המחברים סקרו שוב ושוב מפרטים חדשים של פרויקטי חשמל, שבהם מתכנני תחנות בדרך כלל בוחרים פלדת אל-חלד 304 או 316 עבור צינורות מעבה ומחליף חום עזר. עבור רבים, המונח פלדת אל-חלד מעלה הילה של קורוזיה בלתי מנוצחת, כשלמעשה, פלדות אל-חלד יכולות לפעמים להיות הבחירה הגרועה ביותר מכיוון שהן רגישות לקורוזיה מקומית. ובעידן זה של זמינות מופחתת של מים מתוקים להשלמת מי קירור, בשילוב עם מגדלי קירור הפועלים במחזורי ריכוז גבוהים, מנגנוני כשל פוטנציאליים של פלדת אל-חלד מוגברים. ביישומים מסוימים, פלדת אל-חלד מסדרה 300 תשרוד רק חודשים, לפעמים רק שבועות, לפני שתיכשל. מאמר זה מתמקד לפחות בנושאים שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת חומרים לצינורות מעבה מנקודת מבט של טיפול במים. גורמים אחרים שלא נדונו במאמר זה אך ממלאים תפקיד בבחירת החומר כוללים חוזק החומר, תכונות העברת חום ועמידות בפני כוחות מכניים, כולל קורוזיה עייפה ושחיקה.
הוספת 12% או יותר כרום לפלדה גורמת לסגסוגת ליצור שכבת תחמוצת רציפה המגנה על מתכת הבסיס שמתחת. מכאן המונח נירוסטה. בהיעדר חומרי סגסוגת אחרים (במיוחד ניקל), פלדת פחמן היא חלק מקבוצת הפריט, ולתא היחידה שלה יש מבנה קובי ממורכז גוף (BCC).
כאשר מוסיפים ניקל לתערובת הסגסוגת בריכוז של 8% ומעלה, התא יתקיים במבנה קובי ממורכז פאות (FCC) הנקרא אוסטניט, אפילו בטמפרטורת הסביבה.
כפי שמוצג בטבלה 1, פלדות אל-חלד מסדרה 300 ופלדות אל-חלד אחרות מכילות תכולת ניקל היוצרת מבנה אוסטניטי.
פלדות אוסטניטיות הוכחו כבעלות ערך רב ביישומים רבים, כולל כחומר לצינורות מחממי-על וצינורות מחממים חוזרים בטמפרטורה גבוהה בדודי חשמל. סדרת 300 בפרט משמשת לעתים קרובות כחומר לצינורות מחליף חום בטמפרטורה נמוכה, כולל מעבים משטחיים של קיטור. עם זאת, ביישומים אלה רבים מתעלמים ממנגנוני כשל פוטנציאליים.
הקושי העיקרי עם פלדת אל-חלד, במיוחד החומרים הפופולריים 304 ו-316, הוא ששכבת התחמוצת המגנה נהרסת לעתים קרובות על ידי זיהומים במי הקירור ועל ידי סדקים ומשקעים המסייעים בריכוז זיהומים. בנוסף, בתנאי כיבוי, מים עומדים עלולים להוביל לצמיחה מיקרוביאלית, שתוצרי הלוואי המטבוליים שלהם עלולים להיות מזיקים מאוד למתכות.
זיהום נפוץ במי קירור, ואחד הקשים ביותר להסרה מבחינה כלכלית, הוא כלוריד. יון זה יכול לגרום לבעיות רבות במחוללי קיטור, אך במעבים ובמחליפי חום עזר, הקושי העיקרי הוא שכלורידים בריכוזים מספיקים יכולים לחדור ולהרוס את שכבת התחמוצת המגנה על נירוסטה, ולגרום לקורוזיה מקומית, כלומר, גומות.
קורוזיה היא אחת מצורות הקורוזיה המסוכנות ביותר משום שהיא עלולה לגרום לחדירות לקירות ולכשל בציוד עם אובדן מתכת מועט.
ריכוזי כלוריד אינם חייבים להיות גבוהים מאוד כדי לגרום לקורוזיה נקודתית בפלדות אל-חלד 304 ו-316, ועבור משטחים נקיים ללא משקעים או חריצים, ריכוזי הכלוריד המקסימליים המומלצים נחשבים כעת ל:
מספר גורמים יכולים בקלות לייצר ריכוזי כלוריד שחורגים מהנחיות אלו, הן באופן כללי והן במקומות מקומיים. נדיר מאוד לשקול תחילה קירור חד פעמי עבור תחנות כוח חדשות. רובן בנויות עם מגדלי קירור, או במקרים מסוימים, מעבים מקוררי אוויר (ACC). עבור אלו עם מגדלי קירור, ריכוז הזיהומים בקוסמטיקה יכול "לעלות במחזוריות". לדוגמה, עמודה עם ריכוז כלוריד של 50 מ"ג/ליטר במי השלמה פועלת עם חמישה מחזורי ריכוז, ותכולת הכלוריד של המים במחזור היא 250 מ"ג/ליטר. זה לבדו אמור בדרך כלל לשלול 304 SS. בנוסף, במפעלים חדשים וקיימים, קיים צורך גובר להחליף מים מתוקים לטעינת המפעל. חלופה נפוצה היא שפכים עירוניים. טבלה 2 משווה את הניתוח של ארבעת מקורות המים המתוקים עם ארבעת מקורות השפכים.
היזהרו מרמות כלוריד מוגברות (ומזיהומים אחרים, כגון חנקן וזרחן, אשר יכולים להגביר מאוד את הזיהום המיקרוביאלי במערכות קירור). עבור כמעט כל המים האפורים, כל מחזור במגדל הקירור יעלה על מגבלת הכלוריד המומלצת על ידי 316 SS.
הדיון הקודם מבוסס על פוטנציאל הקורוזיה של משטחי מתכת נפוצים. סדקים ומשקעים משנים באופן דרמטי את הסיפור, שכן שניהם מספקים מקומות שבהם זיהומים יכולים להתרכז. מיקום טיפוסי לסדקים מכניים במעבים ובמחליפי חום דומים הוא בצמתים של יריעות צינור-לצינור. משקעים בתוך הצינור יכולים ליצור סדקים בגבול המשקעים, והמשקע עצמו יכול לשמש כאתר לזיהום. יתר על כן, מכיוון שפלדת אל-חלד מסתמכת על שכבת תחמוצת רציפה להגנה, המשקעים יכולים ליצור אתרים עניים בחמצן שהופכים את פני השטח הנותרים של הפלדה לאנודה.
הדיון לעיל מתאר סוגיות שמתכנני מפעלים בדרך כלל אינם שוקלים בעת הגדרת חומרים לצינורות מעבה ומחליף חום עזר עבור פרויקטים חדשים. הגישה בנוגע ל-304 ו-316 SS נראית לעיתים עדיין כ"זה מה שתמיד עשינו" מבלי לשקול את ההשלכות של פעולות כאלה. קיימים חומרים חלופיים להתמודדות עם תנאי מי הקירור הקשים יותר שעמם מתמודדים כיום מפעלים רבים.
לפני שנדון במתכות חלופיות, יש לציין בקצרה נקודה נוספת. במקרים רבים, מתכת 316 או אפילו מתכת 304 פעלו היטב במהלך פעולה רגילה, אך כשלו במהלך הפסקת חשמל. ברוב המקרים, הכשל נובע מניקוז לקוי של הקבל או מחליף החום, מה שגרם למים עומדים בצינורות. סביבה זו מספקת תנאים אידיאליים לגדילת מיקרואורגניזמים. מושבות מיקרוביאליות בתורן מייצרות תרכובות קורוזיביות אשר מאכלות ישירות את המתכת הצינורית.
מנגנון זה, המכונה קורוזיה מושרה מיקרוביאלית (MIC), ידוע כמשמיד צינורות נירוסטה ומתכות אחרות תוך שבועות. אם לא ניתן לנקז את מחליף החום, יש לשקול ברצינות הזרמת מים מעת לעת דרך מחליף החום והוספת חומר ביוצידי במהלך התהליך. (לפרטים נוספים על הליכי פריסה נכונים, ראו ד. יאניקובסקי, "Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Consultations"; התקיים ב-4-6 ביוני 2019 בשמפיין, אילינוי, הוצג בסימפוזיון הכימיה ה-39 של חברת החשמל.)
עבור הסביבות הקשות שהודגשו לעיל, כמו גם עבור סביבות קשות יותר כמו מים מליחים או מי ים, ניתן להשתמש במתכות חלופיות כדי למנוע זיהומים. שלוש קבוצות סגסוגות הוכיחו את עצמן כמוצלחות: טיטניום טהור מסחרית, פלדת אל-חלד אוסטניטית מוליבדן 6% ופלדת אל-חלד סופר-פריטית. סגסוגות אלו עמידות גם בפני קורוזיה (MIC). למרות שטיטניום נחשב עמיד מאוד בפני קורוזיה, מבנה הגביש המשושה והצפוף שלו ומודולוס האלסטיות הנמוך ביותר הופכים אותו לרגישה לנזק מכני. סגסוגת זו מתאימה ביותר להתקנות חדשות עם מבני תמיכה חזקים בצינורות. אלטרנטיבה מצוינת היא פלדת אל-חלד סופר-פריטית Sea-Cure®. הרכב חומר זה מוצג להלן.
הפלדה עשירה בכרום אך דלה בניקל, ולכן היא פלדת אל-חלד פריטית ולא פלדת אל-חלד אוסטניטית. בשל תכולת הניקל הנמוכה שלה, היא עולה הרבה פחות מסגסוגות אחרות. החוזק הגבוה ומודול האלסטיות של Sea-Cure מאפשרים דפנות דקות יותר מחומרים אחרים, וכתוצאה מכך העברת חום משופרת.
התכונות המשופרות של מתכות אלו מוצגות בטבלה "מספר שווה ערך לעמידות בפני קורוזיה", אשר, כפי ששמו מרמז, הוא הליך בדיקה המשמש לקביעת עמידותן של מתכות שונות בפני קורוזיה מפני קורוזיה.
אחת השאלות הנפוצות ביותר היא "מהי תכולת הכלוריד המקסימלית שסוג מסוים של פלדת אל-חלד יכול לסבול?" התשובות מגוונות מאוד. גורמים כוללים pH, טמפרטורה, נוכחות וסוג של סדקים, והפוטנציאל למינים ביולוגיים פעילים. כלי נוסף בציר הימני של איור 5 כדי לסייע בהחלטה זו. הוא מבוסס על pH ניטרלי, מים זורמים בטמפרטורה של 35 מעלות צלזיוס הנמצאים בדרך כלל ביישומי BOP ועיבוי רבים (כדי למנוע היווצרות משקעים וסדקים). לאחר בחירת סגסוגת בעלת הרכב כימי ספציפי, ניתן לקבוע את PREn ולאחר מכן לחתוך אותה עם הקו האלכסוני המתאים. ניתן לקבוע את רמת הכלוריד המקסימלית המומלצת על ידי ציור קו אופקי בציר הימני. באופן כללי, אם סגסוגת תיחשב ליישומי מי מליחים או מי ים, היא צריכה להיות בעלת CCT מעל 25 מעלות צלזיוס כפי שנמדד על ידי מבחן G 48.
ברור שסגסוגות הסופר-פריטיות המיוצגות על ידי Sea-Cure® מתאימות בדרך כלל אפילו ליישומי מי ים. ישנו יתרון נוסף לחומרים אלה שיש להדגיש. בעיות קורוזיה ממנגן נצפו במשך שנים רבות עבור פלדות 304 ו-316 SS, כולל במפעלים לאורך נהר אוהיו. לאחרונה, מחליפי חום במפעלים לאורך נהרות המיסיסיפי והמיזורי הותקפו. קורוזיה ממנגן היא גם בעיה נפוצה במערכות איסוף מי בארות. מנגנון הקורוזיה זוהה כמנגן דו-חמצני (MnO2) המגיב עם ביוציד מחמצן ליצירת חומצה הידרוכלורית מתחת למשקע. HCl הוא מה שבאמת תוקף מתכות. [WH Dickinson and RW Pick, "קורוזיה תלוית מנגן בתעשיית החשמל"; הוצג בכנס הקורוזיה השנתי של NACE לשנת 2002, דנבר, קולורדו.] פלדות פריטיות עמידות למנגנון קורוזיה זה.
בחירת חומרים באיכות גבוהה יותר עבור צינורות מעבה ומחליף חום עדיין אינה תחליף לבקרה כימית נכונה של טיפול במים. כפי שתיאר המחבר בוקר במאמר קודם על הנדסת חשמל, תוכנית טיפול כימית המתוכננת והמופעלת כראוי נחוצה כדי למזער את הפוטנציאל לאבנית, קורוזיה וזיהום. כימיה של פולימרים מתפתחת כחלופה חזקה לכימיה ישנה יותר של פוספט/פוספונט לשליטה בקורוזיה ואבנית במערכות מגדלי קירור. שליטה בזיהום מיקרוביאלי הייתה ותמשיך להיות נושא קריטי. בעוד שכימיה חמצונית עם כלור, אקונומיקה או תרכובות דומות היא אבן הפינה של בקרה מיקרוביאלית, טיפולים משלימים יכולים לעתים קרובות לשפר את יעילות תוכניות הטיפול. דוגמה אחת כזו היא כימיה של ייצוב, המסייעת להגביר את קצב השחרור והיעילות של ביוצידים מחמצנים מבוססי כלור מבלי להכניס תרכובות מזיקות למים. בנוסף, הזנה משלימה עם קוטלי פטריות שאינם מחמצנים עשויה להיות מועילה מאוד בשליטה בהתפתחות מיקרוביאלית. התוצאה היא שישנן דרכים רבות לשפר את הקיימות והאמינות של מחליפי חום של תחנות כוח, אך כל מערכת שונה, ולכן תכנון קפדני והתייעצות עם מומחים בתעשייה חשובים לבחירת חומרים ונהלים כימיים. חלק ניכר מ... מאמר זה נכתב מנקודת מבט של טיפול במים, איננו מעורבים בהחלטות מהותיות, אך אנו מתבקשים לסייע בניהול ההשפעה של החלטות אלו לאחר שהציוד יהיה פעיל. ההחלטה הסופית לגבי בחירת החומרים חייבת להתקבל על ידי צוות המפעל על סמך מספר גורמים שצוינו עבור כל יישום.
אודות המחבר: בראד באקר הוא יחצן טכני בכיר ב-ChemTreat. יש לו 36 שנות ניסיון בתעשיית החשמל או קשור אליה, חלק ניכר מכך בכימיה של ייצור קיטור, טיפול במים, בקרת איכות אוויר ובחברת City Water, Light & Power (ספרינגפילד, אילינוי) וחברת Kansas City Power & Light ממוקמת בתחנת לה סיגנה, קנזס. הוא גם בילה שנתיים כמפקח מים/שפכים בפועל במפעל כימי. באקר בעל תואר ראשון בכימיה מאוניברסיטת איווה סטייט עם עבודות קורס נוספות במכניקת נוזלים, אנרגיה ושיווי משקל חומרים וכימיה אנאורגנית מתקדמת.
דן יאניקובסקי הוא מנהל טכני בפלימות' טיוב. במשך 35 שנה הוא מעורב בפיתוח מתכות, ייצור ובדיקה של מוצרים צינוריים, כולל סגסוגות נחושת, נירוסטה, סגסוגות ניקל, טיטניום ופלדת פחמן. יאניקובסקי, שעבד בפלימות' מטרו מאז 2005, מילא תפקידים בכירים שונים לפני שהפך למנהל טכני בשנת 2010.