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著者らは、新しい発電プロジェクトの仕様を何度も見直してきましたが、プラント設計者は、通常、凝縮器と補助熱交換器のチューブに 304 または 316 ステンレス鋼を選択します。多くの人にとって、ステンレス鋼という言葉は、耐腐食性のオーラを思い起こさせますが、実際には、ステンレス鋼は局部腐食の影響を受けやすいため、最悪の選択肢となる場合があります。また、冷却水補給用の真水の利用可能性が低下している現代では、高濃度サイクルで稼働する冷却塔と相まって、ステンレス鋼の潜在的な破損メカニズムが拡大しています。用途によっては、300 シリーズのステンレス鋼は、数か月、場合によっては数週間しか持ちません。この記事では、水処理の観点から凝縮器チューブの材料を選択する際に考慮すべき問題を中心に説明します。このホワイト ペーパーでは説明していませんが、材料選択に影響を与えるその他の要因には、材料の強度、熱伝達特性、疲労やエロージョン腐食などの機械的力に対する耐性があります。
鋼に 12% 以上のクロムを加えると、合金は連続した酸化物層を形成し、その下のベースメタルを保護します。これがステンレス鋼と呼ばれます。他の合金材料 (特にニッケル) がない場合、炭素鋼はフェライト グループの一部であり、その単位格子は体心立方 (BCC) 構造になります。
合金混合物にニッケルを 8% 以上の濃度で添加すると、常温であっても、セルはオーステナイトと呼ばれる面心立方 (FCC) 構造で存在します。
表 1 に示すように、300 シリーズのステンレス鋼およびその他のステンレス鋼には、オーステナイト構造を生成するニッケル含有量があります。
オーステナイト鋼は、発電ボイラーの高温過熱器および再熱器チューブの材料を含め、多くの用途で非常に価値があることが証明されています。特に 300 シリーズは、蒸気表面凝縮器を含む低温熱交換器チューブの材料としてよく使用されます。ただし、これらの用途では、潜在的な故障メカニズムが見落とされるケースが多くあります。
ステンレス鋼、特に一般的な 304 および 316 材料の主な難点は、保護酸化物層が冷却水中の不純物や、不純物を濃縮させる亀裂や堆積物によって破壊されることが多いことです。さらに、シャットダウン状態では、滞留水によって微生物が増殖し、その代謝副産物が金属に大きな損傷を与える可能性があります。
冷却水の一般的な不純物であり、経済的に除去するのが最も難しい不純物の 1 つが塩化物です。このイオンは蒸気発生器で多くの問題を引き起こす可能性がありますが、凝縮器や補助熱交換器では、十分な濃度の塩化物がステンレス鋼の保護酸化物層に浸透して破壊し、局部腐食、つまり孔食を引き起こすことが主な問題となります。
孔食は、金属の損失がほとんどない状態で壁の貫通や機器の故障を引き起こす可能性があるため、最も潜在的な腐食形態の 1 つです。
304 および 316 ステンレス鋼で孔食腐食を引き起こすには、塩化物濃度が非常に高くなる必要はありません。また、堆積物や亀裂のないきれいな表面の場合、推奨される最大塩化物濃度は現在、次のとおりと考えられています。
いくつかの要因により、一般にも局所的にも、塩化物濃度がこれらのガイドラインを超えることが簡単に発生します。新しい発電所で最初に貫流冷却を考慮することは非常に稀になっています。ほとんどの発電所は冷却塔付きで建設されていますが、場合によっては空冷コンデンサー (ACC) 付きです。冷却塔付きの発電所の場合、化粧品の不純物の濃度が「循環上昇」する可能性があります。たとえば、補給水の塩化物濃度が 50 mg/l のカラムは 5 回の濃縮サイクルで動作し、循環水の塩化物含有量は 250 mg/l です。これだけで、一般に 304 SS が除外されます。さらに、新設および既存のプラントでは、プラントの再充填用に真水を交換する必要性が高まっています。一般的な代替手段は都市下水です。表 2 は、4 つの真水供給と 4 つの下水供給の分析を比較しています。
塩化物濃度（および冷却システム内の微生物汚染を大幅に増加させる可能性のある窒素やリンなどのその他の不純物）の上昇に注意してください。基本的にすべてのグレー水の場合、冷却塔内の循環は 316 SS で推奨されている塩化物制限を超えます。
これまでの議論は、一般的な金属表面の腐食電位に基づいています。亀裂や堆積物により状況は大きく変わります。どちらも不純物が濃縮される場所となるからです。凝縮器や類似の熱交換器における機械的な亀裂が発生する典型的な場所は、チューブとチューブシートの接合部です。チューブ内の堆積物は堆積物の境界に亀裂を生じさせる可能性があり、堆積物自体が汚染の場所となることもあります。さらに、ステンレス鋼は保護のために連続した酸化物層に依存しているため、堆積物によって酸素の少ない場所が形成され、残りの鋼表面が陽極に変わる可能性があります。
上記の説明は、新規プロジェクトで凝縮器および補助熱交換器のチューブ材料を指定する際に、プラント設計者が通常考慮しない問題について概説しています。304 および 316 SS に関しては、そのような措置の結果を考慮することなく、「これまで常に行ってきたこと」という考え方があるようです。現在多くのプラントが直面している、より厳しい冷却水条件に対処するために、代替材料が利用可能です。
代替金属について議論する前に、もう 1 つの点について簡単に述べておく必要があります。多くの場合、316 SS または 304 SS は、通常の操作では正常に動作しても、停電時に故障します。ほとんどの場合、故障の原因は、凝縮器または熱交換器の排水が不十分で、チューブ内に水が滞留していることです。この環境は、微生物の増殖に理想的な条件を提供します。微生物のコロニーは、次に、チューブ状の金属を直接腐食する腐食性化合物を生成します。
このメカニズムは微生物誘起腐食（MIC）と呼ばれ、数週間以内にステンレス鋼管やその他の金属を破壊することが知られています。熱交換器から水を排出できない場合は、熱交換器を通して定期的に水を循環させ、その過程で殺生物剤を追加することを真剣に検討する必要があります。（適切なレイアップ手順の詳細については、D. Janikowski著「コンデンサーおよびBOP交換器のレイアップ - 考慮事項」を参照してください。2019年6月4日～6日にイリノイ州シャンペーンで開催された第39回電力会社化学シンポジウムで発表されました。）
上で強調した厳しい環境だけでなく、汽水や海水などのより厳しい環境でも、不純物を防ぐために代替金属を使用できます。商業的に純粋なチタン、6%モリブデンオーステナイトステンレス鋼、スーパーフェライトステンレス鋼の3つの合金グループが効果的であることが証明されています。これらの合金はMIC耐性もあります。チタンは耐腐食性が非常に高いと考えられていますが、六方最密充填結晶構造と極端に低い弾性係数により、機械的損傷を受けやすくなります。この合金は、強力なチューブ支持構造を備えた新しい設備に最適です。優れた代替品は、スーパーフェライトステンレス鋼Sea-Cure®です。この材料の組成を以下に示します。
この鋼はクロム含有量が高くニッケル含有量が低いため、オーステナイト系ステンレス鋼ではなくフェライト系ステンレス鋼です。ニッケル含有量が低いため、他の合金に比べてコストが大幅に低くなります。Sea-Cure は強度と弾性率が高いため、他の材料よりも壁を薄くすることができ、熱伝達が向上します。
これらの金属の強化された特性は、「孔食抵抗等価数」チャートに示されています。これは、その名前が示すように、さまざまな金属の孔食に対する耐性を決定するために使用されるテスト手順です。
最も一般的な質問の 1 つは、「特定のグレードのステンレス鋼が許容できる塩化物の最大含有量はどれくらいですか？」です。その答えは多岐にわたります。要因には、pH、温度、亀裂の有無と種類、活性生物種の可能性などがあります。この決定を支援するツールが図 5 の右軸に追加されました。これは、多くの BOP および結露用途 (堆積物の形成と亀裂の形成を防ぐため) で一般的に見られる中性 pH、35°C の流水に基づいています。特定の化学組成を持つ合金を選択すると、PREn を決定し、適切なスラッシュと交差させることができます。次に、右軸に水平線を引くことで、推奨される最大塩化物レベルを決定できます。一般に、合金を汽水または海水用途に検討する場合は、G 48 テストで測定された CCT が 25 ℃ を超える必要があります。
Sea-Cure®に代表されるスーパーフェライト合金は、一般的に海水用途にも適していることは明らかです。しかし、これらの材料には強調すべきもう一つの利点があります。304および316ステンレス鋼では、オハイオ川沿いの工場を含め、長年にわたりマンガン腐食の問題が観察されてきました。最近では、ミシシッピ川とミズーリ川沿いの工場の熱交換器が腐食被害に遭っています。マンガン腐食は、井戸水補給システムでも一般的な問題です。腐食メカニズムは、二酸化マンガン（MnO2）が酸化性殺生物剤と反応し、堆積物の下に塩酸を生成することで特定されています。金属を実際に腐食させるのはHClです。[WH DickinsonおよびRW Pick、「電力業界におけるマンガン依存腐食」、2002年NACE年次腐食会議（コロラド州デンバー）発表] フェライト鋼はこの腐食メカニズムに対して耐性があります。
凝縮器や熱交換器のチューブに高品質の材料を選択しても、適切な水処理化学制御に代わるものではありません。著者であるBueckerが以前の電力工学の記事で概説したように、スケール、腐食、およびファウリングの可能性を最小限に抑えるには、適切に設計および運用された化学処理プログラムが不可欠です。冷却塔システムの腐食とスケールを抑制するために、従来のリン酸/ホスホン酸化学に代わる強力な選択肢として、高分子化学が台頭しています。微生物汚染の制御は、これまでも、そしてこれからも重要な課題であり続けます。塩素、漂白剤、または類似の化合物を用いた酸化化学は微生物制御の基盤ですが、補助的な処理によって処理プログラムの効率が向上することがよくあります。その一例が安定化化学です。これは、水中に有害な化合物を導入することなく、塩素系酸化性殺生物剤の放出速度と効率を高めるのに役立ちます。さらに、非酸化性殺菌剤の補助的な供給は、微生物の増殖を抑制するのに非常に効果的です。結果として、発電所の熱交換器の持続可能性と信頼性を向上させる方法は数多くありますが、すべてのシステムがは異なるため、材料と化学処理手順の選択については、慎重な計画と業界の専門家との協議が重要です。この記事の多くは水処理の観点から書かれていますが、私たちは材料の決定には関与していませんが、機器が稼働したら、それらの決定の影響を管理するよう求められています。材料の選択に関する最終決定は、各アプリケーションに指定されたいくつかの要因に基づいて、工場の担当者が行う必要があります。
著者について: Brad Buecker 氏は ChemTreat のシニア技術広報担当者です。電力業界に 36 年携わった経験があり、その多くは蒸気発生化学、水処理、空気品質管理に関するもので、City Water, Light & Power (イリノイ州スプリングフィールド) および Kansas City Power & Light Company (カンザス州ラ・シン・ステーション) に勤務していました。また、化学工場で水/廃水処理監督者として 2 年間勤務しました。Buecker 氏はアイオワ州立大学で化学の理学士号を取得しており、流体力学、エネルギーと物質の平衡、および高度無機化学のコースも受講しています。
ダン・ジャニコフスキーはプリマス・チューブ社のテクニカル・マネージャーです。35年間、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン、炭素鋼などの金属の開発、管状製品の製造と試験に携わってきました。ジャニコフスキーは2005年からプリマス・メトロに勤務し、2010年にテクニカル・マネージャーに就任するまで、さまざまな上級職を歴任しました。