POWERGEN Internationalの講演者募集が開始されました！電力会社や発電業界からの講演者を募集しています。テーマは、従来型発電と再生可能エネルギー発電、発電所のデジタル変革、エネルギー貯蔵、マイクログリッド、発電所の最適化、オンサイト発電など多岐にわたります。
著者らは、発電所の設計者が通常、凝縮器および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する、新しい発電プロジェクトの仕様を何度も検討してきた。多くの人にとって、ステンレス鋼という言葉は、腐食に強いというイメージを喚起するが、実際には、ステンレス鋼は局部腐食を起こしやすいため、最悪の選択肢となる場合がある。また、冷却水補給用の真水の入手可能性が低下し、冷却塔が高濃度サイクルで稼働しているこの時代では、ステンレス鋼の潜在的な故障メカニズムが拡大している。用途によっては、300系ステンレス鋼は数ヶ月、場合によっては数週間しか持たずに故障する。この記事では、少なくとも水処理の観点から凝縮器チューブ材料を選択する際に考慮すべき問題に焦点を当てる。本稿では議論されていないが、材料選択に影響を与えるその他の要因には、材料強度、熱伝達特性、疲労や侵食腐食を含む機械的力に対する耐性などがある。
鋼に12%以上のクロムを添加すると、合金中に連続した酸化層が形成され、下地の金属を保護します。これがステンレス鋼と呼ばれる所以です。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に属し、その単位格子は体心立方格子（BCC）構造を持ちます。
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）構造で存在する。
表1に示すように、300系ステンレス鋼およびその他のステンレス鋼は、オーステナイト構造を生成するニッケル含有量を有​​しています。
オーステナイト鋼は、発電用ボイラーの高温過熱器および再熱器チューブの材料としてなど、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。しかし、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がちです。
ステンレス鋼、特に一般的な304および316材料の主な問題点は、保護酸化皮膜が冷却水中の不純物や、不純物を濃縮させる隙間や堆積物によって破壊されやすいことです。さらに、運転停止時には、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。
冷却水によく見られる不純物で、経済的に除去するのが最も難しいものの1つが塩化物イオンです。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、塩化物が十分な濃度になるとステンレス鋼の保護酸化層に浸透して破壊し、局所的な腐食、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にもかかわらず、壁の貫通や機器の故障を引き起こす可能性があるため、最も厄介な腐食形態の一つである。
304および316ステンレス鋼では、塩化物濃度がそれほど高くなくても孔食が発生する可能性があり、堆積物や隙間のない清浄な表面の場合、推奨される最大塩化物濃度は以下のとおりです。
全体的にも局所的にも、いくつかの要因によって塩化物濃度がこれらのガイドラインを超えることが容易に起こり得ます。新規発電所で最初に貫流冷却を検討することは非常にまれになりました。ほとんどの発電所は冷却塔、または場合によっては空冷式凝縮器（ACC）を備えて建設されています。冷却塔を備えた発電所では、化粧品中の不純物の濃度が「上昇」することがあります。たとえば、補給水の塩化物濃度が 50 mg/l のカラムが 5 つの濃縮サイクルで動作し、循環水の塩化物含有量が 250 mg/l になります。これだけでも、一般的に 304 SS は除外されるべきです。さらに、新規および既存の発電所では、発電所の補充のために真水を補充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 つの真水供給源と 4 つの下水供給源の分析を比較しています。
塩化物濃度の上昇（および窒素やリンなどの他の不純物。これらは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があります）に注意してください。ほぼすべての雑排水の場合、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。
前述の議論は、一般的な金属表面の腐食電位に基づいています。亀裂や堆積物は、不純物が集中する場所となるため、状況を劇的に変化させます。凝縮器や同様の熱交換器で機械的亀裂が発生する典型的な場所は、管と管板の接合部です。管内の堆積物は、堆積物の境界で亀裂を発生させる可能性があり、堆積物自体が汚染源となる可能性があります。さらに、ステンレス鋼は保護のために連続的な酸化層に依存しているため、堆積物は酸素の少ない場所を形成し、残りの鋼表面を陽極に変えてしまう可能性があります。
上記の議論では、プラント設計者が新規プロジェクトの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通常考慮しない問題点について概説しました。304および316ステンレス鋼に関しては、いまだに「これまでずっとそうしてきたから」という考え方が根強く残っていますが、そのような行動の結果については考慮されていません。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応できる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点簡単に述べておく必要があります。多くの場合、316 SS や 304 SS は通常運転中は良好な性能を発揮しますが、停電時には故障します。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不良によりチューブ内に水が滞留することです。このような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腐食性化合物を生成し、それが直接チューブ状の金属を腐食させます。
微生物誘発腐食（MIC）として知られるこのメカニズムは、ステンレス鋼管やその他の金属を数週間以内に破壊することが知られています。熱交換器の排水ができない場合は、熱交換器に定期的に水を循環させ、その過程で殺生物剤を添加することを真剣に検討する必要があります。（適切な積層手順の詳細については、D. Janikowski著「コンデンサーおよびBOP熱交換器の積層に関する考慮事項」（2019年6月4日～6日、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にて発表）を参照してください。）
上記で強調した過酷な環境、および汽水や海水などのさらに過酷な環境では、不純物を防ぐために代替金属を使用できます。商業的に純チタン、6%モリブデンオーステナイト系ステンレス鋼、スーパーフェライト系ステンレス鋼の3つの合金グループが成功していることが実証されています。これらの合金はMIC耐性もあります。チタンは腐食に対して非常に耐性があると考えられていますが、六方最密充填結晶構造と極めて低い弾性率のため、機械的損傷を受けやすいです。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系ステンレス鋼のSea-Cure®です。この材料の組成は以下に示されています。
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。ニッケル含有量が少ないため、他の合金よりもコストが大幅に低くなっています。Sea-Cureは強度と弾性率が高いため、他の材料よりも薄い壁で製造でき、熱伝導性が向上します。
これらの金属の強化された特性は、「孔食抵抗当量数」チャートに示されています。このチャートは、その名の通り、様々な金属の孔食に対する耐性を判定するために使用される試験手順です。
最もよくある質問の 1 つは、「特定のグレードのステンレス鋼が許容できる最大塩化物含有量はどれくらいですか?」です。答えは大きく異なります。要因には、pH、温度、亀裂の有無と種類、および活性生物種の可能性が含まれます。この決定を支援するために、図 5 の右軸にツールが追加されました。これは、多くの BOP および凝縮用途 (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 ℃ の流水に基づいています。特定の化学組成の合金が選択されると、PREn が決定され、適切なスラッシュと交差します。推奨される最大塩化物レベルは、右軸に水平線を引くことによって決定できます。一般的に、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® に代表される超フェライト合金は、一般的に海水用途にも適していることは明らかです。これらの材料には、強調すべきもう 1 つの利点があります。オハイオ川沿いの工場を含め、304 および 316 SS では長年にわたりマンガン腐食の問題が観察されています。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されています。マンガン腐食は、井戸水の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て堆積物の下に塩酸を生成することであることが特定されています。HCl が実際に金属を腐食します。[WH Dickinson および RW Pick、「電力産業におけるマンガン依存性腐食」、2002 年 NACE 年次腐食会議、コロラド州デンバーで発表。] 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。
凝縮器および熱交換器チューブに高グレードの材料を選択しても、適切な水処理化学制御の代わりにはなりません。著者ビューカー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、および汚染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必要です。ポリマー化学は、冷却塔システムの腐食とスケールを制御するために、従来のリン酸塩/ホスホン酸塩化学に代わる強力な代替手段として登場しています。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問題です。塩素、漂白剤、または同様の化合物による酸化化学は微生物制御の要ですが、補助処理によって処理プログラムの効率を向上させることができます。そのような例の1つが安定化化学であり、有害な化合物を水中に導入することなく、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供給は、微生物の発達を制御するのに非常に有益である可能性があります。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、すべてのシステムは異なります。そのため、材料や化学処理方法の選択には、綿密な計画と業界の専門家との協議が重要です。この記事の大部分は水処理の観点から書かれており、私たちは材料の決定には関与していませんが、機器が稼働を開始した後、それらの決定の影響を管理するよう依頼されています。材料の選択に関する最終決定は、各用途に指定された多くの要素に基づいて、プラント担当者が行う必要があります。
著者について：ブラッド・ビューカーは、ChemTreatのシニアテクニカルパブリシストです。彼は電力業界で36年の経験を持ち、その多くは蒸気発生化学、水処理、大気質管理、およびシティ・ウォーター・ライト・アンド・パワー（イリノイ州スプリングフィールド）とカンザスシティ・パワー・アンド・ライト・カンパニー（カンザス州ラ・シーニュ発電所）での勤務です。また、化学工場で2年間、水処理・廃水処理の監督代理を務めました。ビューカー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追加コースを受講しています。
ダン・ヤニコスキーはプリマス・チューブの技術マネージャーです。彼は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、管状製品の製造および試験に携わってきました。2005年からプリマス・メトロに勤務しており、2010年に技術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。