POWERGEN International의 강연자 모집이 시작되었습니다! 전력 및 발전 업계의 연사를 찾고 있습니다. 주제는 기존 및 신재생 에너지 발전, 발전소의 디지털 전환, 에너지 저장, 마이크로그리드, 발전소 최적화, 현장 발전 등을 포함합니다.
저자들은 발전소 설계자들이 일반적으로 응축기 및 보조 열교환기 배관에 304 또는 316 스테인리스강을 선택하는 새로운 발전소 프로젝트 사양을 수없이 검토해 왔습니다. 많은 사람들에게 스테인리스강이라는 단어는 부식에 강하다는 인상을 주지만, 실제로는 국부 부식에 취약하기 때문에 최악의 선택이 될 수도 있습니다. 특히 냉각수 보충을 위한 담수 공급이 줄어들고 냉각탑이 고농도 사이클로 작동하는 현 상황에서는 스테인리스강의 잠재적인 고장 메커니즘이 더욱 증폭됩니다. 어떤 경우에는 300 시리즈 스테인리스강이 몇 달, 심지어 몇 주 만에 고장 나는 경우도 있습니다. 이 글에서는 수처리 관점에서 응축기 배관 재료를 선택할 때 고려해야 할 사항들을 중점적으로 다룹니다. 이 글에서 다루지 않았지만 재료 선택에 영향을 미치는 다른 요소로는 재료 강도, 열 전달 특성, 피로 및 침식 부식을 포함한 기계적 하중에 대한 저항성이 있습니다.
강철에 크롬을 12% 이상 첨가하면 합금에 연속적인 산화층이 형성되어 아래쪽의 기본 금속을 보호합니다. 이것이 바로 스테인리스강이라는 용어의 유래입니다. 다른 합금 재료(특히 니켈)가 없을 경우, 탄소강은 페라이트족에 속하며 단위 격자는 체심 입방(BCC) 구조를 가집니다.
니켈을 합금 혼합물에 8% 이상의 농도로 첨가하면 상온에서도 전계는 오스테나이트라고 불리는 면심 입방(FCC) 구조로 존재합니다.
표 1에서 볼 수 있듯이, 300 시리즈 스테인리스강을 비롯한 다른 스테인리스강들은 오스테나이트 구조를 형성하는 니켈 함량을 가지고 있습니다.
오스테나이트계 강은 발전용 보일러의 고온 과열기 및 재열기 튜브를 비롯한 다양한 용도에서 매우 유용한 재료로 입증되었습니다. 특히 300 시리즈는 증기 표면 응축기를 포함한 저온 열교환기 튜브 재료로 자주 사용됩니다. 그러나 이러한 용도에서 잠재적인 고장 메커니즘을 간과하는 경우가 많습니다.
스테인리스강, 특히 널리 사용되는 304 및 316 재질의 주요 문제점은 냉각수 속 불순물과 불순물 농축을 유발하는 틈새 및 침전물로 인해 보호 산화막이 쉽게 파괴된다는 것입니다. 또한, 가동 중단 시 고여 있는 물은 미생물 번식을 촉진하고, 미생물의 대사 산물은 금속에 심각한 손상을 줄 수 있습니다.
냉각수에서 흔히 발견되는 불순물 중 하나이자 경제적으로 제거하기 가장 어려운 불순물 중 하나는 염화물입니다. 이 이온은 증기 발생기에서 여러 문제를 일으킬 수 있지만, 응축기 및 보조 열교환기에서는 특히 고농도의 염화물이 스테인리스강의 보호 산화막을 침투하여 파괴하고 국부 부식, 즉 점식 부식을 유발하는 것이 주요 문제입니다.
점식 부식은 금속 손실이 거의 없이 벽 관통 및 장비 고장을 유발할 수 있기 때문에 가장 ковар한 부식 형태 중 하나입니다.
304 및 316 스테인리스강에서 공식 부식을 일으키는 데 염화물 농도가 매우 높을 필요는 없으며, 침전물이나 틈새가 없는 깨끗한 표면의 경우 권장되는 최대 염화물 농도는 다음과 같습니다.
여러 요인으로 인해 염화물 농도가 이러한 지침을 초과하는 경우가 흔히 발생하며, 이는 일반적인 상황뿐만 아니라 특정 지역에서도 마찬가지입니다. 신규 발전소 건설 시 일회성 냉각 방식을 우선적으로 고려하는 경우는 매우 드뭅니다. 대부분의 발전소는 냉각탑 또는 공랭식 응축기(ACC)를 사용하여 건설됩니다. 냉각탑을 사용하는 경우, 보충수 내 불순물 농도가 순환 과정에서 증가할 수 있습니다. 예를 들어, 보충수 염화물 농도가 50mg/l인 컬럼이 5회 농축 사이클을 거치면 순환수의 염화물 함량은 250mg/l가 됩니다. 이 경우 일반적으로 304 SS(스테인리스강) 사용은 배제해야 합니다. 또한, 신규 및 기존 발전소에서 발전소 재충전을 위한 담수 대체재의 필요성이 증가하고 있습니다. 일반적인 대안은 도시 하수입니다. 표 2는 4가지 담수 공급원과 4가지 하수 공급원의 분석 결과를 비교합니다.
염화물 수치 증가(및 질소, 인과 같은 기타 불순물 증가)에 주의하십시오. 이러한 불순물은 냉각 시스템의 미생물 오염을 크게 증가시킬 수 있습니다. 사실상 모든 생활하수는 냉각탑 내 순환 과정에서 316 SS에서 권장하는 염화물 한도를 초과하게 됩니다.
앞서 논의는 일반적인 금속 표면의 부식 가능성을 바탕으로 했습니다. 균열과 침전물은 상황을 완전히 바꿔놓는데, 둘 다 불순물이 집중될 수 있는 장소를 제공하기 때문입니다. 응축기 및 유사한 열교환기에서 기계적 균열이 발생하는 일반적인 위치는 튜브와 튜브 시트의 접합부입니다. 튜브 내부의 침전물은 침전물 경계면에서 균열을 일으킬 수 있으며, 침전물 자체도 오염원이 될 수 있습니다. 더욱이 스테인리스강은 보호를 위해 연속적인 산화층에 의존하기 때문에, 침전물은 산소가 부족한 부위를 형성하여 남은 강철 표면을 양극으로 만들 수 있습니다.
위에서 살펴본 내용은 신규 플랜트 설계 시 응축기 및 보조 열교환기 튜브 재질을 지정할 때 설계자들이 일반적으로 고려하지 않는 문제점들을 요약한 것입니다. 304 및 316 스테인리스강에 대한 고집스러운 사고방식은 여전히 ​​"늘 이렇게 해왔으니까"라는 생각으로, 이러한 선택이 가져올 결과를 고려하지 않는 경우가 많습니다. 하지만 현재 많은 플랜트에서 직면하고 있는 더욱 가혹한 냉각수 조건을 견딜 수 있는 대체 재질들이 존재합니다.
대체 금속에 대해 논의하기 전에 한 가지 중요한 점을 간략히 언급해야 합니다. 많은 경우 316 스테인리스강이나 304 스테인리스강은 정상 작동 시에는 우수한 성능을 보였지만, 정전 시에는 제 기능을 하지 못했습니다. 이러한 고장의 대부분은 응축기 또는 열교환기의 배수 불량으로 인해 튜브 내부에 물이 고여 미생물이 번식하기에 이상적인 환경을 조성하기 때문입니다. 미생물 군집은 부식성 물질을 생성하여 튜브 금속을 직접 부식시킵니다.
미생물 유도 부식(MIC)으로 알려진 이 메커니즘은 스테인리스강 파이프 및 기타 금속을 몇 주 안에 파괴하는 것으로 알려져 있습니다. 열교환기를 배수할 수 없는 경우, 열교환기에 주기적으로 물을 순환시키고 그 과정에서 살균제를 첨가하는 것을 진지하게 고려해야 합니다. (적절한 보관 절차에 대한 자세한 내용은 D. Janikowski의 "응축기 및 BOP 열교환기 적층 - 고려 사항" (2019년 6월 4~6일 일리노이주 샴페인에서 개최된 제39회 전력 유틸리티 화학 심포지엄 발표)을 참조하십시오.)
위에 언급된 가혹한 환경은 물론 염수나 해수와 같은 더욱 가혹한 환경에서는 불순물을 방지하기 위해 대체 금속을 사용할 수 있습니다. 상업용 순수 티타늄, 6% 몰리브덴 오스테나이트 스테인리스강, 초페라이트 스테인리스강의 세 가지 합금 그룹이 효과적인 것으로 입증되었습니다. 이러한 합금은 MIC(미생물 부식)에도 강합니다. 티타늄은 내식성이 매우 뛰어난 것으로 알려져 있지만, 육방정계 밀집 결정 구조와 극히 낮은 탄성 계수로 인해 기계적 손상에 취약합니다. 이 합금은 견고한 튜브 지지 구조를 갖춘 신규 설비에 가장 적합합니다. 훌륭한 대안으로는 초페라이트 스테인리스강인 Sea-Cure®가 있습니다. 이 소재의 구성은 아래와 같습니다.
이 강철은 크롬 함량은 높지만 니켈 함량은 낮아 오스테나이트계 스테인리스강이 아닌 페라이트계 스테인리스강입니다. 니켈 함량이 낮기 때문에 다른 합금보다 가격이 훨씬 저렴합니다. Sea-Cure는 높은 강도와 ​​탄성 계수를 가지고 있어 다른 재료보다 벽 두께를 얇게 할 수 있으므로 열 전달 효율이 향상됩니다.
이러한 금속의 향상된 특성은 "내식성 등가 수치" 차트에 나타나 있으며, 이름에서 알 수 있듯이 이 차트는 다양한 금속의 내식성을 측정하는 데 사용되는 시험 절차입니다.
가장 흔한 질문 중 하나는 "특정 등급의 스테인리스강이 견딜 수 있는 최대 염화물 함량은 얼마입니까?"입니다. 답변은 매우 다양합니다. pH, 온도, 균열의 유무 및 유형, 활성 생물종의 존재 가능성 등 여러 요인이 작용합니다. 그림 5의 오른쪽 축에 이러한 결정을 돕기 위한 도구가 추가되었습니다. 이 도구는 많은 BOP 및 응축 응용 분야에서 흔히 볼 수 있는 중성 pH, 35°C의 유수 조건(침전물 형성 및 균열 형성 방지)을 기반으로 합니다. 특정 화학 조성을 가진 합금을 선택한 후 PREn 값을 확인하고 해당 슬래시와 교차시킵니다. 그런 다음 오른쪽 축에 수평선을 그려 권장 최대 염화물 수준을 결정할 수 있습니다. 일반적으로 염수 또는 해수 응용 분야에 사용할 합금은 G 48 테스트로 측정했을 때 CCT가 25°C 이상이어야 합니다.
Sea-Cure®로 대표되는 초페라이트 합금은 해수 환경에도 일반적으로 적합하다는 것이 분명합니다. 이러한 재료의 또 다른 중요한 이점을 강조해야 합니다. 304 및 316 스테인리스강에서는 오하이오 강 유역의 발전소를 포함하여 수년간 망간 부식 문제가 관찰되어 왔습니다. 최근에는 미시시피 강과 미주리 강 유역의 발전소 열교환기에서도 망간 부식이 발생했습니다. 망간 부식은 지하수 보충 시스템에서도 흔히 발생하는 문제입니다. 부식 메커니즘은 이산화망간(MnO2)이 산화성 살균제와 반응하여 침전물 아래에서 염산을 생성하는 것으로 밝혀졌습니다. 이 염산이 실제로 금속을 부식시키는 원인입니다. [WH Dickinson 및 RW Pick, "전력 산업의 망간 의존성 부식"; 2002년 NACE 연례 부식 학회 발표, 덴버, 콜로라도] 페라이트강은 이러한 부식 메커니즘에 대한 저항성이 뛰어납니다.
응축기 및 열교환기 튜브에 고급 재료를 선택하는 것만으로는 적절한 수처리 화학 제어를 대체할 수 없습니다. 저자 Buecker가 이전 발전 공학 기사에서 설명했듯이, 스케일, 부식 및 파울링 발생 가능성을 최소화하려면 적절하게 설계되고 운영되는 화학 처리 프로그램이 필수적입니다. 고분자 화학은 냉각탑 시스템의 부식 및 스케일 제어를 위한 기존 인산염/포스포네이트 화학의 강력한 대안으로 부상하고 있습니다. 미생물 오염 제어는 과거에도 중요했으며 앞으로도 중요한 문제로 남을 것입니다. 염소, 표백제 또는 유사 화합물을 이용한 산화 화학이 미생물 제어의 핵심이지만, 보조 처리를 통해 처리 프로그램의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 안정화 화학은 유해 화합물을 물에 유입시키지 않고 염소계 산화성 살균제의 방출 속도와 효율성을 높이는 데 도움이 됩니다. 또한 비산화성 살균제를 추가로 투입하는 것도 미생물 증식 제어에 매우 효과적일 수 있습니다. 결과적으로 발전소 열교환기의 지속 가능성과 신뢰성을 향상시키는 방법은 다양하지만, 모든 시스템은 다르므로 신중한 계획과 전문가와의 상담이 필요합니다. 업계 전문가와의 협의는 재료 및 화학적 공정 선택에 있어 중요합니다. 이 글의 대부분은 수처리 관점에서 작성되었으며, 저희는 재료 선택에는 직접 관여하지 않지만, 장비 가동 후 이러한 결정이 미치는 영향을 관리하는 데 도움을 요청받습니다. 재료 선택에 대한 최종 결정은 각 적용 분야에 명시된 여러 요소를 고려하여 공장 담당자가 내려야 합니다.
저자 소개: 브래드 뷰커는 ChemTreat의 수석 기술 홍보 담당자입니다. 그는 발전 산업 분야에서 36년간 경력을 쌓았으며, 특히 증기 발생 화학, 수처리, 대기질 관리 분야에서 많은 시간을 보냈습니다. 스프링필드 시립 상수도공사(City Water, Light & Power)와 캔자스주 라시뉴 발전소에 위치한 캔자스시티 전력공사(Kansas City Power & Light Company)에서 근무한 경력이 있습니다. 또한 화학 공장에서 2년간 수처리/폐수처리 감독관 대행으로 근무한 경험도 있습니다. 뷰커는 아이오와 주립대학교에서 화학 학사 학위를 받았으며, 유체역학, 에너지 및 물질 평형, 고급 무기화학 과목을 추가로 이수했습니다.
댄 야니코프스키는 플리머스 튜브의 기술 관리자입니다. 그는 35년간 구리 합금, 스테인리스강, 니켈 합금, 티타늄 및 탄소강을 포함한 금속 개발, 관형 제품 제조 및 테스트 분야에 종사해 왔습니다. 2005년부터 플리머스 메트로에 재직해 온 야니코프스키는 2010년 기술 관리자가 되기 전까지 다양한 고위직을 역임했습니다.