Apelul internațional pentru conținut POWERGEN este acum deschis! Căutăm vorbitori din industria utilităților și a generării de energie. Subiectele includ generarea de energie convențională și regenerabilă, transformarea digitală a centralelor electrice, stocarea energiei, microrețele, optimizarea instalațiilor, energia la fața locului și multe altele.
Autorii au analizat în repetate rânduri specificațiile noilor proiecte energetice, în care proiectanții de centrale aleg de obicei oțel inoxidabil 304 sau 316 pentru tubulatura condensatorului și a schimbătorului de căldură auxiliar. Pentru mulți, termenul „oțel inoxidabil” evocă o aură de coroziune invincibilă, când, de fapt, oțelurile inoxidabile pot fi uneori cea mai proastă alegere, deoarece sunt susceptibile la coroziune localizată. Și, în această eră a disponibilității reduse a apei dulci pentru completarea apei de răcire, corodată cu turnurile de răcire care funcționează la cicluri de concentrație mare, mecanismele potențiale de defectare a oțelului inoxidabil sunt amplificate. În unele aplicații, oțelul inoxidabil din seria 300 va supraviețui doar luni, uneori doar săptămâni, înainte de a se defecta. Acest articol se concentrează cel puțin pe aspectele care ar trebui luate în considerare la alegerea materialelor pentru tubulatura condensatorului din perspectiva tratării apei. Alți factori care nu sunt discutați în această lucrare, dar care joacă un rol în selecția materialelor includ rezistența materialului, proprietățile de transfer termic și rezistența la forțe mecanice, inclusiv oboseală și coroziune prin eroziune.
Adăugarea a 12% sau mai mult crom în oțel face ca aliajul să formeze un strat continuu de oxid care protejează metalul de bază de dedesubt. De aici și termenul de oțel inoxidabil. În absența altor materiale de aliere (în special nichel), oțelul carbon face parte din grupa feritelor, iar celula sa unitară are o structură cubică centrată pe corp (BCC).
Când nichelul este adăugat în amestecul de aliaj la o concentrație de 8% sau mai mare, chiar și la temperatura ambiantă, celula va exista într-o structură cubică cu fețe centrate (FCC) numită austenită.
După cum se arată în tabelul 1, oțelurile inoxidabile din seria 300 și alte oțeluri inoxidabile au un conținut de nichel care produce o structură austenitică.
Oțelurile austenitice s-au dovedit a fi foarte valoroase în multe aplicații, inclusiv ca material pentru tuburile de supraîncălzire și reîncălzire la temperatură înaltă din cazanele de putere. Seria 300, în special, este adesea utilizată ca material pentru tuburile schimbătoarelor de căldură la temperatură joasă, inclusiv condensatoarele de suprafață cu abur. Cu toate acestea, în aceste aplicații mulți trec cu vederea potențialele mecanisme de defecțiune.
Principala dificultate a oțelului inoxidabil, în special a materialelor populare 304 și 316, este că stratul protector de oxid este adesea distrus de impuritățile din apa de răcire și de crăpăturile și depozitele care ajută la concentrarea impurităților. În plus, în condiții de oprire, apa stagnantă poate duce la creșterea microbiană, ale cărei produse metabolice secundare pot fi extrem de dăunătoare metalelor.
O impuritate comună a apei de răcire și una dintre cele mai dificil de îndepărtat din punct de vedere economic este clorura. Acest ion poate cauza multe probleme în generatoarele de abur, dar în condensatoare și schimbătoare de căldură auxiliare, principala dificultate este că clorurile în concentrații suficiente pot penetra și distruge stratul protector de oxid de pe oțelul inoxidabil, provocând coroziune localizată, adică coroziune corozivată (pitting).
Coroziune coroziva (pitting) este una dintre cele mai insidioase forme de coroziune, deoarece poate provoca penetrarea pereților și defectarea echipamentelor cu pierderi mici de metal.
Concentrațiile de clorură nu trebuie să fie foarte mari pentru a provoca coroziune prin pitting în oțelul inoxidabil 304 și 316, iar pentru suprafețe curate, fără depuneri sau crăpături, concentrațiile maxime de clorură recomandate sunt considerate acum a fi:
Mai mulți factori pot produce cu ușurință concentrații de clorură care depășesc aceste instrucțiuni, atât în ​​general, cât și în locații localizate. A devenit foarte rar să se ia în considerare mai întâi răcirea unică pentru centralele electrice noi. Majoritatea sunt construite cu turnuri de răcire sau, în unele cazuri, cu condensatoare răcite cu aer (ACC). Pentru cele cu turnuri de răcire, concentrația impurităților din cosmetice poate „cicla în sus”. De exemplu, o coloană cu o concentrație de clorură în apa de completare de 50 mg/l funcționează cu cinci cicluri de concentrare, iar conținutul de clorură din apa circulantă este de 250 mg/l. Numai acest lucru ar trebui să excludă, în general, oțelul inoxidabil 304. În plus, în instalațiile noi și existente, există o nevoie tot mai mare de a înlocui apa proaspătă pentru reîncărcarea instalației. O alternativă comună este apa uzată municipală. Tabelul 2 compară analiza celor patru surse de apă dulce cu cele patru surse de apă uzată.
Atenție la nivelurile crescute de clorură (și la alte impurități, cum ar fi azotul și fosforul, care pot crește considerabil contaminarea microbiană în sistemele de răcire). Pentru aproape toate apele gri, orice circulație în turnul de răcire va depăși limita de clorură recomandată de standardul 316 SS.
Discuția precedentă se bazează pe potențialul de coroziune al suprafețelor metalice comune. Fracturile și sedimentele schimbă dramatic povestea, deoarece ambele oferă locuri unde se pot concentra impuritățile. O locație tipică pentru fisurile mecanice în condensatoare și schimbătoare de căldură similare este la joncțiunile dintre tub și placa tubulară. Sedimentul din interiorul tubului poate crea fisuri la limita sedimentului, iar sedimentul în sine poate servi drept loc pentru contaminare. În plus, deoarece oțelul inoxidabil se bazează pe un strat continuu de oxid pentru protecție, depunerile pot forma locuri sărace în oxigen care transformă suprafața rămasă a oțelului într-un anod.
Discuția de mai sus evidențiază aspecte pe care proiectanții de instalații nu le iau în considerare de obicei atunci când specifică materiale pentru tuburi de condensator și schimbător de căldură auxiliar pentru proiecte noi. Mentalitatea privind oțelul inoxidabil 304 și 316 pare uneori să fie „asta am făcut dintotdeauna”, fără a lua în considerare consecințele unor astfel de acțiuni. Sunt disponibile materiale alternative pentru a face față condițiilor mai dure ale apei de răcire cu care se confruntă acum multe instalații.
Înainte de a discuta despre metale alternative, trebuie menționat pe scurt un alt aspect. În multe cazuri, un oțel inoxidabil 316 sau chiar un oțel inoxidabil 304 au funcționat bine în timpul funcționării normale, dar s-au defectat în timpul unei pene de curent. În majoritatea cazurilor, defectarea se datorează drenajului deficitar al condensatorului sau schimbătorului de căldură, ceea ce provoacă stagnarea apei în tuburi. Acest mediu oferă condiții ideale pentru creșterea microorganismelor. Coloniile microbiene produc, la rândul lor, compuși corozivi care corodează direct metalul tubular.
Acest mecanism, cunoscut sub numele de coroziune indusă microbian (MIC), este cunoscut pentru distrugerea țevilor din oțel inoxidabil și a altor metale în câteva săptămâni. Dacă schimbătorul de căldură nu poate fi golit, trebuie acordată o atenție serioasă circulației periodice a apei prin schimbătorul de căldură și adăugării de biocid în timpul procesului. (Pentru mai multe detalii despre procedurile corecte de așezare, consultați D. Janikowski, „Stratificarea condensatorului și a schimbătoarelor BOP - Considerații”; desfășurat în perioada 4-6 iunie 2019 la Champaign, IL. Prezentat la cel de-al 39-lea Simpozion de Chimie a Utilităților Electrice.)
Pentru mediile dure evidențiate mai sus, precum și pentru mediile mai dure, cum ar fi apa sărată sau apa de mare, se pot utiliza metale alternative pentru a elimina impuritățile. Trei grupe de aliaje s-au dovedit a fi eficiente: titanul pur comercial, oțelul inoxidabil austenitic cu 6% molibden și oțelul inoxidabil superferitic. Aceste aliaje sunt, de asemenea, rezistente la coroziune microscopică (MIC). Deși titanul este considerat foarte rezistent la coroziune, structura sa cristalină hexagonală compactă și modulul de elasticitate extrem de scăzut îl fac susceptibil la deteriorări mecanice. Acest aliaj este cel mai potrivit pentru instalații noi cu structuri puternice de susținere a tuburilor. O alternativă excelentă este oțelul inoxidabil superferitic Sea-Cure®. Compoziția acestui material este prezentată mai jos.
Oțelul are un conținut ridicat de crom, dar un conținut scăzut de nichel, deci este un oțel inoxidabil feritic, nu austenitic. Datorită conținutului scăzut de nichel, costă mult mai puțin decât alte aliaje. Rezistența ridicată și modulul de elasticitate al Sea-Cure permit obținerea unor pereți mai subțiri decât alte materiale, rezultând un transfer de căldură îmbunătățit.
Proprietățile îmbunătățite ale acestor metale sunt prezentate în diagrama „Număr echivalent de rezistență la coroziune prin pitting”, care, așa cum sugerează și numele, este o procedură de testare utilizată pentru a determina rezistența diferitelor metale la coroziunea prin pitting.
Una dintre cele mai frecvente întrebări este „Care este conținutul maxim de clorură pe care îl poate tolera un anumit grad de oțel inoxidabil?”. Răspunsurile variază foarte mult. Factorii includ pH-ul, temperatura, prezența și tipul fracturilor și potențialul de specii biologice active. Pe axa din dreapta a Figurii 5 a fost adăugat un instrument pentru a ajuta la această decizie. Acesta se bazează pe pH neutru, apă curgătoare la 35°C, întâlnită în mod obișnuit în multe aplicații BOP și condensare (pentru a preveni formarea depozitelor și a fisurilor). Odată ce a fost selectat un aliaj cu o compoziție chimică specifică, se poate determina PREn și apoi se poate intersecta cu bara oblică corespunzătoare. Nivelul maxim de clorură recomandat poate fi apoi determinat prin trasarea unei linii orizontale pe axa din dreapta. În general, dacă un aliaj urmează să fie luat în considerare pentru aplicații în apă sărată sau de mare, acesta trebuie să aibă un CCT peste 25 de grade Celsius, măsurat prin testul G 48.
Este clar că aliajele superferitice reprezentate de Sea-Cure® sunt în general potrivite chiar și pentru aplicații în apă de mare. Există un alt avantaj al acestor materiale care trebuie subliniat. Problemele de coroziune a manganului au fost observate pentru oțelul inox 304 și 316 timp de mulți ani, inclusiv la instalațiile de-a lungul râului Ohio. Recent, schimbătoarele de căldură de la instalațiile de-a lungul râurilor Mississippi și Missouri au fost atacate. Coroziunea manganului este, de asemenea, o problemă comună în sistemele de alimentare cu apă de puț. Mecanismul de coroziune a fost identificat ca reacția dioxidului de mangan (MnO2) cu un biocid oxidant pentru a genera acid clorhidric sub depozit. HCl este ceea ce atacă cu adevărat metalele. [WH Dickinson și RW Pick, „Coroziunea dependentă de mangan în industria energiei electrice”; prezentat la Conferința anuală de coroziune NACE din 2002, Denver, CO.] Oțelurile feritice sunt rezistente la acest mecanism de coroziune.
Selectarea materialelor de calitate superioară pentru tuburile condensatorului și schimbătorului de căldură nu înlocuiește controlul adecvat al chimiei de tratare a apei. După cum a subliniat autorul Buecker într-un articol anterior despre inginerie energetică, un program de tratare chimică proiectat și operat corespunzător este necesar pentru a minimiza potențialul de depunere a nisipului, coroziune și murdărire. Chimia polimerilor devine o alternativă puternică la chimia mai veche a fosfatului/fosfonatului pentru a controla coroziunea și depunerile de nisip în sistemele de turnuri de răcire. Controlul contaminării microbiene a fost și va continua să fie o problemă critică. Deși chimia oxidativă cu clor, înălbitor sau compuși similari este piatra de temelie a controlului microbian, tratamentele suplimentare pot adesea îmbunătăți eficiența programelor de tratare. Un astfel de exemplu este chimia de stabilizare, care ajută la creșterea ratei de eliberare și a eficienței biocidelor oxidante pe bază de clor, fără a introduce compuși nocivi în apă. În plus, alimentarea suplimentară cu fungicide neoxidante poate fi foarte benefică în controlul dezvoltării microbiene. Rezultatul este că există multe modalități de a îmbunătăți sustenabilitatea și fiabilitatea schimbătoarelor de căldură ale centralelor electrice, dar fiecare sistem este diferit, așa că planificarea atentă și consultarea cu experții din industrie sunt importante pentru alegerea materialelor și a procedurilor chimice. O mare parte din acest articol este scrisă din Din perspectiva tratării apei, nu suntem implicați în deciziile privind materialele, dar ni se cere să ajutăm la gestionarea impactului acestor decizii odată ce echipamentul este pus în funcțiune. Decizia finală privind selecția materialelor trebuie luată de personalul instalației pe baza unui număr de factori specificați pentru fiecare aplicație.
Despre autor: Brad Buecker este publicist tehnic senior la ChemTreat. Are 36 de ani de experiență în industria energetică sau afiliat acesteia, o mare parte din aceasta în chimia generării de abur, tratarea apei, controlul calității aerului și la City Water, Light & Power (Springfield, IL), iar Kansas City Power & Light Company își are sediul la La Cygne Station, Kansas. De asemenea, a petrecut doi ani ca supraveghetor interimar pentru apă/ape uzate la o uzină chimică. Buecker deține o licență în chimie de la Universitatea de Stat din Iowa, cu cursuri suplimentare în mecanica fluidelor, echilibru energetic și al materialelor și chimie anorganică avansată.
Dan Janikowski este director tehnic la Plymouth Tube. Timp de 35 de ani, a fost implicat în dezvoltarea metalelor, fabricarea și testarea produselor tubulare, inclusiv aliaje de cupru, oțel inoxidabil, aliaje de nichel, titan și oțel carbon. Lucrând la Plymouth Metro din 2005, Janikowski a deținut diverse funcții de conducere înainte de a deveni director tehnic în 2010.