저자는 발전소 설계자가 일반적으로 응축기 및 보조 열교환기 튜빙에 304 또는 316 스테인리스 스틸을 선택하는 새로운 전력 프로젝트 사양을 계속해서 검토했습니다.많은 사람들에게 스테인리스 스틸이라는 용어는 무적의 부식이라는 분위기를 불러일으키지만 실제로 스테인리스 스틸은 국부 부식에 취약하기 때문에 때로는 최악의 선택이 될 수 있습니다.그리고 냉각수 보충을 위한 담수의 가용성이 감소하고 냉각탑이 고농도 사이클로 작동하는 이 시대에 잠재적인 스테인리스 스틸 고장 메커니즘이 확대되었습니다.일부 적용 분야에서 300 시리즈 스테인리스 스틸은 고장이 나기 전에 몇 달, 때로는 몇 주밖에 지속되지 않습니다.이 기사에서는 수처리 관점에서 응축기 튜브 재료를 선택할 때 고려해야 할 문제에 대해 최소한 초점을 맞춥니다.이 기사에서 논의하지는 않지만 재료 선택에 영향을 미치는 다른 요소로는 재료 강도, 열 전달 특성, 피로 및 침식 부식을 포함한 기계적 힘에 대한 저항성이 있습니다.
강철에 12% 이상의 크롬을 첨가하면 합금이 기본 금속을 보호하는 연속적인 산화물 층을 형성합니다.따라서 스테인리스강이라는 용어가 사용됩니다.다른 합금 재료(특히 니켈)가 없는 경우 탄소강은 페라이트 그룹에 속하며 단위 셀은 체심 입방(BCC) 구조를 갖습니다.
합금 혼합물에 니켈을 8% 이상의 농도로 첨가하면 셀은 주변 온도에서도 오스테나이트라고 하는 면심 입방(FCC) 구조로 존재합니다.
표 1에서 볼 수 있듯이, 300 시리즈 스테인리스강과 기타 스테인리스강은 오스테나이트 구조를 생성하는 니켈 함량을 가지고 있습니다.
오스테나이트 강은 전력 보일러의 고온 과열기 및 재가열기 튜브 소재를 포함하여 많은 응용 분야에서 매우 귀중한 것으로 입증되었습니다. 특히 300 시리즈는 증기 표면 응축기를 포함하여 저온 열교환기 튜브 소재로 자주 사용됩니다. 그러나 많은 사람들이 이러한 응용 분야에서 잠재적인 고장 메커니즘을 간과합니다.
스테인리스 스틸, 특히 널리 사용되는 304 및 316 소재의 주요 어려움은 보호 산화층이 냉각수에 있는 불순물과 불순물이 농축되는 데 도움이 되는 틈새와 침전물로 인해 파괴되는 경우가 많다는 것입니다. 또한 정지 조건에서 정체된 물은 미생물 증식으로 이어질 수 있으며, 그 대사 부산물은 금속에 심각한 손상을 줄 수 있습니다.
일반적인 냉각수 불순물 중 하나이며 경제적으로 제거하기 가장 어려운 것 중 하나는 염화물입니다. 이 이온은 증기 발생기에서 많은 문제를 일으킬 수 있지만 응축기와 보조 열교환기에서는 염화물이 충분한 농도로 침투하여 스테인리스 강의 보호 산화층을 파괴하여 국부 부식, 즉 침식을 일으킬 수 있다는 것이 가장 큰 어려움입니다.
침식은 금속 손실이 거의 없이 벽이 관통되거나 장비가 고장나는 등 가장 심각한 부식 형태 중 하나입니다.
304 및 316 스테인리스 스틸에서 점식부식을 일으키려면 염화물 농도가 매우 높을 필요는 없으며, 침전물이나 틈새가 없는 깨끗한 표면의 경우 권장되는 최대 염화물 농도는 다음과 같습니다.
여러 요인으로 인해 일반적으로나 국부적인 위치에서 이러한 지침을 초과하는 염화물 농도가 쉽게 발생할 수 있습니다.새로운 발전소에 대해 일회 통과 냉각을 먼저 고려하는 것은 매우 드물게 되었습니다.대부분 냉각탑이 건설되거나 경우에 따라 공랭식 응축기(ACC)가 건설됩니다.냉각탑이 있는 경우 화장품의 불순물 농도가 "사이클링"될 수 있습니다.예를 들어, 보충수 염화물 농도가 50mg/l인 컬럼은 5번의 농축 사이클로 작동하고 순환수의 염화물 함량은 250mg/l입니다.이것만으로도 일반적으로 304 SS를 배제해야 합니다.또한 신규 및 기존 발전소에서 발전소 재충전을 위해 담수를 ​​교체해야 할 필요성이 증가하고 있습니다.일반적인 대안은 도시 폐수입니다.표 2는 4가지 담수 공급과 4가지 폐수 공급에 대한 분석을 비교합니다.
염화물 수치(및 냉각 시스템의 미생물 오염을 크게 증가시킬 수 있는 질소와 인과 같은 다른 불순물)의 증가에 주의하세요. 기본적으로 모든 회수수의 경우 냉각탑의 모든 순환은 316 SS에서 권장하는 염화물 한도를 초과합니다.
앞서 논의한 내용은 일반적인 금속 표면의 부식 가능성에 대한 것입니다. 균열과 침전물은 불순물이 농축될 수 있는 장소를 제공하기 때문에 이야기를 크게 바꿉니다. 응축기와 유사한 열교환기에서 기계적 균열이 발생하는 일반적인 위치는 튜브와 튜브 시트의 접합부입니다. 튜브 내부의 침전물은 침전물 경계에 균열을 일으킬 수 있으며, 침전물 자체가 오염원으로 작용할 수 있습니다. 또한 스테인리스강은 보호를 위해 연속적인 산화층에 의존하기 때문에 침전물이 산소가 부족한 부위를 형성하여 남아 있는 강철 표면을 양극으로 만들 수 있습니다.
위의 논의는 플랜트 설계자가 새로운 프로젝트에 대한 응축기 및 보조 열교환기 튜브 재료를 지정할 때 일반적으로 고려하지 않는 문제를 개략적으로 설명합니다. 304 및 316 SS에 대한 사고방식은 이러한 조치의 결과를 고려하지 않고 "우리는 항상 그렇게 해왔다"는 것처럼 여전히 보입니다. 현재 많은 플랜트가 직면한 더욱 가혹한 냉각수 조건을 처리할 수 있는 대체 재료가 있습니다.
대체 금속에 대해 논의하기 전에, 잠깐 언급해야 할 점이 있습니다.많은 경우, 316 SS 또는 304 SS는 정상 작동 중에는 잘 작동했지만 정전 중에는 작동하지 않았습니다.대부분의 경우, 고장은 응축기 또는 열교환기의 배수가 잘 안 되어 튜브에 물이 고여 있기 때문입니다.이러한 환경은 미생물이 성장하기에 이상적인 조건을 제공합니다.미생물 군집은 관형 금속을 직접 부식시키는 부식성 화합물을 생성합니다.
미생물에 의한 부식(MIC)으로 알려진 이 메커니즘은 스테인리스강 파이프와 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 레이업 절차에 대한 자세한 내용은 D. Janikowski의 "응축기 및 BOP 교환기 레이업 - 고려 사항"을 참조하십시오. 2019년 6월 4-6일 일리노이주 샴페인에서 개최되었으며, 제39회 전기공사 화학 심포지엄에서 발표되었습니다.)
위에서 강조한 혹독한 환경뿐만 아니라 염수나 바닷물과 같은 더 혹독한 환경에서는 대체 금속을 사용하여 불순물을 막을 수 있습니다.세 가지 합금 그룹이 성공적인 것으로 입증되었는데, 상업적으로 순수한 티타늄, 6% 몰리브덴 오스테나이트계 스테인리스 강, 초페라이트계 스테인리스 강입니다.이러한 합금은 또한 MIC에 강합니다.티타늄은 부식에 매우 강한 것으로 여겨지지만 육방 밀집 결정 구조와 매우 낮은 탄성 계수로 인해 기계적 손상을 받기 쉽습니다.이 합금은 강력한 튜브 지지 구조가 있는 신규 설비에 가장 적합합니다.훌륭한 대안은 초페라이트계 스테인리스 강인 Sea-Cure®입니다.이 재료의 구성은 아래와 같습니다.
이 강철은 크롬 함량이 높고 니켈 함량이 낮아 오스테나이트계 스테인리스 강이 아니라 페라이트계 스테인리스 강입니다. 니켈 함량이 낮아 다른 합금보다 비용이 훨씬 저렴합니다. Sea-Cure는 강도와 탄성 계수가 높아 다른 소재보다 벽을 얇게 만들 수 있어 열 전달이 향상됩니다.
이러한 금속의 향상된 특성은 "피팅 저항성 등가 수치" 차트에 표시되어 있습니다. 이는 이름에서 알 수 있듯이 다양한 금속의 피팅 부식에 대한 저항성을 확인하는 데 사용되는 테스트 절차입니다.
가장 흔한 질문 중 하나는 "특정 등급의 스테인리스강이 허용할 수 있는 최대 염화물 함량은 얼마인가?"입니다.답변은 매우 다양합니다.요인에는 pH, 온도, 균열의 존재 및 유형, 활성 생물종의 가능성이 포함됩니다.이 결정을 돕기 위해 그림 5의 오른쪽 축에 도구가 추가되었습니다.이는 많은 BOP 및 응축 응용 분야에서 일반적으로 발견되는 중성 pH, 35°C의 흐르는 물을 기준으로 합니다(침전물 형성 및 균열 형성 방지).특정 화학 조성을 가진 합금을 선택하면 PREn을 결정한 다음 적절한 슬래시로 교차할 수 있습니다.권장되는 최대 염화물 수준은 오른쪽 축에 수평선을 그려 결정할 수 있습니다.일반적으로 합금을 기수 또는 해수 응용 분야에 고려하려는 경우 G 48 테스트로 측정한 CCT가 25°C 이상이어야 합니다.
Sea-Cure®로 대표되는 초페라이트 합금은 일반적으로 해수 응용 분야에도 적합하다는 것이 분명합니다. 이 재료에는 강조해야 할 또 다른 이점이 있습니다. 오하이오 강을 따라 위치한 발전소를 포함하여 304 및 316 SS에서 수년간 망간 부식 문제가 관찰되어 왔습니다. 최근에는 미시시피 강과 미주리 강을 따라 위치한 발전소의 열교환기가 공격을 받았습니다. 망간 부식은 우물물 보충 시스템에서도 흔한 문제입니다. 부식 메커니즘은 이산화망간(MnO2)이 산화성 살생제와 반응하여 침전물 아래에서 염산을 생성하는 것으로 밝혀졌습니다. HCl이 실제로 금속을 공격합니다. [WH Dickinson 및 RW Pick, "전력 산업의 망간 의존 부식"; 2002년 NACE 연례 부식 컨퍼런스, 콜로라도주 덴버에서 발표] 페라이트 강은 이러한 부식 메커니즘에 대한 내성을 가지고 있습니다.
응축기 및 열교환기 튜브에 고급 재료를 선택하는 것은 여전히 ​​적절한 수처리 화학 제어를 대체할 수 없습니다. 저자 Buecker가 이전 전력 공학 기사에서 설명했듯이 스케일링, 부식 및 파울링 가능성을 최소화하려면 적절하게 설계되고 운영되는 화학 처리 프로그램이 필요합니다. 고분자 화학은 냉각탑 시스템의 부식 및 스케일링을 제어하기 위한 기존 인산염/포스포네이트 화학에 대한 강력한 대안으로 부상하고 있습니다. 미생물 오염 제어는 중요한 문제였으며 앞으로도 계속될 것입니다. 염소, 표백제 또는 유사한 화합물을 사용한 산화 화학이 미생물 제어의 초석이지만 보충 처리를 통해 처리 프로그램의 효율성을 향상시킬 수 있는 경우가 많습니다. 그러한 예 중 하나는 안정화 화학으로, 유해한 화합물을 물에 도입하지 않고 염소 기반 산화 살생제의 방출 속도와 효율성을 높이는 데 도움이 됩니다. 또한 비산화 살균제를 보충 공급하면 미생물 발생을 제어하는 ​​데 매우 유용할 수 있습니다. 결과적으로 발전소 열교환기의 지속 가능성과 신뢰성을 개선하는 방법은 많지만 모든 시스템은 다르므로 신중하게 처리해야 합니다. 재료 및 화학적 절차를 선택하는 데 있어 업계 전문가와의 계획 및 협의가 중요합니다. 이 기사의 대부분은 수처리 관점에서 작성되었으며, 우리는 재료 결정에 관여하지 않지만 장비가 가동되면 해당 결정의 영향을 관리하는 데 도움을 요청드립니다. 재료 선택에 대한 최종 결정은 각 응용 분야에 대해 지정된 여러 요소를 기반으로 공장 직원이 내려야 합니다.
저자 소개: 브래드 뷰커는 ChemTreat의 수석 기술 홍보 담당자입니다. 그는 전력 산업에서 36년의 경험을 가지고 있으며, 그 중 대부분은 증기 발생 화학, 수처리, 대기 질 관리 분야였습니다. City Water, Light & Power(일리노이주 스프링필드)와 Kansas City Power & Light Company(캔자스주 라시뉴 스테이션에 위치)에서 근무했습니다. 그는 또한 화학 공장에서 2년 동안 임시 수처리 관리자로 일했습니다. 뷰커는 아이오와 주립 대학교에서 화학 학사 학위를 취득했으며, 유체 역학, 에너지 및 재료 평형, 고급 무기 화학 과정을 추가로 이수했습니다.
댄 자니코프스키는 플리머스 튜브의 기술 관리자입니다. 그는 35년 동안 구리 합금, 스테인리스 강철, 니켈 합금, 티타늄 및 탄소강을 포함한 금속 개발, 관형 제품의 제조 및 테스트에 참여해 왔습니다. 자니코프스키는 2005년부터 플리머스 메트로에 근무했으며, 2010년 기술 관리자가 되기 전까지 다양한 고위직을 역임했습니다.