Autori atkal un atkal ir pārskatījuši jaunas enerģijas projektu specifikācijas, kurās iekārtu projektētāji kondensatora un papildu siltummaiņa caurulēm parasti izvēlas 304 vai 316 nerūsējošo tēraudu. Daudziem termins "nerūsējošais tērauds" rada neuzvaramas korozijas auru, lai gan patiesībā nerūsējošais tērauds dažreiz var būt sliktākā izvēle, jo tas ir uzņēmīgs pret lokālu koroziju. Un šajā laikmetā, kad dzesēšanas ūdens papildināšanai ir samazināta saldūdens pieejamība, kā arī dzesēšanas torņi darbojas ar augstas koncentrācijas cikliem, potenciālie nerūsējošā tērauda bojājumu mehānismi ir pastiprinājušies. Dažos pielietojumos 300. sērijas nerūsējošais tērauds var izturēt tikai mēnešus, dažreiz tikai nedēļas, pirms sabojājas. Šajā rakstā uzmanība pievērsta vismaz tiem jautājumiem, kas jāņem vērā, izvēloties kondensatora cauruļu materiālus no ūdens attīrīšanas viedokļa. Citi faktori, kas šajā rakstā nav apspriesti, bet kuriem ir nozīme materiāla izvēlē, ir materiāla izturība, siltuma pārneses īpašības un izturība pret mehāniskiem spēkiem, tostarp noguruma un erozijas koroziju.
Pievienojot tēraudam 12% vai vairāk hroma, sakausējums veido nepārtrauktu oksīda slāni, kas aizsargā zem tā esošo pamatmetālu. Līdz ar to termins "nerūsējošais tērauds". Ja nav citu leģējošo materiālu (īpaši niķeļa), oglekļa tērauds pieder pie ferītu grupas, un tā elementāršūnai ir ķermeņa centrēta kubiskā (BCC) struktūra.
Kad sakausējuma maisījumam pievieno niķeli 8% vai lielākā koncentrācijā, šūna pat apkārtējās vides temperatūrā veidos uz virsmu centrētu kubisku (FCC) struktūru, ko sauc par austenītu.
Kā parādīts 1. tabulā, 300. sērijas nerūsējošajiem tēraudiem un citiem nerūsējošajiem tēraudiem ir niķeļa saturs, kas rada austenīta struktūru.
Austenīta tēraudi ir izrādījušies ļoti vērtīgi daudzos pielietojumos, tostarp kā materiāls augstas temperatūras pārkarsētāja un pārkarsētāja caurulēm enerģijas katlos. Īpaši 300. sērija bieži tiek izmantota kā materiāls zemas temperatūras siltummaiņa caurulēm, tostarp tvaika virsmas kondensatoriem. Tomēr tieši šajos pielietojumos daudzi ignorē iespējamos bojājumu mehānismus.
Galvenās grūtības ar nerūsējošo tēraudu, īpaši populārajiem 304 un 316 materiāliem, ir tādas, ka aizsargājošo oksīda slāni bieži iznīcina dzesēšanas ūdenī esošie piemaisījumi, kā arī plaisas un nogulsnes, kas palīdz koncentrēt piemaisījumus. Turklāt, ja iekārta ir izslēgta, stāvošs ūdens var izraisīt mikrobu augšanu, kuru vielmaiņas blakusprodukti var būt ļoti kaitīgi metāliem.
Bieži sastopams dzesēšanas ūdens piemaisījums un viens no grūtāk ekonomiski noņemamajiem ir hlorīds. Šis jons var radīt daudzas problēmas tvaika ģeneratoros, bet kondensatoros un papildu siltummaiņos galvenā problēma ir tā, ka pietiekamā koncentrācijā hlorīdi var iekļūt un iznīcināt nerūsējošā tērauda aizsargoksīda slāni, izraisot lokalizētu koroziju, t. i., punktveida koroziju.
Punktveida korozija ir viena no viltīgākajām korozijas formām, jo ​​tā var izraisīt sienu iekļūšanu un iekārtu bojājumus ar nelieliem metāla zudumiem.
Hlorīdu koncentrācijai nav jābūt ļoti augstai, lai 304 un 316 nerūsējošajā tēraudā izraisītu punktveida koroziju, un tīrām virsmām bez nogulsnēm vai plaisām ieteicamās maksimālās hlorīdu koncentrācijas tagad tiek uzskatītas par:
Vairāki faktori var viegli radīt hlorīdu koncentrācijas, kas pārsniedz šīs vadlīnijas, gan kopumā, gan lokalizētās vietās. Jaunām elektrostacijām ir kļuvis ļoti reti vispirms apsvērt vienreizējas dzesēšanas iespējas. Lielākā daļa ir būvētas ar dzesēšanas torņiem vai dažos gadījumos ar gaisa dzesēšanas kondensatoriem (ACC). Elektrostacijām ar dzesēšanas torņiem kosmētikas piemaisījumu koncentrācija var "cikliski pieaugt". Piemēram, kolonna ar papildūdens hlorīdu koncentrāciju 50 mg/l darbojas ar pieciem koncentrācijas cikliem, un cirkulējošā ūdens hlorīdu saturs ir 250 mg/l. Tas vien parasti izslēdz 304 SS. Turklāt jaunās un esošajās iekārtās arvien vairāk ir jāaizstāj saldūdens iekārtu papildināšanai. Izplatīta alternatīva ir komunālie notekūdeņi. 2. tabulā ir salīdzināta četru saldūdens piegāžu analīze ar četrām notekūdeņu piegādēm.
Pievērsiet uzmanību paaugstinātam hlorīdu līmenim (un citiem piemaisījumiem, piemēram, slāpeklim un fosforam, kas var ievērojami palielināt mikrobu piesārņojumu dzesēšanas sistēmās). Gandrīz visiem pelēkajiem ūdeņiem jebkura cirkulācija dzesēšanas tornī pārsniegs 316 SS ieteikto hlorīdu robežvērtību.
Iepriekšējā diskusija ir balstīta uz parasto metālu virsmu korozijas potenciālu. Plaisas un nogulsnes krasi maina situāciju, jo abas nodrošina vietas, kur var koncentrēties piemaisījumi. Tipiska mehānisku plaisu vieta kondensatoros un līdzīgos siltummaiņos ir cauruļu lokšņu savienojumos. Nogulsnes caurulē var radīt plaisas nogulumu robežās, un pašas nogulsnes var kalpot par piesārņojuma vietu. Turklāt, tā kā nerūsējošā tērauda aizsardzībai ir nepieciešams nepārtraukts oksīda slānis, nogulsnes var veidot skābekļa nabadzīgas vietas, kas pārvērš atlikušo tērauda virsmu par anodu.
Iepriekš minētajā diskusijā ir izklāstīti jautājumi, kurus rūpnīcu projektētāji parasti neņem vērā, nosakot kondensatora un papildu siltummaiņa cauruļu materiālus jauniem projektiem. Attiecībā uz 304 un 316 SS dažreiz joprojām šķiet, ka "tā mēs vienmēr esam darījuši", neņemot vērā šādu darbību sekas. Ir pieejami alternatīvi materiāli, lai tiktu galā ar skarbākajiem dzesēšanas ūdens apstākļiem, ar kuriem tagad saskaras daudzas rūpnīcas.
Pirms alternatīvo metālu apspriešanas īsumā jānorāda vēl viens aspekts. Daudzos gadījumos 316. vai pat 304. nerūsējošā tērauda tērauds normālas darbības laikā darbojās labi, taču strāvas padeves pārtraukuma laikā tas sabojājās. Vairumā gadījumu kļūme rodas sliktas kondensatora vai siltummaiņa drenāžas dēļ, kas izraisa ūdens stagnāciju caurulēs. Šī vide nodrošina ideālus apstākļus mikroorganismu augšanai. Savukārt mikrobu kolonijas rada kodīgus savienojumus, kas tieši korodē cauruļveida metālu.
Šis mehānisms, kas pazīstams kā mikrobu izraisīta korozija (MIC), dažu nedēļu laikā iznīcina nerūsējošā tērauda caurules un citus metālus. Ja siltummaini nevar iztukšot, nopietni jāapsver periodiska ūdens cirkulācija caur siltummaini un biocīda pievienošana procesa laikā. (Sīkāku informāciju par pareizām slāņošanas procedūrām skatiet D. Janikovska rakstā “Kondensatora un BOP siltummaiņu slāņošana – apsvērumi”, kas notika 2019. gada 4.–6. jūnijā Šampeinā, Ilinoisā, un tika prezentēts 39. Elektroenerģijas uzņēmumu ķīmijas simpozijā.)
Iepriekš minētajās skarbajās vidēs, kā arī skarbākās vidēs, piemēram, iesāļūdenī vai jūras ūdenī, piemaisījumu atvairīšanai var izmantot alternatīvus metālus. Trīs sakausējumu grupas ir pierādījušas savu efektivitāti: komerciāli tīrs titāns, 6 % molibdēna austenīta nerūsējošais tērauds un superferītiskais nerūsējošais tērauds. Šie sakausējumi ir arī MIC izturīgi. Lai gan titāns tiek uzskatīts par ļoti izturīgu pret koroziju, tā sešstūrainā, blīvi iepakotā kristāliskā struktūra un ārkārtīgi zemais elastības modulis padara to jutīgu pret mehāniskiem bojājumiem. Šis sakausējums ir vispiemērotākais jaunām instalācijām ar izturīgām cauruļu atbalsta konstrukcijām. Lieliska alternatīva ir superferītiskais nerūsējošais tērauds Sea-Cure®. Šī materiāla sastāvs ir parādīts zemāk.
Tēraudam ir augsts hroma saturs, bet zems niķeļa saturs, tāpēc tas ir ferīta nerūsējošais tērauds, nevis austenīta nerūsējošais tērauds. Zemā niķeļa satura dēļ tas maksā daudz mazāk nekā citi sakausējumi. Sea-Cure augstā izturība un elastības modulis ļauj iegūt plānākas sienas nekā citiem materiāliem, kā rezultātā uzlabojas siltuma pārnese.
Šo metālu uzlabotās īpašības ir parādītas diagrammā “Punktu korozijas izturības ekvivalentais skaitlis”, kas, kā norāda nosaukums, ir testēšanas procedūra, ko izmanto, lai noteiktu dažādu metālu izturību pret punktveida koroziju.
Viens no visbiežāk uzdotajiem jautājumiem ir: "Kāds ir maksimālais hlorīdu saturs, ko var izturēt konkrēta nerūsējošā tērauda klase?" Atbildes ir ļoti dažādas. Faktori ietver pH, temperatūru, lūzumu klātbūtni un veidu, kā arī aktīvo bioloģisko sugu potenciālu. 5. attēla labajā asī ir pievienots rīks, lai palīdzētu pieņemt šo lēmumu. Tas ir balstīts uz neitrālu pH, 35 °C plūstošu ūdeni, kas parasti ir sastopams daudzos BOP un kondensācijas pielietojumos (lai novērstu nogulšņu veidošanos un plaisu veidošanos). Kad ir izvēlēts sakausējums ar noteiktu ķīmisko sastāvu, var noteikt PREn un pēc tam to šķērsot ar atbilstošu slīpsvītru. Ieteicamo maksimālo hlorīdu līmeni pēc tam var noteikt, novelkot horizontālu līniju labajā asī. Kopumā, ja sakausējumu paredzēts izmantot iesāļā vai jūras ūdenī, tā CCT ir jābūt virs 25 grādiem pēc Celsija, mērot ar G 48 testu.
Ir skaidrs, ka Sea-Cure® pārstāvētie superferīta sakausējumi parasti ir piemēroti pat jūras ūdens pielietojumiem. Šiem materiāliem ir vēl viena priekšrocība, kas jāuzsver. Daudzus gadus 304 un 316 SS ir novērotas mangāna korozijas problēmas, tostarp rūpnīcās gar Ohaio upi. Nesen ir apdraudēti siltummaiņi rūpnīcās gar Misisipi un Misūri upēm. Mangāna korozija ir arī izplatīta problēma aku ūdens papildināšanas sistēmās. Korozijas mehānisms ir identificēts kā mangāna dioksīda (MnO2) reakcija ar oksidējošu biocīdu, veidojot sālsskābi zem nogulsnēm. HCl ir tas, kas patiesībā bojā metālus. [WH Dickinson un RW Pick, "Mangāna atkarīgā korozija elektroenerģijas nozarē"; prezentēts 2002. gada NACE ikgadējā korozijas konferencē Denverā, Kolorādo.] Ferīta tēraudi ir izturīgi pret šo korozijas mehānismu.
Augstākas kvalitātes materiālu izvēle kondensatora un siltummaiņa caurulēm joprojām neaizstāj pareizu ūdens attīrīšanas ķīmijas kontroli. Kā autors Bueckers ir norādījis iepriekšējā enerģētikas rakstā, ir nepieciešama pareizi izstrādāta un darbināta ķīmiskās attīrīšanas programma, lai samazinātu katlakmens, korozijas un piesārņojuma iespējamību. Polimēru ķīmija kļūst par spēcīgu alternatīvu vecākajai fosfātu/fosfonātu ķīmijai, lai kontrolētu koroziju un katlakmens veidošanos dzesēšanas torņu sistēmās. Mikrobu piesārņojuma kontrole ir bijusi un turpinās būt kritisks jautājums. Lai gan oksidatīvā ķīmija ar hloru, balinātāju vai līdzīgiem savienojumiem ir mikrobu kontroles stūrakmens, papildu apstrāde bieži vien var uzlabot attīrīšanas programmu efektivitāti. Viens no šādiem piemēriem ir stabilizācijas ķīmija, kas palīdz palielināt uz hlora bāzes veidoto oksidējošo biocīdu izdalīšanās ātrumu un efektivitāti, neieviešot ūdenī nekādus kaitīgus savienojumus. Turklāt papildu barība ar neoksidējošiem fungicīdiem var būt ļoti noderīga mikrobu attīstības kontrolēšanā. Rezultātā ir daudz veidu, kā uzlabot elektrostaciju siltummaiņu ilgtspējību un uzticamību, taču katra sistēma ir atšķirīga, tāpēc rūpīga plānošana un konsultācijas ar nozares ekspertiem ir svarīgas materiālu un ķīmisko procedūru izvēlē. Liela daļa šī raksta ir rakstīta no ūdens attīrīšanas viedokļa, mēs... neesam iesaistīti lēmumu pieņemšanā par materiāliem, taču mums tiek lūgts palīdzēt pārvaldīt šo lēmumu ietekmi, kad iekārtas būs nodotas ekspluatācijā. Galīgo lēmumu par materiālu izvēli pieņem rūpnīcas personāls, pamatojoties uz vairākiem faktoriem, kas norādīti katram pielietojumam.
Par autoru: Breds Bjūkers ir vecākais tehniskais publicists uzņēmumā ChemTreat. Viņam ir 36 gadu pieredze enerģētikas nozarē vai ar to saistītā jomā, lielākoties tvaika ražošanas ķīmijā, ūdens attīrīšanā, gaisa kvalitātes kontrolē un uzņēmumā City Water, Light & Power (Springfīlda, Ilinoisa), un Kansas City Power & Light Company atrodas La Cygne stacijā, Kanzasā. Viņš arī divus gadus strādāja par ūdens/notekūdeņu uzrauga pienākumu izpildītāju ķīmiskajā rūpnīcā. Bjūkeram ir ķīmijas bakalaura grāds no Aiovas štata universitātes ar papildu studiju kursiem šķidrumu mehānikā, enerģijas un materiālu līdzsvarā un padziļinātajā neorganiskajā ķīmijā.
Dens Janikovskis ir tehniskais vadītājs uzņēmumā Plymouth Tube. 35 gadus viņš ir bijis iesaistīts metālu izstrādē, cauruļveida izstrādājumu, tostarp vara sakausējumu, nerūsējošā tērauda, ​​niķeļa sakausējumu, titāna un oglekļa tērauda, ​​ražošanā un testēšanā. Kopš 2005. gada Janikovskis strādā Plymouth Metro un ieņēma dažādus vadošus amatus, pirms 2010. gadā kļuva par tehnisko vadītāju.