Авторы снова и снова рассматривали спецификации новых энергетических проектов, в которых проектировщики установок обычно выбирают нержавеющую сталь 304 или 316 для труб конденсатора и вспомогательного теплообменника. Для многих термин нержавеющая сталь вызывает ауру непобедимой коррозии, когда на самом деле нержавеющая сталь иногда может быть худшим выбором, поскольку она подвержена локальной коррозии. И в эту эпоху ограниченной доступности пресной воды для подпитки охлаждающей воды в сочетании с градирнями, работающими при циклах высокой концентрации, потенциальные механизмы отказа нержавеющей стали усиливаются. В некоторых приложениях нержавеющая сталь серии 300 прослужит всего несколько месяцев, иногда всего несколько недель, прежде чем выйдет из строя. В этой статье основное внимание уделяется, по крайней мере, вопросам, которые следует учитывать при выборе материалов для труб конденсатора с точки зрения очистки воды. Другие факторы, не обсуждаемые в этой статье, но которые играют роль при выборе материала, включают прочность материала, свойства теплопередачи и устойчивость к механическим воздействиям, включая усталость и эрозионную коррозию.
Добавление 12% или более хрома в сталь приводит к образованию в сплаве сплошного оксидного слоя, который защищает основной металл под ним. Отсюда и название «нержавеющая сталь». При отсутствии других легирующих материалов (особенно никеля) углеродистая сталь относится к группе ферритов, а ее элементарная ячейка имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру.
При добавлении никеля в смесь сплавов в концентрации 8% или выше ячейка будет существовать в гранецентрированной кубической (ГЦК) структуре, называемой аустенитом, даже при температуре окружающей среды.
Как показано в таблице 1, нержавеющие стали серии 300 и другие виды нержавеющей стали содержат никель, который обеспечивает аустенитную структуру.
Аустенитные стали оказались очень ценными во многих областях применения, в том числе в качестве материала для труб высокотемпературных пароперегревателей и промежуточных пароперегревателей в энергетических котлах. В частности, серия 300 часто используется в качестве материала для труб низкотемпературных теплообменников, включая конденсаторы паровой поверхности. Однако именно в этих областях применения многие упускают из виду потенциальные механизмы отказов.
Основная проблема с нержавеющей сталью, особенно с популярными материалами 304 и 316, заключается в том, что защитный оксидный слой часто разрушается примесями в охлаждающей воде, а также трещинами и отложениями, которые способствуют концентрации примесей. Кроме того, в условиях отключения стоячая вода может привести к росту микроорганизмов, побочные продукты метаболизма которых могут быть крайне вредны для металлов.
Распространенной примесью в охлаждающей воде, которая является одной из самых трудноустранимых с экономической точки зрения, является хлорид. Этот ион может вызывать множество проблем в парогенераторах, но в конденсаторах и вспомогательных теплообменниках основная трудность заключается в том, что хлориды в достаточных концентрациях могут проникать и разрушать защитный оксидный слой на нержавеющей стали, вызывая локальную коррозию, т. е. точечную коррозию.
Точечная коррозия — одна из самых коварных форм коррозии, поскольку она может привести к проникновению сквозь стенки и выходу из строя оборудования при незначительной потере металла.
Концентрация хлоридов не обязательно должна быть слишком высокой, чтобы вызвать точечную коррозию в нержавеющей стали марок 304 и 316, а для чистых поверхностей без каких-либо отложений или трещин рекомендуемые максимальные концентрации хлоридов в настоящее время считаются следующими:
Несколько факторов могут легко привести к концентрации хлоридов, превышающей эти нормативы, как в целом, так и в отдельных местах. Стало очень редко сначала рассматривать прямоточное охлаждение для новых электростанций. Большинство построено с градирнями или, в некоторых случаях, с конденсаторами с воздушным охлаждением (ACC). Для тех, у кого есть градирни, концентрация примесей в косметике 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. Одного этого, как правило, должно исключить 304 SS. Кроме того, на новых и существующих заводах все больше возникает необходимость в замене пресной воды для подпитки завода. Распространенной альтернативой являются городские сточные воды. В таблице 2 сравнивается анализ четырех источников пресной воды с четырьмя источниками сточных вод.
Следите за повышенным уровнем хлоридов (и других примесей, таких как азот и фосфор, которые могут значительно увеличить микробное загрязнение в системах охлаждения). Практически для всех серых вод любая циркуляция в градирне будет превышать предел содержания хлоридов, рекомендованный 316 SS.
Предыдущее обсуждение основано на коррозионном потенциале обычных металлических поверхностей. Трещины и отложения кардинально меняют ситуацию, поскольку и то, и другое является местами, где могут концентрироваться примеси. Типичное место для механических трещин в конденсаторах и подобных теплообменниках — это соединения труб с трубной решеткой. Отложения внутри трубы могут создавать трещины на границе отложений, а сами отложения могут служить местом загрязнения. Кроме того, поскольку нержавеющая сталь полагается на непрерывный слой оксида для защиты, отложения могут образовывать участки с низким содержанием кислорода, которые превращают оставшуюся стальную поверхность в анод.
Приведенное выше обсуждение описывает вопросы, которые проектировщики установок обычно не учитывают при выборе материалов для труб конденсатора и вспомогательного теплообменника для новых проектов. Иногда кажется, что менталитет в отношении нержавеющей стали 304 и 316 по-прежнему сводится к тому, что «мы всегда так делали», без учета последствий таких действий. Доступны альтернативные материалы, способные выдерживать более жесткие условия охлаждающей воды, с которыми сейчас сталкиваются многие установки.
Прежде чем обсуждать альтернативные металлы, необходимо кратко остановиться на другом моменте. Во многих случаях нержавеющая сталь марки 316 или даже 304 хорошо работала при нормальной эксплуатации, но выходила из строя при отключении электроэнергии. В большинстве случаев отказ был вызван плохим дренажем конденсатора или теплообменника, что приводило к застою воды в трубках. Такая среда создает идеальные условия для роста микроорганизмов. Колонии микроорганизмов, в свою очередь, вырабатывают едкие соединения, которые напрямую разъедают трубчатый металл.
Известно, что этот механизм, известный как микробная коррозия (MIC), разрушает трубы из нержавеющей стали и другие металлы в течение нескольких недель. Если теплообменник невозможно слить, следует серьезно рассмотреть возможность периодической циркуляции воды через теплообменник и добавления биоцида во время процесса. (Более подробную информацию о надлежащих процедурах укладки см. в статье Д. Яниковски «Укладка слоев конденсатора и теплообменников BOP — соображения»; состоялась 4–6 июня 2019 г. в Шампейне, штат Иллинойс, представлена ​​на 39-м симпозиуме по химии электроэнергетических компаний.)
Для суровых условий, указанных выше, а также для более суровых условий, таких как солоноватая или морская вода, можно использовать альтернативные металлы для защиты от примесей. Три группы сплавов оказались успешными: коммерчески чистый титан, аустенитная нержавеющая сталь с 6% молибдена и суперферритная нержавеющая сталь. Эти сплавы также устойчивы к воздействию МИК. 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.
В стали много хрома, но мало никеля, поэтому она относится к ферритной, а не аустенитной нержавеющей стали. Благодаря низкому содержанию никеля она стоит намного дешевле других сплавов. Высокая прочность и модуль упругости Sea-Cure позволяют изготавливать более тонкие стенки, чем у других материалов, что улучшает теплопередачу.
Улучшенные свойства этих металлов показаны на диаграмме «Эквивалентное число стойкости к точечной коррозии», которая, как следует из названия, представляет собой процедуру испытаний, используемую для определения стойкости различных металлов к точечной коррозии.
Один из самых распространенных вопросов: «Какое максимальное содержание хлорида может выдержать конкретная марка нержавеющей стали?» Ответы сильно различаются. Факторы включают pH, температуру, наличие и тип трещин, а также потенциал для активных биологических видов. На правой оси рисунка 5 добавлен инструмент, помогающий принять это решение. Он основан на нейтральном pH, проточной воде с температурой 35 °C, которая обычно встречается во многих BOP и конденсационных приложениях (для предотвращения образования отложений и трещин). После выбора сплава с определенным химическим составом можно определить PREn, а затем пересечь его соответствующей косой чертой. Затем можно определить рекомендуемый максимальный уровень хлорида, проведя горизонтальную линию на правой оси. В общем, если сплав рассматривается для применения в солоноватой или морской воде, он должен иметь CCT 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. Есть еще одно преимущество этих материалов, которое следует подчеркнуть. Проблемы с коррозией марганца наблюдались для 304 и 316 SS в течение многих лет, в том числе на заводах вдоль реки Огайо. Недавно подверглись атаке теплообменники на заводах вдоль рек Миссисипи и Миссури. Коррозия марганца также является распространенной проблемой в системах подпитки скважинной водой. Механизм коррозии был идентифицирован как реакция диоксида марганца (MnO2) с окисляющим биоцидом с образованием соляной кислоты под отложением. HCl - это то, что на самом деле разрушает металлы. [WH Dickinson и RW Pick, "Коррозия, зависящая от марганца, в электроэнергетической промышленности"; представлено на Ежегодной конференции NACE по коррозии 2002 г., Денвер, штат Колорадо.] Ферритные стали устойчивы к этому механизму коррозии.
Выбор более качественных материалов для труб конденсатора и теплообменника по-прежнему не является заменой надлежащего контроля химии очистки воды. Как автор Бюкер ​​изложил в предыдущей статье по энергетике, правильно спроектированная и эксплуатируемая программа химической обработки необходима для минимизации вероятности образования накипи, коррозии и загрязнения. Полимерная химия становится мощной альтернативой старой фосфатной/фосфонатной химии для контроля коррозии и образования накипи в системах градирен. Контроль микробного загрязнения был и будет оставаться важнейшей проблемой. В то время как окислительная химия с хлором, отбеливателем или аналогичными соединениями является краеугольным камнем микробного контроля, дополнительная обработка часто может повысить эффективность программ очистки. Одним из таких примеров является стабилизационная химия, которая помогает увеличить скорость высвобождения и эффективность окисляющих биоцидов на основе хлора без внесения каких-либо вредных соединений в воду. Кроме того, дополнительная подача неокисляющих фунгицидов может быть очень полезной для контроля развития микроорганизмов. В результате существует множество способов повышения устойчивости и надежности теплообменников электростанций, Однако каждая система индивидуальна, поэтому тщательное планирование и консультации с отраслевыми экспертами важны при выборе материалов и химических процедур. Большая часть этой статьи написана с точки зрения очистки воды, мы не участвуем в принятии решений по материалам, но нас просят помочь управлять влиянием этих решений после того, как оборудование будет запущено и начнет работать. Окончательное решение о выборе материала должно приниматься персоналом завода на основе ряда факторов, указанных для каждого применения.
Об авторе: Брэд Бюкер ​​— старший технический публицист в ChemTreat. У него 36-летний опыт работы в энергетической отрасли или связанной с ней, в основном в области химии парогенерации, очистки воды, контроля качества воздуха, а также в компаниях City Water, Light & Power (Спрингфилд, Иллинойс) и Kansas City Power & Light Company, расположенных на станции La Cygne, штат Канзас. Он также два года проработал исполняющим обязанности руководителя по водоснабжению и водоотведению на химическом заводе. Бюкер ​​имеет степень бакалавра химии в Университете штата Айова, а также дополнительную курсовую работу по механике жидкостей, энергетическому и материальному равновесию и продвинутой неорганической химии.
Дэн Яниковски — технический менеджер компании Plymouth Tube. На протяжении 35 лет он занимался разработкой металлов, производством и испытанием трубчатых изделий, 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.