Приём заявок на участие в международном конкурсе POWERGEN International открыт! Мы ищем спикеров из энергетической отрасли и отрасли производства электроэнергии. Темы включают традиционную и возобновляемую генерацию электроэнергии, цифровую трансформацию электростанций, хранение энергии, микросети, оптимизацию работы электростанций, электроснабжение на местах и ​​многое другое.
Авторы неоднократно анализировали спецификации новых энергетических проектов, в которых проектировщики обычно выбирают нержавеющую сталь марок 304 или 316 для труб конденсатора и вспомогательного теплообменника. Для многих термин «нержавеющая сталь» вызывает ассоциации с неуязвимой коррозией, хотя на самом деле нержавеющая сталь иногда может быть худшим выбором, поскольку она подвержена локальной коррозии. А в эпоху сокращения доступности пресной воды для подпитки охлаждающей воды, в сочетании с работой градирен в циклах высокой концентрации, потенциальные механизмы отказа нержавеющей стали усиливаются. В некоторых областях применения нержавеющая сталь серии 300 может прослужить всего несколько месяцев, а иногда и недель, прежде чем выйти из строя. В этой статье рассматриваются, по крайней мере, те вопросы, которые следует учитывать при выборе материалов для труб конденсатора с точки зрения водоподготовки. Другие факторы, не обсуждаемые в этой статье, но играющие роль в выборе материала, включают прочность материала, теплопередающие свойства и сопротивление механическим воздействиям, включая усталостную и эрозионную коррозию.
Добавление 12% или более хрома к стали приводит к образованию в сплаве сплошного оксидного слоя, защищающего основной металл под ним. Отсюда и термин «нержавеющая сталь». В отсутствие других легирующих материалов (особенно никеля) углеродистая сталь входит в группу ферритов, и ее элементарная ячейка имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру.
При добавлении никеля в сплав в концентрации 8% или выше, даже при комнатной температуре, элемент будет иметь гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, называемую аустенитом.
Как показано в таблице 1, нержавеющие стали серии 300 и другие нержавеющие стали имеют такое содержание никеля, которое приводит к образованию аустенитной структуры.
Аустенитные стали доказали свою высокую ценность во многих областях применения, в том числе в качестве материала для труб высокотемпературных пароперегревателей и подогревателей в энергетических котлах. В частности, сталь серии 300 часто используется в качестве материала для труб низкотемпературных теплообменников, включая пароконденсаторы. Однако именно в этих областях применения многие упускают из виду потенциальные механизмы отказов.
Основная трудность при работе с нержавеющей сталью, особенно с популярными марками 304 и 316, заключается в том, что защитный оксидный слой часто разрушается примесями в охлаждающей воде, а также трещинами и отложениями, способствующими концентрации примесей. Кроме того, в условиях остановки производства стоячая вода может приводить к росту микроорганизмов, продукты метаболизма которых могут нанести значительный вред металлам.
Распространенной примесью в охлаждающей воде, и одной из наиболее трудно поддающихся экономическому удалению, является хлорид. Этот ион может вызывать множество проблем в парогенераторах, но в конденсаторах и вспомогательных теплообменниках основная трудность заключается в том, что хлориды в достаточно высоких концентрациях могут проникать и разрушать защитный оксидный слой на нержавеющей стали, вызывая локальную коррозию, то есть точечную коррозию.
Точечная коррозия — одна из самых коварных форм коррозии, поскольку она может вызывать проникновение коррозии в стенки и выход оборудования из строя даже при незначительной потере металла.
Для возникновения точечной коррозии в нержавеющей стали марок 304 и 316 концентрация хлоридов не обязательно должна быть очень высокой, и для чистых поверхностей без отложений или трещин рекомендуемые максимальные концентрации хлоридов в настоящее время считаются следующими:
Несколько факторов могут легко привести к превышению этих норм концентрации хлоридов, как в целом, так и в отдельных местах. В последнее время стало очень редко рассматривать прямоточное охлаждение для новых электростанций. Большинство из них строятся с градирнями или, в некоторых случаях, с воздушными конденсаторами (ВК). Для тех, у кого есть градирни, концентрация примесей в косметических средствах может «циклически увеличиваться». Например, колонна с концентрацией хлоридов в подпиточной воде 50 мг/л работает с пятью циклами концентрации, а содержание хлоридов в циркулирующей воде составляет 250 мг/л. Уже одно это, как правило, должно исключить использование 304 SS. Кроме того, на новых и существующих электростанциях возрастает потребность в замене пресной воды для подпитки оборудования. Распространенной альтернативой являются муниципальные сточные воды. В таблице 2 сравниваются результаты анализа четырех источников пресной воды с четырьмя источниками сточных вод.
Следует опасаться повышения уровня хлоридов (и других примесей, таких как азот и фосфор, которые могут значительно увеличить микробное загрязнение в системах охлаждения). Практически для всех сточных вод любая циркуляция в градирне будет превышать рекомендуемый предел содержания хлоридов, установленный в стандарте 316 SS.
Предыдущее обсуждение основано на коррозионном потенциале обычных металлических поверхностей. Трещины и отложения кардинально меняют ситуацию, поскольку и то, и другое создает места, где могут концентрироваться примеси. Типичным местом образования механических трещин в конденсаторах и аналогичных теплообменниках являются соединения трубок и трубных решеток. Отложения внутри трубок могут создавать трещины на границе отложений, а сами отложения могут служить местом загрязнения. Кроме того, поскольку нержавеющая сталь имеет сплошной оксидный слой для защиты, отложения могут образовывать участки с низким содержанием кислорода, превращая оставшуюся поверхность стали в анод.
Приведенное выше обсуждение описывает проблемы, которые проектировщики установок обычно не учитывают при выборе материалов для труб конденсатора и вспомогательного теплообменника для новых проектов. В отношении нержавеющей стали марок 304 и 316 иногда до сих пор бытует мнение: «мы всегда так делали», без учета последствий таких действий. Существуют альтернативные материалы, способные выдерживать более жесткие условия охлаждения, с которыми сейчас сталкиваются многие установки.
Прежде чем обсуждать альтернативные металлы, необходимо кратко отметить еще один момент. Во многих случаях нержавеющая сталь 316 или даже 304 хорошо работала в нормальных условиях, но выходила из строя во время отключения электроэнергии. В большинстве случаев причиной отказа является плохой дренаж конденсатора или теплообменника, вызывающий застой воды в трубах. Такая среда создает идеальные условия для роста микроорганизмов. Микробные колонии, в свою очередь, производят коррозионные соединения, которые непосредственно вызывают коррозию металла труб.
Этот механизм, известный как микробиологическая коррозия (МИК), способен разрушить трубы из нержавеющей стали и другие металлы в течение нескольких недель. Если теплообменник невозможно осушить, следует серьезно рассмотреть возможность периодической циркуляции воды через теплообменник и добавления биоцида в процессе. (Более подробную информацию о надлежащих процедурах консервации см. в работе Д. Яниковски «Консервация конденсаторов и теплообменников противовыбросового оборудования – соображения»; доклад, представленный на 39-м Симпозиуме по химии электроэнергетических компаний, 4-6 июня 2019 г., Шампейн, Иллинойс.)
Для суровых условий, описанных выше, а также для еще более суровых условий, таких как солоноватая или морская вода, можно использовать альтернативные металлы для защиты от примесей. Три группы сплавов доказали свою эффективность: коммерчески чистый титан, аустенитная нержавеющая сталь с 6% молибдена и суперферритная нержавеющая сталь. Эти сплавы также устойчивы к микрокоррозионному растрескиванию (MIC). Хотя титан считается очень устойчивым к коррозии, его гексагональная плотноупакованная кристаллическая структура и чрезвычайно низкий модуль упругости делают его восприимчивым к механическим повреждениям. Этот сплав лучше всего подходит для новых установок с прочными опорными конструкциями труб. Отличной альтернативой является суперферритная нержавеющая сталь Sea-Cure®. Состав этого материала показан ниже.
Эта сталь содержит большое количество хрома, но мало никеля, поэтому она является ферритной нержавеющей сталью, а не аустенитной. Благодаря низкому содержанию никеля она стоит значительно дешевле, чем другие сплавы. Высокая прочность и модуль упругости стали Sea-Cure позволяют создавать более тонкие стенки, чем из других материалов, что приводит к улучшению теплопередачи.
Улучшенные свойства этих металлов показаны на диаграмме «Эквивалентное число стойкости к питтинговой коррозии», которая, как следует из названия, представляет собой процедуру тестирования, используемую для определения стойкости различных металлов к питтинговой коррозии.
Один из наиболее распространенных вопросов: «Каково максимально допустимое содержание хлоридов для конкретного сорта нержавеющей стали?» Ответы сильно различаются. Факторы включают pH, температуру, наличие и тип трещин, а также потенциальную активность биологических видов. На правой оси рисунка 5 добавлен инструмент, помогающий принять это решение. Он основан на нейтральном pH и температуре 35°C проточной воды, обычно используемой во многих системах противовыбросового оборудования и конденсации (для предотвращения образования отложений и трещин). После выбора сплава с определенным химическим составом можно определить PREn, а затем пересечь его с соответствующей косой чертой. Рекомендуемый максимальный уровень содержания хлоридов можно определить, проведя горизонтальную линию на правой оси. В целом, если сплав предназначен для использования в солоноватой или морской воде, он должен иметь температуру плавления выше 25 градусов Цельсия, измеренную с помощью теста G 48.
Очевидно, что суперферритные сплавы, представленные Sea-Cure®, в целом подходят даже для применения в морской воде. Однако следует подчеркнуть еще одно преимущество этих материалов. Проблемы коррозии марганцем наблюдаются у нержавеющей стали марок 304 и 316 уже много лет, в том числе на предприятиях вдоль реки Огайо. Недавно были зафиксированы случаи коррозии теплообменников на предприятиях вдоль рек Миссисипи и Миссури. Коррозия марганцем также является распространенной проблемой в системах подпитки колодезной водой. Механизм коррозии был определен как реакция диоксида марганца (MnO2) с окисляющим биоцидом с образованием соляной кислоты под отложениями. Именно HCl фактически разрушает металлы. [WH Dickinson и RW Pick, «Коррозия, зависящая от марганца, в электроэнергетической промышленности»; доклад на ежегодной конференции NACE по коррозии 2002 года, Денвер, Колорадо]. Ферритные стали устойчивы к этому механизму коррозии.
Выбор более качественных материалов для труб конденсатора и теплообменника по-прежнему не заменяет надлежащего контроля химического состава воды. Как автор Бьюкер отметил в предыдущей статье по энергетике, правильно разработанная и эксплуатируемая программа химической обработки необходима для минимизации потенциального образования накипи, коррозии и загрязнений. Полимерная химия становится мощной альтернативой более старой фосфатно-фосфонатной химии для контроля коррозии и образования накипи в системах градирен. Контроль микробного загрязнения был и останется критически важной проблемой. Хотя окислительная химия с использованием хлора, отбеливателя или подобных соединений является краеугольным камнем контроля микробов, дополнительные обработки часто могут повысить эффективность программ обработки. Одним из таких примеров является стабилизирующая химия, которая помогает увеличить скорость высвобождения и эффективность окисляющих биоцидов на основе хлора без введения каких-либо вредных соединений в воду. Кроме того, дополнительная подача неокисляющих фунгицидов может быть очень полезна для контроля развития микроорганизмов. В результате существует множество способов повысить устойчивость и надежность теплообменников электростанций, но каждая система Каждый метод отличается, поэтому тщательное планирование и консультации с отраслевыми экспертами важны для выбора материалов и химических процедур. Большая часть этой статьи написана с точки зрения водоподготовки; мы не участвуем в принятии решений по материалам, но нас просят помочь управлять последствиями этих решений после ввода оборудования в эксплуатацию. Окончательное решение о выборе материалов должно быть принято персоналом предприятия на основе ряда факторов, указанных для каждого конкретного применения.
Об авторе: Брэд Бьюкер — старший технический специалист по связям с общественностью в компании ChemTreat. Он имеет 36-летний опыт работы в энергетической отрасли или связанный с ней, в основном в области химии парогенерации, водоочистки, контроля качества воздуха, а также в компаниях City Water, Light & Power (Спрингфилд, Иллинойс) и Kansas City Power & Light Company, расположенной на станции Ла-Синь, Канзас. Он также два года исполнял обязанности руководителя отдела водоснабжения/водоотведения на химическом заводе. Бьюкер имеет степень бакалавра химии Университета штата Айова, а также дополнительные курсы по механике жидкости, энергетическому и материальному равновесию и углубленной неорганической химии.
Дэн Яниковски — технический менеджер компании Plymouth Tube. На протяжении 35 лет он занимается разработкой металлов, производством и испытанием трубной продукции, включая медные сплавы, нержавеющую сталь, никелевые сплавы, титан и углеродистую сталь. Работая в Plymouth Metro с 2005 года, Яниковски занимал различные руководящие должности, прежде чем стать техническим менеджером в 2010 году.