air pendingin yang lebih keras yang kini dihadapi banyak pabrik.
Sebelum membahas logam alternatif, ada hal lain yang perlu dijelaskan secara singkat. Dalam banyak kasus, 316 SS atau bahkan 304 SS bekerja dengan baik selama pengoperasian normal, tetapi gagal saat listrik padam. Dalam kebanyakan kasus, kegagalan terjadi karena drainase kondensor atau penukar panas yang buruk sehingga 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 tabung.
Mekanisme ini, yang dikenal sebagai korosi yang disebabkan oleh mikroba (MIC), diketahui dapat merusak pipa baja tahan karat dan logam lainnya dalam hitungan minggu. Jika penukar panas tidak dapat dikeringkan, pertimbangan serius harus diberikan untuk mengalirkan air secara berkala melalui penukar panas dan menambahkan biosida selama proses berlangsung. (Untuk detail lebih lanjut tentang prosedur tata letak yang tepat, lihat D. Janikowski, “Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations”; diadakan pada tanggal 4-6 Juni 2019 di Champaign, IL Dipresentasikan pada Simposium Kimia Utilitas Listrik ke-39.)
Untuk lingkungan keras yang disorot di atas, serta lingkungan yang lebih keras seperti air payau atau air laut, logam alternatif dapat digunakan untuk menangkal kotoran. Tiga kelompok paduan telah terbukti berhasil, titanium murni komersial, baja tahan karat austenitik 6% molibdenum, dan baja tahan karat superferitik. Paduan ini juga tahan MIC. Meskipun titanium dianggap sangat tahan terhadap korosi, struktur kristal heksagonalnya yang rapat dan modulus elastisitasnya yang sangat rendah membuatnya rentan terhadap kerusakan mekanis. Paduan ini paling cocok untuk instalasi baru dengan struktur pendukung tabung yang kuat. Alternatif yang sangat baik adalah baja tahan karat super feritik Sea-Cure®. Komposisi material ini ditunjukkan di bawah ini.
Baja ini memiliki kadar kromium yang tinggi tetapi nikel yang rendah, sehingga merupakan baja tahan karat feritik dan bukan baja tahan karat austenitik. Karena kadar nikelnya yang rendah, harganya jauh lebih murah daripada baja paduan lainnya. Kekuatan tinggi dan modulus elastisitas Sea-Cure memungkinkan dinding lebih tipis daripada material lainnya, sehingga menghasilkan perpindahan panas yang lebih baik.
Peningkatan sifat logam-logam ini ditunjukkan pada bagan “Pitting Resistance Equivalent Number”, yang, sesuai namanya, merupakan prosedur pengujian yang digunakan untuk menentukan ketahanan berbagai logam terhadap korosi pitting.
Salah satu pertanyaan yang paling umum adalah "Berapa kadar klorida maksimum yang dapat ditoleransi oleh baja tahan karat dengan mutu tertentu?" Jawabannya sangat bervariasi. Faktor-faktornya meliputi pH, suhu, keberadaan dan jenis retakan, dan potensi spesies biologis yang aktif. Sebuah alat telah ditambahkan pada sumbu kanan Gambar 5 untuk membantu pengambilan keputusan ini. Alat ini didasarkan pada pH netral, air mengalir 35°C yang umum ditemukan dalam banyak aplikasi BOP dan kondensasi (untuk mencegah pembentukan endapan dan pembentukan retakan). Setelah paduan dengan komposisi kimia tertentu dipilih, PREn dapat ditentukan dan kemudian dipotong dengan garis miring yang sesuai. Kadar 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 Celsius sebagaimana diukur dengan uji G 48.
Jelas bahwa paduan super feritik yang diwakili oleh Sea-Cure® secara umum cocok untuk aplikasi air laut. Ada manfaat lain dari bahan-bahan ini yang harus ditekankan. Masalah korosi mangan telah diamati untuk 304 dan 316 SS 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 pembuatan 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 benar-benar menyerang logam. [WH Dickinson dan RW Pick, "Korosi yang Bergantung pada Mangan dalam Industri Tenaga Listrik"; dipresentasikan pada Konferensi Korosi Tahunan NACE 2002, Denver, CO.] Baja feritik tahan terhadap mekanisme korosi ini.
Pemilihan material bermutu tinggi untuk tabung kondensor dan penukar panas masih belum dapat menggantikan 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 tepat diperlukan untuk meminimalkan potensi terjadinya kerak, korosi, dan pengotoran. Kimia polimer muncul sebagai alternatif yang ampuh untuk kimia fosfat/fosfonat lama guna mengendalikan korosi dan kerak dalam sistem menara pendingin. Pengendalian kontaminasi mikroba telah dan akan terus menjadi isu penting. Sementara kimia oksidatif dengan klorin, pemutih, atau senyawa serupa merupakan landasan pengendalian mikroba, pengolahan tambahan sering kali dapat meningkatkan efisiensi program pengolahan. Salah satu contohnya adalah kimia stabilisasi, yang membantu meningkatkan laju pelepasan dan efisiensi biosida pengoksidasi berbasis klorin tanpa memasukkan senyawa berbahaya apa pun ke dalam air. Selain itu, pakan tambahan dengan 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, jadi perencanaan dan konsultasi yang cermat dengan pakar industri penting dilakukan. untuk pemilihan material 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 keputusan tersebut setelah peralatan beroperasi. Keputusan akhir tentang pemilihan material harus dibuat oleh personel pabrik berdasarkan sejumlah faktor yang ditetapkan untuk setiap aplikasi.
Tentang Penulis: Brad Buecker adalah Humas Teknis Senior di ChemTreat. Ia memiliki 36 tahun pengalaman dalam atau berafiliasi dengan industri tenaga listrik, sebagian besar dalam bidang kimia pembangkitan uap, pengolahan air, pengendalian kualitas udara, dan di City Water, Light & Power (Springfield, IL) serta Kansas City Power & Light Company yang berlokasi di La Cygne Station, Kansas. Ia juga menghabiskan dua tahun sebagai pelaksana tugas pengawas air/air limbah di sebuah pabrik kimia. Buecker memegang gelar BS dalam bidang Kimia dari Iowa State University dengan tambahan mata kuliah dalam Mekanika Fluida, Keseimbangan Energi dan Material, serta Kimia Anorganik Lanjutan.
Dan Janikowski adalah Manajer Teknis di Plymouth Tube. Selama 35 tahun, ia terlibat dalam pengembangan logam, pembuatan dan pengujian produk tabung termasuk paduan tembaga, baja tahan karat, paduan nikel, titanium, dan baja karbon. Telah bekerja di Plymouth Metro sejak 2005, Janikowski memegang berbagai jabatan senior sebelum menjadi Manajer Teknis pada tahun 2010.