Höfundarnir hafa aftur og aftur farið yfir nýjar forskriftir fyrir orkuframkvæmdir, þar sem hönnuðir virkja velja yfirleitt 304 eða 316 ryðfrítt stál fyrir rör fyrir kæli og hjálparhitaskipti. Fyrir marga vekur hugtakið ryðfrítt stál upp ósigrandi tæringu, en í raun getur ryðfrítt stál stundum verið versti kosturinn vegna þess að það er viðkvæmt fyrir staðbundinni tæringu. Og á þessum tímum minnkaðs framboðs á fersku vatni til kælivatnsuppbótar, ásamt kæliturnum sem starfa við háa styrkleikahringrás, eru möguleg bilunarferli ryðfríu stáli stækkuð. Í sumum forritum mun 300 serían ryðfría stálið aðeins endast í marga mánuði, stundum aðeins vikur, áður en það bilar. Þessi grein fjallar að minnsta kosti um þau atriði sem ætti að hafa í huga þegar efni fyrir kælirör eru valin frá sjónarhóli vatnsmeðferðar. Aðrir þættir sem ekki eru ræddir í þessari grein en gegna hlutverki í efnisvali eru efnisstyrkur, varmaflutningseiginleikar og viðnám gegn vélrænum kröftum, þar á meðal þreytu og roftæringu.
Ef 12% eða meira af krómi er bætt við stál myndast samfellt oxíðlag sem verndar grunnmálminn undir. Þaðan kemur hugtakið ryðfrítt stál. Í fjarveru annarra málmblönduefna (sérstaklega nikkel) er kolefnisstál hluti af ferríthópnum og einingafruma þess hefur líkamsmiðaða teningsbyggingu (BCC).
Þegar nikkel er bætt við málmblönduna í styrk sem er 8% eða hærri, mun fruman mynda flatarmiðjuð teningslaga (FCC) uppbyggingu sem kallast austenít, jafnvel við stofuhita.
Eins og sést í töflu 1, hafa 300 serían af ryðfríu stáli og öðru ryðfríu stáli nikkelinnihald sem myndar austenítíska uppbyggingu.
Austenísk stál hafa reynst mjög verðmæt í mörgum tilgangi, þar á meðal sem efni í háhitastigs yfirhitara og endurhitunarrör í orkukatlum. Sérstaklega er 300 serían oft notuð sem efni í lághitastigs varmaskiptarör, þar á meðal gufuþéttivélar. Hins vegar er það í þessum tilgangi sem margir líta fram hjá hugsanlegum bilunarferlum.
Helsta vandamálið með ryðfríu stáli, sérstaklega vinsælu efnunum 304 og 316, er að verndandi oxíðlagið eyðileggst oft af óhreinindum í kælivatninu og af sprungum og útfellingum sem hjálpa til við að safna óhreinindum. Að auki, við lokunaraðstæður, getur kyrrstætt vatn leitt til örveruvaxtar, en efnaskiptaafurðir þess geta verið mjög skaðlegar málmum.
Algeng óhreinindi í kælivatni, og ein sú erfiðasta við að fjarlægja efnahagslega, er klóríð. Þessi jón getur valdið mörgum vandamálum í gufuframleiðendum, en í þéttum og hjálparvarmaskiptum er helsta vandamálið að klóríð í nægilegum styrk getur komist í gegnum og eyðilagt verndandi oxíðlagið á ryðfríu stáli, sem veldur staðbundinni tæringu, þ.e. pitting.
Holutæring er ein skaðlegasta tegund tæringar því hún getur valdið veggjatæringu og bilun í búnaði með litlu málmtapi.
Klóríðþéttni þarf ekki að vera mjög há til að valda tæringu í 304 og 316 ryðfríu stáli, og fyrir hreina fleti án útfellinga eða sprungna er ráðlagður hámarks klóríðþéttni nú talinn vera:
Nokkrir þættir geta auðveldlega valdið því að klóríðþéttni fer yfir þessar leiðbeiningar, bæði almennt og á staðbundnum stöðum. Það er orðið mjög sjaldgæft að íhuga fyrst einnota kælingu fyrir nýjar virkjanir. Flestar eru byggðar með kæliturnum, eða í sumum tilfellum loftkældum þéttitækjum (ACC). Fyrir þær sem eru með kæliturna getur styrkur óhreininda í snyrtivörum „upp á við“. Til dæmis starfar súla með klóríðþéttni upp á 50 mg/l í viðbótvatni með fimm styrkingarlotum og klóríðinnihald vatnsins í hringrásinni er 250 mg/l. Þetta eitt og sér ætti almennt að útiloka 304 SS. Að auki er vaxandi þörf á að skipta út fersku vatni fyrir endurhleðslu í nýjum og núverandi virkjunum. Algengur valkostur er fráveituvatn frá borgarsvæðum. Tafla 2 ber saman greiningu á fjórum ferskvatnsveitum við fjórar fráveituveitur.
Gætið að auknu klóríðmagni (og öðrum óhreinindum, svo sem köfnunarefni og fosfór, sem geta aukið örverumengun í kælikerfum til muna). Fyrir nánast allt grátt vatn mun öll hringrás í kæliturninum fara yfir klóríðmörkin sem mælt er með í 316 SS.
Umræðan hér að ofan byggir á tæringarmöguleikum algengra málmyfirborða. Sprungur og setlög breyta sögunni verulega, þar sem bæði bjóða upp á staði þar sem óhreinindi geta safnast fyrir. Algeng staðsetning fyrir vélrænar sprungur í þéttum og svipuðum varmaskiptum er við samskeyti röra og röra. Setlög innan rörsins geta skapað sprungur við botnfallsmörk og setlögin sjálf geta þjónað sem mengunarstaður. Þar að auki, vegna þess að ryðfrítt stál treystir á samfellt oxíðlag til verndar, geta setlögin myndað súrefnissnauð svæði sem breyta eftirstandandi stályfirborði í anóðu.
Í ofangreindri umræða er fjallað um atriði sem hönnuðir verksmiðja taka yfirleitt ekki tillit til þegar þeir tilgreina efni fyrir rör fyrir þéttiefni og hjálparvarmaskipti fyrir ný verkefni. Hugsunarháttur varðandi 304 og 316 SS virðist stundum enn vera „þetta er það sem við höfum alltaf gert“ án þess að íhuga afleiðingar slíkra aðgerða. Önnur efni eru tiltæk til að takast á við erfiðari kælivatnsskilyrði sem margar verksmiðjur standa nú frammi fyrir.
Áður en rætt er um aðra málma verður að nefna stuttlega annað atriði. Í mörgum tilfellum hefur 316 SS eða jafnvel 304 SS virkað vel við venjulega notkun en bilað vegna rafmagnsleysis. Í flestum tilfellum stafar bilunin af lélegri frárennsli þéttisins eða varmaskiptarans sem olli stöðnun vatns í rörunum. Þetta umhverfi býður upp á kjörskilyrði fyrir vöxt örvera. Örveruþyrpingar framleiða síðan ætandi efnasambönd sem tæra beint rörlaga málminn.
Þessi aðferð, þekkt sem örveruvaldandi tæring (e. microorologically induced corrosion (MIC), er þekkt fyrir að eyðileggja ryðfríar stálpípur og aðra málma innan vikna. Ef ekki er hægt að tæma varmaskiptirinn ætti að íhuga alvarlega að láta vatn dreifast reglulega í gegnum varmaskiptirinn og bæta við lífeitri á meðan ferlinu stendur. (Nánari upplýsingar um réttar aðferðir við uppsetningu er að finna í D. Janikowski, „Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations“; haldið 4.-6. júní 2019 í Champaign, Illinois. Kynnt á 39. ráðstefnu um efnafræði rafmagnsveitna.)
Fyrir þau erfiðu umhverfi sem nefnd eru hér að ofan, sem og erfiðara umhverfi eins og brakvatn eða sjó, er hægt að nota aðra málma til að verjast óhreinindum. Þrír málmflokkar hafa reynst vel, hreint títan, 6% mólýbden austenískt ryðfrítt stál og ofurferrískt ryðfrítt stál. Þessar málmblöndur eru einnig MIC-þolnar. Þótt títan sé talið mjög tæringarþolið, þá gerir sexhyrnd, þéttpakkað kristalbygging þess og afar lágt teygjustuðull það viðkvæmt fyrir vélrænum skemmdum. Þessi málmblanda hentar best fyrir nýjar uppsetningar með sterkum rörburðarvirkjum. Frábær valkostur er ofurferrískt ryðfrítt stál Sea-Cure®. Samsetning þessa efnis er sýnd hér að neðan.
Stálið er ríkt af krómi en lítið af nikkel, þannig að það er ferrítískt ryðfrítt stál frekar en austenískt ryðfrítt stál. Vegna lágs nikkelinnihalds kostar það mun minna en aðrar málmblöndur. Mikill styrkur og teygjanleiki Sea-Cure gerir kleift að gera veggina þynnri en önnur efni, sem leiðir til betri varmaflutnings.
Auknir eiginleikar þessara málma eru sýndir á töflunni „Pitting Resistance Equivalent Number“, sem, eins og nafnið gefur til kynna, er prófunaraðferð sem notuð er til að ákvarða viðnám ýmissa málma gegn pitting tæringu.
Ein algengasta spurningin er „Hvert er hámarks klóríðinnihald sem tiltekin tegund ryðfríu stáls þolir?“ Svörin eru mjög mismunandi. Þættir eru meðal annars pH, hitastig, tilvist og tegund sprungna og möguleiki á virkum líffræðilegum efnum. Tól hefur verið bætt við á hægri ás myndar 5 til að aðstoða við þessa ákvörðun. Það byggir á hlutlausu pH, 35°C rennandi vatni sem finnst almennt í mörgum BOP og þéttingarforritum (til að koma í veg fyrir myndun útfellinga og sprungna). Þegar málmblanda með tiltekinni efnasamsetningu hefur verið valin er hægt að ákvarða PREn og síðan skera hana með viðeigandi skástriki. Ráðlagt hámarks klóríðmagn er síðan hægt að ákvarða með því að teikna lárétta línu á hægri ás. Almennt, ef málmblanda á að vera notuð í brakki eða sjó, þarf hún að hafa CCT yfir 25 gráður á Celsíus eins og mælt er með G 48 prófinu.
Það er ljóst að ofurferrítmálmblöndurnar sem Sea-Cure® táknar henta almennt jafnvel fyrir notkun í sjó. Það er annar kostur við þessi efni sem verður að leggja áherslu á. Vandamál með mangantæringu hafa sést í 304 og 316 SS í mörg ár, þar á meðal í verksmiðjum meðfram Ohio-ánni. Nýlega hafa varmaskiptar í verksmiðjum meðfram Mississippi- og Missouri-ánni orðið fyrir árásum. Mangantæring er einnig algengt vandamál í vatnsbætiefnum fyrir brunna. Tæringarferlið hefur verið greint sem mangandíoxíð (MnO2) sem hvarfast við oxandi lífefni til að mynda saltsýru undir útfellingunni. HCl er það sem raunverulega ræðst á málma. [WH Dickinson og RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; kynnt á NACE Annual Corrosion Conference 2002, Denver, CO.] Ferrítísk stál eru ónæm fyrir þessum tæringarferli.
Að velja hágæða efni fyrir þétti- og varmaskiptarör kemur enn ekki í staðinn fyrir rétta efnastjórnun vatnsmeðferðar. Eins og höfundur Buecker hefur lýst í fyrri grein um orkuverkfræði er rétt hannað og rekið efnameðferðarkerfi nauðsynlegt til að lágmarka líkur á útfellingu, tæringu og mengun. Fjölliðuefnafræði er að koma fram sem öflugur valkostur við eldri fosfat/fosfónatefnafræði til að stjórna tæringu og útfellingu í kæliturnakerfum. Að stjórna örverumengun hefur verið og mun halda áfram að vera mikilvægt mál. Þó að oxunarefnafræði með klór, bleikiefni eða svipuðum efnasamböndum sé hornsteinn örverustjórnunar, geta viðbótarmeðferðir oft bætt skilvirkni meðferðaráætlana. Eitt slíkt dæmi er stöðugleikaefnafræði, sem hjálpar til við að auka losunarhraða og skilvirkni klórbundinna oxandi lífefna án þess að koma neinum skaðlegum efnasamböndum í vatnið. Að auki getur viðbótarfóður með óoxandi sveppalyfjum verið mjög gagnlegt við að stjórna örveruþróun. Niðurstaðan er sú að það eru margar leiðir til að bæta sjálfbærni og áreiðanleika varmaskipta í virkjunum, en hvert kerfi er ólíkt, svo vandleg skipulagning og samráð við sérfræðinga í greininni er mikilvægt við val á efnum og efnafræðilegum aðferðum. Mikið af Þessi grein er skrifuð út frá sjónarhóli vatnsmeðferðar. Við tökum ekki þátt í efnislegum ákvörðunum, en við erum beðin um að aðstoða við að stjórna áhrifum þessara ákvarðana þegar búnaðurinn er kominn í gang. Starfsfólk verksmiðjunnar verður að taka lokaákvörðun um efnisval út frá fjölda þátta sem tilgreindir eru fyrir hverja notkun.
Um höfundinn: Brad Buecker er yfirmaður tæknilegrar kynningar hjá ChemTreat. Hann hefur 36 ára reynslu í eða tengdan orkuiðnaðinum, að mestu leyti í gufuframleiðslu, vatnshreinsun, loftgæðaeftirliti og starfar hjá City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) og Kansas City Power & Light Company er staðsett í La Cygne Station í Kansas. Hann starfaði einnig í tvö ár sem staðgengill vatns-/frárennslisstjóra í efnaverksmiðju. Buecker er með BS-gráðu í efnafræði frá Iowa State University með viðbótarnámskeiðum í vökvafræði, orku- og efnisjafnvægi og háþróaðri ólífrænni efnafræði.
Dan Janikowski er tæknistjóri hjá Plymouth Tube. Hann hefur í 35 ár unnið að þróun málma, framleiðslu og prófunum á rörlaga vörum, þar á meðal koparblöndum, ryðfríu stáli, nikkelblöndum, títan og kolefnisstáli. Janikowski hefur starfað hjá Plymouth Metro frá árinu 2005 og gegndi ýmsum stjórnunarstöðum áður en hann varð tæknistjóri árið 2010.