Panggilan Kandungan Antarabangsa POWERGEN kini dibuka! Kami sedang mencari penceramah daripada industri utiliti dan penjanaan kuasa. Topik termasuk penjanaan kuasa konvensional dan boleh diperbaharui, transformasi digital loji janakuasa, storan tenaga, mikrogrid, pengoptimuman loji, kuasa di tapak dan banyak lagi.
Penulis telah menyemak spesifikasi projek kuasa baharu berkali-kali, di mana pereka loji biasanya memilih keluli tahan karat 304 atau 316 untuk tiub kondenser dan penukar haba tambahan. Bagi kebanyakan orang, istilah keluli tahan karat menimbulkan aura kakisan yang tidak terkalahkan, sedangkan sebenarnya, keluli tahan karat kadangkala boleh menjadi pilihan terburuk kerana ia mudah terdedah kepada kakisan setempat. Dan, dalam era ketersediaan air tawar yang berkurangan ini untuk penyusunan air penyejuk, ditambah pula dengan menara penyejuk yang beroperasi pada kitaran kepekatan tinggi, mekanisme kegagalan keluli tahan karat yang berpotensi diperbesarkan. Dalam sesetengah aplikasi, keluli tahan karat siri 300 hanya akan bertahan selama berbulan-bulan, kadangkala hanya berminggu-minggu, sebelum gagal. Artikel ini memberi tumpuan kepada sekurang-kurangnya isu-isu yang harus dipertimbangkan semasa memilih bahan tiub kondenser dari perspektif rawatan air. Faktor lain yang tidak dibincangkan dalam kertas ini tetapi yang memainkan peranan dalam pemilihan bahan termasuk kekuatan bahan, sifat pemindahan haba dan rintangan terhadap daya mekanikal, termasuk kakisan keletihan dan hakisan.
Menambah 12% atau lebih kromium pada keluli menyebabkan aloi membentuk lapisan oksida berterusan yang melindungi logam asas di bawahnya. Oleh itu, istilah keluli tahan karat muncul. Sekiranya tiada bahan pengaloi lain (terutamanya nikel), keluli karbon adalah sebahagian daripada kumpulan ferit, dan sel unitnya mempunyai struktur kubik berpusatkan badan (BCC).
Apabila nikel ditambah kepada campuran aloi pada kepekatan 8% atau lebih tinggi, walaupun pada suhu ambien, sel tersebut akan wujud dalam struktur kubik berpusat muka (FCC) yang dipanggil austenit.
Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1, keluli tahan karat siri 300 dan keluli tahan karat lain mempunyai kandungan nikel yang menghasilkan struktur austenit.
Keluli austenit telah terbukti sangat berharga dalam banyak aplikasi, termasuk sebagai bahan untuk pemanas lampau suhu tinggi dan tiub pemanas semula dalam dandang kuasa. Siri 300 khususnya sering digunakan sebagai bahan untuk tiub penukar haba suhu rendah, termasuk kondenser permukaan stim. Walau bagaimanapun, dalam aplikasi inilah ramai yang terlepas pandang mekanisme kegagalan yang berpotensi.
Kesukaran utama dengan keluli tahan karat, terutamanya bahan 304 dan 316 yang popular, ialah lapisan oksida pelindung sering dimusnahkan oleh bendasing dalam air penyejuk dan oleh rekahan dan mendapan yang membantu memekatkan bendasing. Selain itu, di bawah keadaan penutupan, air yang bertakung boleh menyebabkan pertumbuhan mikrob, yang hasil sampingan metaboliknya boleh sangat merosakkan logam.
Satu bendasing air penyejuk yang biasa, dan salah satu yang paling sukar untuk disingkirkan secara ekonomi, ialah klorida. Ion ini boleh menyebabkan banyak masalah dalam penjana stim, tetapi dalam kondenser dan penukar haba tambahan, kesukaran utama ialah klorida dalam kepekatan yang mencukupi boleh menembusi dan memusnahkan lapisan oksida pelindung pada keluli tahan karat, menyebabkan kakisan setempat, iaitu lubang.
Lubang besi merupakan salah satu bentuk kakisan yang paling berbahaya kerana ia boleh menyebabkan penembusan dinding dan kegagalan peralatan dengan sedikit kehilangan logam.
Kepekatan klorida tidak semestinya terlalu tinggi untuk menyebabkan kakisan lubang dalam keluli tahan karat 304 dan 316, dan untuk permukaan yang bersih tanpa sebarang mendapan atau rekahan, kepekatan klorida maksimum yang disyorkan kini dianggap sebagai:
Beberapa faktor boleh menghasilkan kepekatan klorida yang melebihi garis panduan ini dengan mudah, secara umum dan di lokasi setempat. Jarang sekali untuk mempertimbangkan penyejukan sekali guna terlebih dahulu untuk loji janakuasa baharu. Kebanyakannya dibina dengan menara penyejuk, atau dalam beberapa kes, kondenser berpendingin udara (ACC). Bagi mereka yang mempunyai menara penyejuk, kepekatan bendasing dalam kosmetik boleh "berkitar naik." Contohnya, lajur dengan kepekatan klorida air gantian sebanyak 50 mg/l beroperasi dengan lima kitaran kepekatan, dan kandungan klorida air yang beredar ialah 250 mg/l. Ini sahaja secara amnya sepatutnya menolak 304 SS. Di samping itu, di loji baharu dan sedia ada, terdapat keperluan yang semakin meningkat untuk menggantikan air tawar untuk pengisian semula loji. Alternatif biasa ialah air sisa perbandaran. Jadual 2 membandingkan analisis empat bekalan air tawar dengan empat bekalan air sisa.
Berhati-hati dengan peningkatan paras klorida (dan bendasing lain, seperti nitrogen dan fosforus, yang boleh meningkatkan pencemaran mikrob dalam sistem penyejukan dengan ketara). Bagi hampir semua air kelabu, sebarang peredaran dalam menara penyejuk akan melebihi had klorida yang disyorkan oleh 316 SS.
Perbincangan sebelumnya adalah berdasarkan potensi kakisan permukaan logam biasa. Rekahan dan sedimen mengubah cerita secara dramatik, kerana kedua-duanya menyediakan tempat di mana bendasing boleh tertumpu. Lokasi tipikal untuk retakan mekanikal dalam kondenser dan penukar haba yang serupa adalah pada persimpangan lembaran tiub-ke-tiub. Sedimen di dalam tiub boleh menyebabkan retakan pada sempadan sedimen, dan sedimen itu sendiri boleh berfungsi sebagai tapak pencemaran. Tambahan pula, kerana keluli tahan karat bergantung pada lapisan oksida berterusan untuk perlindungan, mendapan boleh membentuk tapak miskin oksigen yang mengubah permukaan keluli yang tinggal menjadi anod.
Perbincangan di atas menggariskan isu-isu yang biasanya tidak dipertimbangkan oleh pereka loji apabila menentukan bahan tiub kondenser dan penukar haba tambahan untuk projek baharu. Mentaliti mengenai 304 dan 316 SS kadangkala masih kelihatan seperti "itulah yang selalu kami lakukan" tanpa mempertimbangkan akibat daripada tindakan sedemikian. Bahan alternatif tersedia untuk mengendalikan keadaan air penyejukan yang lebih keras yang dihadapi oleh banyak loji kini.
Sebelum membincangkan logam alternatif, satu lagi perkara perlu dinyatakan secara ringkas. Dalam kebanyakan kes, 316 SS atau 304 SS berfungsi dengan baik semasa operasi biasa, tetapi gagal semasa gangguan bekalan elektrik. Dalam kebanyakan kes, kegagalan adalah disebabkan oleh saliran kondenser atau penukar haba yang lemah yang menyebabkan air bertakung di dalam tiub. Persekitaran ini menyediakan keadaan ideal untuk pertumbuhan mikroorganisma. Koloni mikrob seterusnya menghasilkan sebatian menghakis yang menghakis logam tiub secara langsung.
Mekanisme ini, yang dikenali sebagai kakisan yang disebabkan oleh mikrob (MIC), diketahui memusnahkan paip keluli tahan karat dan logam lain dalam beberapa minggu. Jika penukar haba tidak dapat disalirkan, pertimbangan yang serius harus diberikan kepada peredaran air secara berkala melalui penukar haba dan penambahan biosid semasa proses tersebut. (Untuk butiran lanjut tentang prosedur susun atur yang betul, lihat D. Janikowski, “Melapisi Kondenser dan Penukar BOP – Pertimbangan”; diadakan pada 4-6 Jun 2019 di Champaign, IL Dibentangkan di Simposium Kimia Utiliti Elektrik ke-39.)
Untuk persekitaran keras yang diserlahkan di atas, serta persekitaran yang lebih keras seperti air payau atau air laut, logam alternatif boleh digunakan untuk menangkis kekotoran. Tiga kumpulan aloi telah terbukti berjaya, iaitu titanium tulen secara komersial, keluli tahan karat austenit molibdenum 6% dan keluli tahan karat superferit. Aloi ini juga tahan MIC. Walaupun titanium dianggap sangat tahan terhadap kakisan, struktur kristal heksagonnya yang padat rapat dan modulus elastik yang sangat rendah menjadikannya mudah terdedah kepada kerosakan mekanikal. Aloi ini paling sesuai untuk pemasangan baharu dengan struktur sokongan tiub yang kuat. Alternatif yang sangat baik ialah keluli tahan karat super ferit Sea-Cure®. Komposisi bahan ini ditunjukkan di bawah.
Keluli ini tinggi kromium tetapi rendah nikel, jadi ia adalah keluli tahan karat ferit dan bukannya keluli tahan karat austenit. Disebabkan kandungan nikelnya yang rendah, kosnya jauh lebih rendah daripada aloi lain. Kekuatan tinggi dan modulus elastik Sea-Cure membolehkan dinding yang lebih nipis daripada bahan lain, menghasilkan pemindahan haba yang lebih baik.
Sifat-sifat logam-logam ini yang dipertingkatkan ditunjukkan pada carta “Nombor Setara Rintangan Lubang”, yang, seperti namanya, merupakan prosedur ujian yang digunakan untuk menentukan rintangan pelbagai logam terhadap kakisan lubang.
Salah satu soalan yang paling lazim ialah "Apakah kandungan klorida maksimum yang boleh diterima oleh gred keluli tahan karat tertentu?" Jawapannya sangat berbeza-beza. Faktor-faktor termasuk pH, suhu, kehadiran dan jenis patah tulang, dan potensi spesies biologi aktif. Alat telah ditambah pada paksi kanan Rajah 5 untuk membantu keputusan ini. Ia berdasarkan pH neutral, air mengalir 35°C yang biasa ditemui dalam banyak aplikasi BOP dan pemeluwapan (untuk mencegah pembentukan mendapan dan pembentukan retakan). Sebaik sahaja aloi dengan komposisi kimia tertentu telah dipilih, PREn boleh ditentukan dan kemudian bersilang dengan garis miring yang sesuai. Tahap klorida maksimum yang disyorkan kemudiannya boleh ditentukan dengan melukis garis mendatar pada paksi kanan. Secara amnya, jika aloi hendak dipertimbangkan untuk aplikasi payau atau air laut, ia perlu mempunyai CCT melebihi 25 darjah Celsius seperti yang diukur oleh ujian G 48.
Jelas bahawa aloi super ferit yang diwakili oleh Sea-Cure® secara amnya sesuai untuk aplikasi air laut. Terdapat satu lagi manfaat kepada bahan-bahan ini yang mesti ditekankan. Masalah kakisan mangan telah diperhatikan untuk 304 dan 316 SS selama bertahun-tahun, termasuk di loji di sepanjang Sungai Ohio. Baru-baru ini, penukar haba di loji di sepanjang Sungai Mississippi dan Missouri telah diserang. Kakisan mangan juga merupakan masalah biasa dalam sistem penyusunan air perigi. Mekanisme kakisan telah dikenal pasti sebagai mangan dioksida (MnO2) yang bertindak balas dengan biosida pengoksidaan untuk menghasilkan asid hidroklorik di bawah mendapan. HCl adalah apa yang sebenarnya menyerang logam. [WH Dickinson dan RW Pick, "Kakisan Bergantung pada Mangan dalam Industri Kuasa Elektrik"; dibentangkan di Persidangan Kakisan Tahunan NACE 2002, Denver, CO.] Keluli ferit tahan terhadap mekanisme kakisan ini.
Memilih bahan gred yang lebih tinggi untuk tiub kondenser dan penukar haba masih belum dapat menggantikan kawalan kimia rawatan air yang betul. Seperti yang telah digariskan oleh penulis Buecker dalam artikel kejuruteraan kuasa sebelumnya, program rawatan kimia yang direka bentuk dan dikendalikan dengan betul adalah perlu untuk meminimumkan potensi penskalaan, kakisan dan pengotoran. Kimia polimer muncul sebagai alternatif yang berkuasa kepada kimia fosfat/fosfonat yang lebih lama untuk mengawal kakisan dan penskalaan dalam sistem menara penyejukan. Mengawal pencemaran mikrob telah dan akan terus menjadi isu kritikal. Walaupun kimia oksidatif dengan klorin, peluntur atau sebatian serupa merupakan asas kawalan mikrob, rawatan tambahan selalunya boleh meningkatkan kecekapan program rawatan. Salah satu contohnya ialah kimia penstabilan, yang membantu meningkatkan kadar pelepasan dan kecekapan biosida pengoksidaan berasaskan klorin tanpa memperkenalkan sebarang sebatian berbahaya ke dalam air. Di samping itu, makanan tambahan dengan racun kulat bukan pengoksidaan mungkin sangat bermanfaat dalam mengawal perkembangan mikrob. Hasilnya ialah terdapat banyak cara untuk meningkatkan kemampanan dan kebolehpercayaan penukar haba loji janakuasa, tetapi setiap sistem adalah berbeza, jadi perancangan dan perundingan yang teliti dengan pakar industri adalah penting untuk pilihan bahan dan prosedur kimia. Kebanyakan artikel ini ditulis daripada Dari perspektif rawatan air, kami tidak terlibat dalam keputusan material, tetapi kami diminta untuk membantu menguruskan impak keputusan tersebut sebaik sahaja peralatan siap dan berfungsi. Keputusan muktamad mengenai pemilihan bahan mesti dibuat oleh kakitangan loji berdasarkan beberapa faktor yang dinyatakan untuk setiap aplikasi.
Perihal Pengarang: Brad Buecker ialah seorang Publisiti Teknikal Kanan di ChemTreat. Beliau mempunyai 36 tahun pengalaman dalam atau bergabung dengan industri kuasa, kebanyakannya dalam kimia penjanaan stim, rawatan air, kawalan kualiti udara dan di City Water, Light & Power (Springfield, IL) dan Kansas City Power & Light Company terletak di La Cygne Station, Kansas. Beliau juga menghabiskan dua tahun sebagai pemangku penyelia air/air sisa di sebuah loji kimia. Buecker memegang Ijazah Sarjana Muda Sains dalam Kimia dari Iowa State University dengan kerja kursus tambahan dalam Mekanik Bendalir, Keseimbangan Tenaga dan Bahan serta Kimia Bukan Organik Lanjutan.
Dan Janikowski ialah Pengurus Teknikal di Plymouth Tube. Selama 35 tahun, beliau telah terlibat dalam pembangunan logam, pembuatan dan pengujian produk tiub termasuk aloi kuprum, keluli tahan karat, aloi nikel, titanium dan keluli karbon. Setelah berkhidmat dengan Plymouth Metro sejak tahun 2005, Janikowski memegang pelbagai jawatan kanan sebelum menjadi Pengurus Teknikal pada tahun 2010.