POWERGEN International Call for Content er nå åpen! Vi ser etter foredragsholdere fra forsynings- og kraftproduksjonsbransjen. Temaene inkluderer konvensjonell og fornybar kraftproduksjon, digital transformasjon av kraftverk, energilagring, mikronett, anleggsoptimalisering, strømforsyning på stedet og mer.
Forfatterne har gang på gang gjennomgått nye spesifikasjoner for kraftprosjekter, der anleggsdesignere vanligvis velger rustfritt stål 304 eller 316 for kondensator- og hjelpevarmevekslerrør. For mange fremkaller begrepet rustfritt stål en aura av uovervinnelig korrosjon, når rustfritt stål faktisk noen ganger kan være det verste valget fordi det er utsatt for lokal korrosjon. Og i denne tiden med redusert tilgjengelighet av ferskvann til kjølevannspåfylling, kombinert med kjøletårn som opererer med høye konsentrasjonssykluser, forsterkes potensielle feilmekanismer for rustfritt stål. I noen applikasjoner vil rustfritt stål i 300-serien bare overleve i måneder, noen ganger bare uker, før det svikter. Denne artikkelen fokuserer på i det minste problemstillingene som bør vurderes når man velger kondensatorrørmaterialer fra et vannbehandlingsperspektiv. Andre faktorer som ikke diskuteres i denne artikkelen, men som spiller en rolle i materialvalg, inkluderer materialstyrke, varmeoverføringsegenskaper og motstand mot mekaniske krefter, inkludert utmatting og erosjonskorrosjon.
Tilsetning av 12 % eller mer krom til stål fører til at legeringen danner et kontinuerlig oksidlag som beskytter basismetallet under. Derav begrepet rustfritt stål. I fravær av andre legeringsmaterialer (spesielt nikkel) er karbonstål en del av ferrittgruppen, og enhetscellen har en kroppssentrert kubisk (BCC) struktur.
Når nikkel tilsettes legeringsblandingen i en konsentrasjon på 8 % eller høyere, selv ved romtemperatur, vil cellen eksistere i en flatesentrert kubisk (FCC) struktur kalt austenitt.
Som vist i tabell 1 har rustfritt stål i 300-serien og annet rustfritt stål et nikkelinnhold som gir en austenittisk struktur.
Austenittiske ståltyper har vist seg å være svært verdifulle i mange bruksområder, inkludert som materiale for høytemperatur overhetere og ettervarmerrør i kraftkjeler. Spesielt 300-serien brukes ofte som materiale for lavtemperatur varmevekslerrør, inkludert dampoverflatekondensatorer. Det er imidlertid i disse bruksområdene at mange overser potensielle feilmekanismer.
Hovedproblemet med rustfritt stål, spesielt de populære 304- og 316-materialene, er at det beskyttende oksidlaget ofte ødelegges av urenheter i kjølevannet og av sprekker og avleiringer som bidrar til å konsentrere urenheter. I tillegg kan stillestående vann under nedstengningsforhold føre til mikrobiell vekst, hvis metabolske biprodukter kan være svært skadelige for metaller.
En vanlig urenhet i kjølevann, og en av de vanskeligste å fjerne økonomisk, er klorid. Dette ionet kan forårsake mange problemer i dampgeneratorer, men i kondensatorer og hjelpevarmevekslere er hovedproblemet at klorider i tilstrekkelige konsentrasjoner kan trenge inn og ødelegge det beskyttende oksidlaget på rustfritt stål, noe som forårsaker lokalisert korrosjon, dvs. gropkorrosjon.
Groptap er en av de mest snikende formene for korrosjon fordi den kan forårsake vegggjennomtrengninger og utstyrssvikt med lite metalltap.
Kloridkonsentrasjoner trenger ikke å være veldig høye for å forårsake punktkorrosjon i rustfritt stål 304 og 316, og for rene overflater uten avleiringer eller sprekker anses de anbefalte maksimale kloridkonsentrasjonene nå å være:
Flere faktorer kan lett produsere kloridkonsentrasjoner som overstiger disse retningslinjene, både generelt og på lokaliserte steder. Det har blitt svært sjeldent å først vurdere engangskjøling for nye kraftverk. De fleste er bygget med kjøletårn, eller i noen tilfeller luftkjølte kondensatorer (ACC). For de med kjøletårn kan konsentrasjonen av urenheter i kosmetikk "sykle opp". For eksempel opererer en kolonne med en kloridkonsentrasjon på 50 mg/l i etterfyllingsvann med fem konsentrasjonssykluser, og kloridinnholdet i det sirkulerende vannet er 250 mg/l. Dette alene burde generelt utelukke 304 SS. I tillegg er det i nye og eksisterende anlegg et økende behov for å erstatte ferskvann for påfylling av anlegget. Et vanlig alternativ er kommunalt avløpsvann. Tabell 2 sammenligner analysen av de fire ferskvannsforsyningene med de fire avløpsforsyningene.
Vær oppmerksom på økte kloridnivåer (og andre urenheter, som nitrogen og fosfor, som kan øke mikrobiell forurensning i kjølesystemer betraktelig). For så godt som alt gråvann vil all sirkulasjon i kjøletårnet overstige kloridgrensen som anbefales av 316 SS.
Den foregående diskusjonen er basert på korrosjonspotensialet til vanlige metalloverflater. Sprekker og sedimenter endrer historien dramatisk, ettersom begge gir steder hvor urenheter kan konsentreres. Et typisk sted for mekaniske sprekker i kondensatorer og lignende varmevekslere er ved rør-til-rør-plateforbindelser. Sediment i røret kan skape sprekker ved sedimentgrensen, og selve sedimentet kan tjene som et sted for forurensning. Videre, fordi rustfritt stål er avhengig av et kontinuerlig oksidlag for beskyttelse, kan avsetningene danne oksygenfattige steder som gjør den gjenværende ståloverflaten til en anode.
Diskusjonen ovenfor skisserer problemstillinger som anleggsdesignere vanligvis ikke vurderer når de spesifiserer materialer til kondensator- og hjelpevarmevekslerrør for nye prosjekter. Mentaliteten rundt 304 og 316 SS virker noen ganger fortsatt å være «det er det vi alltid har gjort» uten å vurdere konsekvensene av slike handlinger. Alternative materialer er tilgjengelige for å håndtere de tøffere kjølevannsforholdene som mange anlegg nå står overfor.
Før vi diskuterer alternative metaller, må et annet poeng kort nevnes. I mange tilfeller fungerte en 316 SS eller til og med en 304 SS bra under normal drift, men sviktet under strømbrudd. I de fleste tilfeller skyldes feilen dårlig drenering av kondensatoren eller varmeveksleren, noe som forårsaker stillestående vann i rørene. Dette miljøet gir ideelle forhold for vekst av mikroorganismer. Mikrobielle kolonier produserer igjen etsende forbindelser som direkte korroderer det rørformede metallet.
Denne mekanismen, kjent som mikrobielt indusert korrosjon (MIC), er kjent for å ødelegge rør i rustfritt stål og andre metaller i løpet av uker. Hvis varmeveksleren ikke kan tømmes, bør man vurdere å sirkulere vann gjennom varmeveksleren med jevne mellomrom og tilsette biocid underveis. (For mer informasjon om riktige oppleggsprosedyrer, se D. Janikowski, «Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations»; holdt 4.–6. juni 2019 i Champaign, IL. Presentert på det 39. Electric Utility Chemistry Symposium.)
For de tøffe miljøene som er fremhevet ovenfor, så vel som tøffere miljøer som brakkvann eller sjøvann, kan alternative metaller brukes til å avverge urenheter. Tre legeringsgrupper har vist seg vellykkede: kommersielt rent titan, 6 % molybden austenittisk rustfritt stål og superferritisk rustfritt stål. Disse legeringene er også MIC-bestandige. Selv om titan anses som svært motstandsdyktig mot korrosjon, gjør dens sekskantede, tettpakkede krystallstruktur og ekstremt lave elastisitetsmodul den utsatt for mekanisk skade. Denne legeringen er best egnet for nye installasjoner med sterke rørstøttestrukturer. Et utmerket alternativ er det superferritiske rustfrie stålet Sea-Cure®. Sammensetningen av dette materialet er vist nedenfor.
Stålet har et høyt krominnhold, men et lavt nikkelinnhold, så det er et ferritisk rustfritt stål i stedet for et austenittisk rustfritt stål. På grunn av det lave nikkelinnholdet koster det mye mindre enn andre legeringer. Sea-Cures høye styrke og elastisitetsmodul gir tynnere vegger enn andre materialer, noe som resulterer i forbedret varmeoverføring.
De forbedrede egenskapene til disse metallene vises i diagrammet «Pitting Resistance Equivalent Number», som, som navnet antyder, er en testprosedyre som brukes til å bestemme motstanden til forskjellige metaller mot gropkorrosjon.
Et av de vanligste spørsmålene er «Hva er det maksimale kloridinnholdet som en bestemt type rustfritt stål tåler?» Svarene varierer mye. Faktorer inkluderer pH, temperatur, tilstedeværelse og type sprekker, og potensialet for aktive biologiske stoffer. Et verktøy er lagt til på høyre akse i figur 5 for å hjelpe med denne avgjørelsen. Det er basert på nøytral pH, 35 °C rennende vann som vanligvis finnes i mange BOP- og kondensasjonsapplikasjoner (for å forhindre avleiringsdannelse og sprekkdannelse). Når en legering med en spesifikk kjemisk sammensetning er valgt, kan PREn bestemmes og deretter skjæres med riktig skråstrek. Det anbefalte maksimale kloridnivået kan deretter bestemmes ved å tegne en horisontal linje på høyre akse. Generelt, hvis en legering skal vurderes for brakkvanns- eller sjøvannsapplikasjoner, må den ha en CCT over 25 grader Celsius, målt med G 48-testen.
Det er tydelig at de superferritiske legeringene som Sea-Cure® representerer generelt er egnet for selv sjøvannsapplikasjoner. Det er en annen fordel med disse materialene som må vektlegges. Mangankorrosjonsproblemer har blitt observert for 304 og 316 SS i mange år, inkludert ved anlegg langs Ohio-elven. Nylig har varmevekslere ved anlegg langs Mississippi- og Missouri-elvene blitt angrepet. Mangankorrosjon er også et vanlig problem i brønnvannssystemer. Korrosjonsmekanismen har blitt identifisert som mangandioksid (MnO2) som reagerer med et oksiderende biocid for å generere saltsyre under avsetningen. HCl er det som virkelig angriper metaller. [WH Dickinson og RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; presentert på NACE Annual Corrosion Conference 2002, Denver, CO.] Ferritiske stål er motstandsdyktige mot denne korrosjonsmekanismen.
Å velge materialer av høyere kvalitet for kondensator- og varmevekslerrør er fortsatt ingen erstatning for riktig kontroll av vannbehandlingskjemien. Som forfatter Buecker har skissert i en tidligere artikkel om kraftteknikk, er et riktig utformet og drevet kjemisk behandlingsprogram nødvendig for å minimere potensialet for avskalling, korrosjon og tilsmussing. Polymerkjemi fremstår som et kraftig alternativ til eldre fosfat-/fosfonatkjemi for å kontrollere korrosjon og avskalling i kjøletårnsystemer. Kontroll av mikrobiell forurensning har vært og vil fortsette å være et kritisk problem. Mens oksidativ kjemi med klor, blekemiddel eller lignende forbindelser er hjørnesteinen i mikrobiell kontroll, kan tilleggsbehandlinger ofte forbedre effektiviteten til behandlingsprogrammer. Et slikt eksempel er stabiliseringskjemi, som bidrar til å øke frigjøringshastigheten og effektiviteten til klorbaserte oksiderende biocider uten å introdusere noen skadelige forbindelser i vannet. I tillegg kan tilleggsfôr med ikke-oksiderende soppdrepende midler være svært gunstig for å kontrollere mikrobiell utvikling. Resultatet er at det finnes mange måter å forbedre bærekraften og påliteligheten til kraftverksvarmevekslere på, men hvert system er forskjellig, så nøye planlegging og konsultasjon med bransjeeksperter er viktig for valg av materialer og kjemiske prosedyrer. Mye av Denne artikkelen er skrevet fra et vannbehandlingsperspektiv. Vi er ikke involvert i materialbeslutninger, men vi blir bedt om å hjelpe til med å håndtere virkningen av disse beslutningene når utstyret er i drift. Den endelige beslutningen om materialvalg må tas av anleggspersonellet basert på en rekke faktorer spesifisert for hver applikasjon.
Om forfatteren: Brad Buecker er senior teknisk publicist hos ChemTreat. Han har 36 års erfaring i eller tilknyttet kraftbransjen, mye av den innen dampgenereringskjemi, vannbehandling, luftkvalitetskontroll og hos City Water, Light & Power (Springfield, IL) og Kansas City Power & Light Company ligger på La Cygne Station i Kansas. Han tilbrakte også to år som fungerende vann-/avløpsleder ved et kjemisk anlegg. Buecker har en bachelorgrad i kjemi fra Iowa State University med tilleggskurs i fluidmekanikk, energi- og materiallikevekt og avansert uorganisk kjemi.
Dan Janikowski er teknisk sjef hos Plymouth Tube. I 35 år har han vært involvert i utvikling av metaller, produksjon og testing av rørformede produkter, inkludert kobberlegeringer, rustfritt stål, nikkellegeringer, titan og karbonstål. Janikowski har vært hos Plymouth Metro siden 2005 og har hatt ulike ledende stillinger før han ble teknisk sjef i 2010.