De POWERGEN International Call for Content is nu geopend! We zijn op zoek naar sprekers uit de nutsbedrijven en de energieopwekkingsindustrie. Onderwerpen zijn onder andere conventionele en hernieuwbare energieopwekking, digitale transformatie van energiecentrales, energieopslag, microgrids, optimalisatie van centrales, stroom op locatie en meer.
De auteurs hebben keer op keer nieuwe specificaties voor energieprojecten beoordeeld, waarbij ontwerpers van centrales doorgaans kiezen voor roestvrij staal 304 of 316 voor condensor- en hulpwarmtewisselaarbuizen. Voor velen roept de term roestvrij staal een beeld op van onoverwinnelijke corrosie, terwijl roestvrij staal in werkelijkheid soms de slechtste keuze kan zijn, omdat het gevoelig is voor plaatselijke corrosie. Bovendien worden in deze tijd van verminderde beschikbaarheid van zoet water voor koelwateraanvulling, in combinatie met koeltorens die werken met hoge concentratiecycli, de potentiële faalmechanismen van roestvrij staal vergroot. In sommige toepassingen gaat roestvrij staal uit de 300-serie slechts maanden, soms slechts weken, mee voordat het faalt. Dit artikel richt zich ten minste op de kwesties waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van condensorbuismaterialen vanuit het perspectief van waterbehandeling. Andere factoren die niet in dit artikel worden besproken, maar die een rol spelen bij de materiaalkeuze, zijn onder meer de materiaalsterkte, warmteoverdrachtseigenschappen en de weerstand tegen mechanische krachten, waaronder vermoeiings- en erosiecorrosie.
Door 12% of meer chroom aan staal toe te voegen, vormt de legering een doorlopende oxidelaag die het onderliggende basismetaal beschermt. Vandaar de term roestvrij staal. Bij afwezigheid van andere legeringsmaterialen (met name nikkel) behoort koolstofstaal tot de ferrietgroep en heeft de eenheidscel een body-centered cubic (BCC) structuur.
Wanneer nikkel aan het legeringsmengsel wordt toegevoegd in een concentratie van 8% of hoger, zal de cel, zelfs bij kamertemperatuur, bestaan ​​uit een kubische structuur met een gecentreerd vlak (FCC) die austeniet wordt genoemd.
Zoals weergegeven in tabel 1 hebben roestvast staal uit de 300-serie en andere soorten roestvast staal een nikkelgehalte dat zorgt voor een austenitische structuur.
Austenitische staalsoorten blijken in veel toepassingen zeer waardevol te zijn, onder meer als materiaal voor hogetemperatuur-oververhitter- en herverhittingsbuizen in stoomketels. Vooral de 300-serie wordt vaak gebruikt als materiaal voor lagetemperatuur-warmtewisselaarbuizen, waaronder stoomoppervlaktecondensors. Het is echter bij deze toepassingen dat veel mensen de potentiële faalmechanismen over het hoofd zien.
Het grootste probleem met roestvrij staal, en dan met name de populaire materialen 304 en 316, is dat de beschermende oxidelaag vaak wordt vernietigd door onzuiverheden in het koelwater en door spleten en afzettingen die bijdragen aan de concentratie van onzuiverheden. Daarnaast kan stilstaand water bij stilstand leiden tot microbiële groei, waarvan de stofwisselingsproducten zeer schadelijk kunnen zijn voor metalen.
Een veelvoorkomende verontreiniging in koelwater die economisch gezien het moeilijkst te verwijderen is, is chloride. Dit ion kan in stoomgeneratoren voor veel problemen zorgen, maar in condensors en hulpwarmtewisselaars ligt het grootste probleem in het feit dat chloriden in te hoge concentraties de beschermende oxidelaag op het roestvast staal kunnen binnendringen en vernietigen. Hierdoor kan plaatselijke corrosie (pitcorrosie) ontstaan.
Putcorrosie is een van de meest verraderlijke vormen van corrosie, omdat het wanddoorboringen en defecten aan apparatuur kan veroorzaken met slechts minimaal metaalverlies.
De chlorideconcentratie hoeft niet heel hoog te zijn om putcorrosie te veroorzaken in roestvrij staal 304 en 316. Voor schone oppervlakken zonder afzettingen of spleten worden nu de volgende maximale chlorideconcentraties aanbevolen:
Verschillende factoren kunnen gemakkelijk chlorideconcentraties veroorzaken die deze richtlijnen overschrijden, zowel in het algemeen als op lokale locaties. Het is zeer zeldzaam geworden om in nieuwe energiecentrales eerst eenmalige koeling te overwegen. De meeste zijn gebouwd met koeltorens, of in sommige gevallen met luchtgekoelde condensors (ACC). Bij centrales met koeltorens kan de concentratie onzuiverheden in cosmetica "oplopen". Een kolom met een chlorideconcentratie in het suppletiewater van 50 mg/l werkt bijvoorbeeld met vijf concentratiecycli en het chloridegehalte van het circulerende water is 250 mg/l. Dit alleen al zou 304 SS over het algemeen moeten uitsluiten. Bovendien is er in nieuwe en bestaande centrales een toenemende behoefte aan het vervangen van zoet water voor het aanvullen van de centrales. Een veelgebruikt alternatief is gemeentelijk afvalwater. Tabel 2 vergelijkt de analyse van de vier zoetwaterbronnen met de vier afvalwaterbronnen.
Wees op uw hoede voor verhoogde chloridegehaltes (en andere onzuiverheden, zoals stikstof en fosfor, die de microbiële besmetting in koelsystemen aanzienlijk kunnen vergroten). Voor vrijwel al het grijze water geldt dat elke circulatie in de koeltoren de door 316 SS aanbevolen chloridegrens overschrijdt.
De voorgaande discussie is gebaseerd op het corrosiepotentieel van gewone metaaloppervlakken. Breuken en sedimenten veranderen de zaak drastisch, omdat beide plekken bieden waar onzuiverheden zich kunnen ophopen. Mechanische scheuren ontstaan ​​vaak in condensatoren en vergelijkbare warmtewisselaars bij de verbindingen tussen buis- en buisplaten. Sediment in de buis kan scheuren veroorzaken op de sedimentgrens, en het sediment zelf kan dienen als een plek voor verontreiniging. Omdat roestvast staal bovendien een doorlopende oxidelaag als bescherming nodig heeft, kunnen de afzettingen zuurstofarme plekken vormen waardoor het resterende staaloppervlak in een anode verandert.
In de bovenstaande discussie worden kwesties geschetst waar ontwerpers van centrales doorgaans geen rekening mee houden bij het specificeren van materialen voor condensor- en hulpwarmtewisselaarbuizen voor nieuwe projecten. De mentaliteit ten aanzien van de 304 en 316 SS lijkt soms nog steeds te zijn van "dat is wat we altijd hebben gedaan", zonder de gevolgen van dergelijke acties te overwegen. Er zijn alternatieve materialen beschikbaar die de zwaardere koelwateromstandigheden aankunnen waarmee veel centrales tegenwoordig te maken hebben.
Voordat we alternatieve metalen bespreken, moet ik nog een punt kort aanhalen. In veel gevallen functioneerde een 316 SS of zelfs een 304 SS prima tijdens normaal gebruik, maar viel uit tijdens een stroomstoring. In de meeste gevallen is de storing te wijten aan slechte drainage van de condensor of warmtewisselaar, waardoor er stilstaand water in de buizen staat. Deze omgeving biedt ideale omstandigheden voor de groei van micro-organismen. Microbiële kolonies produceren op hun beurt corrosieve verbindingen die het buisvormige metaal rechtstreeks aantasten.
Dit mechanisme, bekend als microbieel geïnduceerde corrosie (MIC), staat erom bekend roestvrijstalen leidingen en andere metalen binnen enkele weken te vernietigen. Als de warmtewisselaar niet kan worden afgetapt, moet serieus worden overwogen om periodiek water door de warmtewisselaar te laten circuleren en tijdens het proces biocide toe te voegen. (Voor meer informatie over de juiste layup-procedures, zie D. Janikowski, "Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations"; gehouden van 4 tot en met 6 juni 2019 in Champaign, Illinois, gepresenteerd op het 39e Electric Utility Chemistry Symposium.)
Voor de hierboven genoemde zware omstandigheden, maar ook voor zwaardere omgevingen zoals brak water of zeewater, kunnen alternatieve metalen worden gebruikt om onzuiverheden af ​​te weren. Drie groepen legeringen hebben hun succes bewezen: commercieel zuiver titanium, austenitisch roestvast staal met 6% molybdeen en superferritisch roestvast staal. Deze legeringen zijn ook MIC-bestendig. Hoewel titanium als zeer corrosiebestendig wordt beschouwd, maken de hexagonale, dichtgepakte kristalstructuur en de extreem lage elasticiteitsmodulus het gevoelig voor mechanische beschadigingen. Deze legering is het meest geschikt voor nieuwe installaties met sterke buisdraagconstructies. Een uitstekend alternatief is het superferritische roestvast staal Sea-Cure®. De samenstelling van dit materiaal wordt hieronder weergegeven.
Het staal heeft een hoog chroomgehalte, maar een laag nikkelgehalte. Het is dan ook een ferritisch roestvrij staal in plaats van een austenitisch roestvrij staal. Door het lage nikkelgehalte is het veel goedkoper dan andere legeringen. De hoge sterkte en elasticiteitsmodulus van Sea-Cure maken dunnere wanden mogelijk dan andere materialen, wat resulteert in een betere warmteoverdracht.
De verbeterde eigenschappen van deze metalen worden weergegeven in de grafiek “Pitting Resistance Equivalent Number” (pitcorrosie-equivalentnummer). Zoals de naam al doet vermoeden, is dit een testprocedure om de weerstand van verschillende metalen tegen putcorrosie te bepalen.
Een van de meest voorkomende vragen is: "Wat is het maximale chloridegehalte dat een bepaalde soort roestvrij staal kan verdragen?" De antwoorden lopen sterk uiteen. Factoren zijn onder andere pH, temperatuur, aanwezigheid en type breuken, en de kans op actieve biologische soorten. Aan de rechteras van Figuur 5 is een tool toegevoegd om u bij deze beslissing te helpen. Deze is gebaseerd op neutraal pH-water met een temperatuur van 35 °C, dat veel voorkomt in veel BOP- en condensatietoepassingen (om afzettingen en scheurvorming te voorkomen). Nadat een legering met een specifieke chemische samenstelling is geselecteerd, kan PREn worden bepaald en vervolgens worden gekruist met de juiste schuine streep. Het aanbevolen maximale chloridegehalte kan vervolgens worden bepaald door een horizontale lijn op de rechteras te trekken. Over het algemeen geldt dat een legering die geschikt is voor toepassingen in brak of zeewater een CCT van meer dan 25 graden Celsius moet hebben, gemeten met de G 48-test.
Het is duidelijk dat de superferritische legeringen van Sea-Cure® over het algemeen zelfs geschikt zijn voor toepassingen in zeewater. Er is nog een ander voordeel van deze materialen dat benadrukt moet worden. Problemen met mangaancorrosie worden al jaren waargenomen bij 304 en 316 SS, onder andere bij fabrieken langs de rivier de Ohio. Onlangs zijn warmtewisselaars bij fabrieken langs de rivieren de Mississippi en de Missouri aangevallen. Mangaancorrosie is ook een veelvoorkomend probleem in systemen voor het aanvullen van grondwater. Het corrosiemechanisme is geïdentificeerd als een reactie van mangaandioxide (MnO2) met een oxiderend biocide, waarbij zoutzuur onder de afzetting ontstaat. HCl is wat metalen echt aantast. [WH Dickinson en RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; gepresenteerd op de NACE Annual Corrosion Conference 2002, Denver, CO.] Ferritische staalsoorten zijn bestand tegen dit corrosiemechanisme.
Het selecteren van materialen van hogere kwaliteit voor condensor- en warmtewisselaarbuizen is nog steeds geen vervanging voor een goede chemische beheersing van waterzuiveringssystemen. Zoals auteur Buecker in een eerder artikel over energietechniek heeft uiteengezet, is een goed ontworpen en uitgevoerd chemisch behandelingsprogramma noodzakelijk om de kans op kalkaanslag, corrosie en vervuiling te minimaliseren. Polymeerchemie ontpopt zich tot een krachtig alternatief voor de oudere fosfaat-/fosfonaatchemie om corrosie en kalkaanslag in koeltorensystemen te beheersen. Het beheersen van microbiële besmetting is en blijft een cruciaal punt. Hoewel oxidatieve chemie met chloor, bleekmiddel of vergelijkbare verbindingen de hoeksteen vormt van microbiële beheersing, kunnen aanvullende behandelingen vaak de efficiëntie van behandelingsprogramma's verbeteren. Een voorbeeld hiervan is stabilisatiechemie, die helpt de afgiftesnelheid en efficiëntie van op chloor gebaseerde oxiderende biociden te verhogen zonder schadelijke verbindingen in het water te introduceren. Bovendien kan aanvullende voeding met niet-oxiderende fungiciden zeer nuttig zijn bij het beheersen van microbiële ontwikkeling. Het resultaat is dat er veel manieren zijn om de duurzaamheid en betrouwbaarheid van warmtewisselaars van energiecentrales te verbeteren, maar elk systeem is anders, dus zorgvuldige planning en Overleg met experts uit de industrie is belangrijk bij de keuze van materialen en chemische procedures. Een groot deel van dit artikel is geschreven vanuit het perspectief van waterbehandeling; wij zijn niet betrokken bij beslissingen over materialen, maar we worden wel gevraagd om te helpen bij het beheren van de impact van die beslissingen zodra de apparatuur in bedrijf is. De uiteindelijke beslissing over de materiaalkeuze moet worden genomen door het personeel van de fabriek op basis van een aantal factoren die voor elke toepassing zijn gespecificeerd.
Over de auteur: Brad Buecker is een Senior Technical Publicist bij ChemTreat. Hij heeft 36 jaar ervaring in of gelieerd aan de energiesector, waarvan een groot deel in stoomopwekkingschemie, waterzuivering, luchtkwaliteitscontrole en bij City Water, Light & Power (Springfield, IL) en Kansas City Power & Light Company, gevestigd in La Cygne Station, Kansas. Hij heeft ook twee jaar als waarnemend supervisor voor water/afvalwater gewerkt bij een chemische fabriek. Buecker heeft een bachelordiploma in scheikunde van de Iowa State University met aanvullende cursussen in vloeistofmechanica, energie- en materiaalevenwicht en geavanceerde anorganische chemie.
Dan Janikowski is technisch manager bij Plymouth Tube. Hij houdt zich al 35 jaar bezig met de ontwikkeling van metalen, de productie en het testen van buisvormige producten, waaronder koperlegeringen, roestvrij staal, nikkellegeringen, titanium en koolstofstaal. Janikowski werkt sinds 2005 bij Plymouth Metro en heeft diverse seniorfuncties bekleed voordat hij in 2010 technisch manager werd.