Autori opakovane skúmali špecifikácie nových energetických projektov, v ktorých si projektanti elektrární zvyčajne vyberajú nehrdzavejúcu oceľ 304 alebo 316 pre potrubia kondenzátora a pomocného výmenníka tepla. Pre mnohých pojem nehrdzavejúca oceľ evokuje auru neporaziteľnej korózie, pričom v skutočnosti môžu byť nehrdzavejúce ocele niekedy tou najhoršou voľbou, pretože sú náchylné na lokálnu koróziu. A v tejto dobe zníženej dostupnosti čerstvej vody na dopĺňanie chladiacej vody v spojení s chladiacimi vežami prevádzkovanými s vysokými koncentračnými cyklomi sa potenciálne mechanizmy zlyhania nehrdzavejúcej ocele zväčšujú. V niektorých aplikáciách nehrdzavejúca oceľ radu 300 prežije len mesiace, niekedy len týždne, kým sa nepokazí. Tento článok sa zameriava aspoň na otázky, ktoré by sa mali zvážiť pri výbere materiálov pre rúry kondenzátora z hľadiska úpravy vody. Medzi ďalšie faktory, ktoré nie sú v tomto článku diskutované, ale ktoré zohrávajú úlohu pri výbere materiálu, patrí pevnosť materiálu, vlastnosti prenosu tepla a odolnosť voči mechanickým silám vrátane únavy a eróznej korózie.
Pridanie 12 % alebo viac chrómu do ocele spôsobuje, že zliatina vytvára súvislú oxidovú vrstvu, ktorá chráni základný kov pod ňou. Preto termín nehrdzavejúca oceľ. Pri absencii iných legujúcich materiálov (najmä niklu) je uhlíková oceľ súčasťou feritovej skupiny a jej jednotková bunka má kubickú štruktúru centrovanú na telese (BCC).
Keď sa do zmesi zliatiny pridá nikel v koncentrácii 8 % alebo vyššej, článok bude existovať v plošne centrovanej kubickej (FCC) štruktúre nazývanej austenit, a to aj pri okolitej teplote.
Ako je uvedené v tabuľke 1, nehrdzavejúce ocele série 300 a iné nehrdzavejúce ocele majú obsah niklu, ktorý vytvára austenitickú štruktúru.
Austenitické ocele sa ukázali ako veľmi cenné v mnohých aplikáciách, vrátane materiálu pre vysokoteplotné prehrievače a prehrievače v energetických kotloch. Najmä séria 300 sa často používa ako materiál pre nízkoteplotné výmenníky tepla vrátane parných povrchových kondenzátorov. Avšak práve v týchto aplikáciách mnohí prehliadajú potenciálne mechanizmy poruchy.
Hlavným problémom nehrdzavejúcej ocele, najmä populárnych materiálov 304 a 316, je, že ochranná oxidová vrstva je často ničená nečistotami v chladiacej vode a trhlinami a usadeninami, ktoré pomáhajú koncentrovať nečistoty. Okrem toho, za podmienok odstavenia môže stojaca voda viesť k rastu mikróbov, ktorých metabolické vedľajšie produkty môžu byť pre kovy veľmi škodlivé.
Bežnou nečistotou v chladiacej vode, ktorá je jednou z najťažšie ekonomicky odstrániteľných, je chlorid. Tento ión môže spôsobiť veľa problémov v parných generátoroch, ale v kondenzátoroch a pomocných výmenníkoch tepla je hlavným problémom to, že chloridy v dostatočných koncentráciách môžu preniknúť a zničiť ochrannú vrstvu oxidu na nehrdzavejúcej oceli, čo spôsobuje lokalizovanú koróziu, t. j. jamkovú koróziu.
Jamková korózia je jednou z najzákernejších foriem korózie, pretože môže spôsobiť prenikanie stien a poruchu zariadení s malou stratou kovu.
Koncentrácie chloridov nemusia byť veľmi vysoké, aby spôsobili jamkovú koróziu v nehrdzavejúcej oceli 304 a 316, a pre čisté povrchy bez akýchkoľvek usadenín alebo štrbín sa odporúčajú maximálne koncentrácie chloridov:
Niekoľko faktorov môže ľahko spôsobiť koncentrácie chloridov, ktoré prekračujú tieto odporúčania, a to ako vo všeobecnosti, tak aj v lokálnych lokalitách. V prípade nových elektrární sa už veľmi zriedkavo zvažuje prietokové chladenie. Väčšina z nich je postavená s chladiacimi vežami alebo v niektorých prípadoch s kondenzátormi chladenými vzduchom (ACC). V prípade chladiacich veží sa koncentrácia nečistôt v kozmetike môže „cyklicky zvyšovať“. Napríklad kolóna s koncentráciou chloridov v dopĺňacej vode 50 mg/l pracuje s piatimi koncentračnými cyklami a obsah chloridov v cirkulujúcej vode je 250 mg/l. Už len toto by malo vo všeobecnosti vylúčiť 304 SS. Okrem toho v nových aj existujúcich elektrárňach rastie potreba nahrádzať sladkú vodu na dopĺňanie elektrární. Bežnou alternatívou je komunálna odpadová voda. Tabuľka 2 porovnáva analýzu štyroch zdrojov sladkej vody so štyrmi zdrojmi odpadovej vody.
Dávajte si pozor na zvýšené hladiny chloridov (a iných nečistôt, ako je dusík a fosfor, ktoré môžu výrazne zvýšiť mikrobiálnu kontamináciu v chladiacich systémoch). V podstate pri všetkých sivých vodách prekročí akákoľvek cirkulácia v chladiacej veži limit chloridov odporúčaný normou 316 SS.
Predchádzajúca diskusia je založená na koróznom potenciáli bežných kovových povrchov. Zlomy a sedimenty dramaticky menia situáciu, pretože obe poskytujú miesta, kde sa môžu koncentrovať nečistoty. Typickým miestom pre mechanické trhliny v kondenzátoroch a podobných výmenníkoch tepla sú spoje medzi rúrkami a rúrkovnicami. Sediment v rúrke môže vytvárať trhliny na hranici sedimentu a samotný sediment môže slúžiť ako miesto kontaminácie. Okrem toho, pretože nehrdzavejúca oceľ sa spolieha na súvislú vrstvu oxidu na ochranu, usadeniny môžu tvoriť miesta chudobné na kyslík, ktoré premieňajú zostávajúci oceľový povrch na anódu.
Vyššie uvedená diskusia načrtáva problémy, ktoré konštruktéri zariadení zvyčajne nezohľadňujú pri špecifikovaní materiálov rúrok kondenzátora a pomocného výmenníka tepla pre nové projekty. Mentalita týkajúca sa nerezových oceľových konštrukcií 304 a 316 sa niekedy stále javí ako „to sme vždy robili“ bez zohľadnenia dôsledkov takýchto krokov. K dispozícii sú alternatívne materiály, ktoré zvládajú drsnejšie podmienky chladiacej vody, ktorým v súčasnosti čelia mnohé zariadenia.
Pred diskusiou o alternatívnych kovoch je potrebné stručne uviesť ďalší bod. V mnohých prípadoch nerezová oceľ 316 alebo dokonca 304 fungovala dobre počas bežnej prevádzky, ale zlyhala počas výpadku prúdu. Vo väčšine prípadov je porucha spôsobená zlým odtokom kondenzátora alebo výmenníka tepla, čo spôsobuje stagnáciu vody v rúrkach. Toto prostredie poskytuje ideálne podmienky pre rast mikroorganizmov. Mikrobiálne kolónie následne produkujú korozívne zlúčeniny, ktoré priamo korodujú rúrkový kov.
Tento mechanizmus, známy ako mikrobiálne indukovaná korózia (MIC), je známy tým, že ničí rúry z nehrdzavejúcej ocele a iné kovy v priebehu niekoľkých týždňov. Ak nie je možné výmenník tepla vypustiť, je potrebné vážne zvážiť pravidelnú cirkuláciu vody cez výmenník tepla a pridávanie biocídu počas procesu. (Ďalšie podrobnosti o správnych postupoch ukladania nájdete v článku D. Janikowského „Vrstvenie kondenzačných a BOP výmenníkov – úvahy“; konané 4. – 6. júna 2019 v Champaign, IL, prezentované na 39. sympóziu Electric Utility Chemistry.)
V drsných prostrediach uvedených vyššie, ako aj v drsnejších prostrediach, ako je brakická alebo morská voda, je možné na ochranu pred nečistotami použiť alternatívne kovy. Osvedčili sa tri skupiny zliatin: komerčne čistý titán, austenitická nehrdzavejúca oceľ s obsahom 6 % molybdénu a superferitická nehrdzavejúca oceľ. Tieto zliatiny sú tiež odolné voči MIC. Hoci sa titán považuje za veľmi odolný voči korózii, jeho hexagonálna husto usporiadaná kryštalická štruktúra a extrémne nízky modul pružnosti ho robia náchylným na mechanické poškodenie. Táto zliatina je najvhodnejšia pre nové inštalácie so silnými nosnými konštrukciami potrubí. Vynikajúcou alternatívou je superferitická nehrdzavejúca oceľ Sea-Cure®. Zloženie tohto materiálu je uvedené nižšie.
Táto oceľ má vysoký obsah chrómu, ale nízky obsah niklu, takže ide skôr o feritickú nehrdzavejúcu oceľ ako o austenitickú. Vďaka nízkemu obsahu niklu je oveľa lacnejšia ako iné zliatiny. Vysoká pevnosť a modul pružnosti ocele Sea-Cure umožňujú tenšie steny ako iné materiály, čo vedie k lepšiemu prenosu tepla.
Zlepšené vlastnosti týchto kovov sú zobrazené v tabuľke „Ekvivalentné číslo odolnosti voči bodkovej korózii“, čo je, ako už názov napovedá, testovací postup používaný na určenie odolnosti rôznych kovov voči bodkovej korózii.
Jednou z najčastejších otázok je: „Aký je maximálny obsah chloridov, ktorý môže konkrétna trieda nehrdzavejúcej ocele tolerovať?“ Odpovede sa značne líšia. Medzi faktory patrí pH, teplota, prítomnosť a typ zlomenín a potenciál pre aktívne biologické druhy. Na pomoc s týmto rozhodnutím bol na obrázku 5 pridaný nástroj. Je založený na neutrálnom pH, tečúcej vode s teplotou 35 °C, ktorá sa bežne vyskytuje v mnohých aplikáciách BOP a kondenzácie (aby sa zabránilo tvorbe usadenín a trhlín). Po výbere zliatiny so špecifickým chemickým zložením je možné určiť PREn a potom ho pretínať s príslušnou lomkou. Odporúčanú maximálnu hladinu chloridov je potom možné určiť nakreslením vodorovnej čiary na pravej osi. Vo všeobecnosti, ak sa zliatina má zvážiť pre aplikácie v brakickej alebo morskej vode, musí mať CCT nad 25 stupňov Celzia, merané testom G 48.
Je zrejmé, že superferitické zliatiny reprezentované firmou Sea-Cure® sú vo všeobecnosti vhodné aj pre aplikácie s morskou vodou. Tieto materiály majú ešte jednu výhodu, ktorú treba zdôrazniť. Problémy s koróziou mangánu sa pozorujú u ocelí 304 a 316 SS už mnoho rokov, a to aj v závodoch pozdĺž rieky Ohio. Nedávno boli napadnuté výmenníky tepla v závodoch pozdĺž riek Mississippi a Missouri. Korózia mangánu je tiež bežným problémom v systémoch dopĺňania vody zo studní. Mechanizmus korózie bol identifikovaný ako reakcia oxidu manganičitého (MnO2) s oxidačným biocídom za vzniku kyseliny chlorovodíkovej pod usadeninou. HCl je to, čo skutočne napáda kovy. [WH Dickinson a RW Pick, „Korozia závislá od mangánu v priemysle elektrickej energie“; prezentované na výročnej konferencii NACE o korózii v roku 2002, Denver, CO.] Feritické ocele sú voči tomuto mechanizmu korózie odolné.
Výber kvalitnejších materiálov pre rúrky kondenzátora a výmenníka tepla stále nenahrádza správnu kontrolu chemickej úpravy vody. Ako autor Buecker načrtol v predchádzajúcom článku o energetickom inžinierstve, správne navrhnutý a prevádzkovaný program chemickej úpravy je nevyhnutný na minimalizáciu potenciálu tvorby vodného kameňa, korózie a znečistenia. Polymérna chémia sa stáva silnou alternatívou k staršej fosfátovej/fosfonátovej chémii na kontrolu korózie a tvorby vodného kameňa v systémoch chladiacich veží. Kontrola mikrobiálnej kontaminácie bola a bude naďalej kritickou otázkou. Zatiaľ čo oxidačná chémia s chlórom, bielidlom alebo podobnými zlúčeninami je základom mikrobiálnej kontroly, doplnkové úpravy môžu často zlepšiť účinnosť programov úpravy. Jedným z takýchto príkladov je stabilizačná chémia, ktorá pomáha zvýšiť rýchlosť uvoľňovania a účinnosť oxidačných biocídov na báze chlóru bez toho, aby sa do vody zavádzali akékoľvek škodlivé zlúčeniny. Okrem toho môže byť doplnkové krmivo s neoxidujúcimi fungicídmi veľmi prospešné pri kontrole mikrobiálneho vývoja. Výsledkom je, že existuje mnoho spôsobov, ako zlepšiť udržateľnosť a spoľahlivosť výmenníkov tepla elektrární, ale každý systém je iný, preto je pri výbere materiálov a chemických postupov dôležité starostlivé plánovanie a konzultácie s odborníkmi z odvetvia. Veľká časť tohto článku je napísaná z vodného zdroja. Z hľadiska úpravy sa nepodieľame na rozhodnutiach o materiáloch, ale sme požiadaní, aby sme pomohli riadiť dopad týchto rozhodnutí po uvedení zariadenia do prevádzky. Konečné rozhodnutie o výbere materiálu musia urobiť zamestnanci závodu na základe viacerých faktorov špecifikovaných pre každú aplikáciu.
O autorovi: Brad Buecker je hlavný technický publicista v spoločnosti ChemTreat. Má 36 rokov skúseností v energetickom priemysle alebo v spojení s ním, najmä v oblasti chémie výroby pary, úpravy vody, kontroly kvality ovzdušia a v spoločnostiach City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) a Kansas City Power & Light Company so sídlom v stanici La Cygne v Kansase. Dva roky pôsobil aj ako zastupujúci vedúci oddelenia vody/odpadových vôd v chemickom závode. Buecker má bakalársky titul z chémie z Iowskej štátnej univerzity a ďalšie kurzy v oblasti mechaniky tekutín, energetickej a materiálovej rovnováhy a pokročilej anorganickej chémie.
Dan Janikowski je technický manažér v spoločnosti Plymouth Tube. Už 35 rokov sa venuje vývoju kovov, výrobe a testovaniu rúrkových výrobkov vrátane zliatin medi, nehrdzavejúcej ocele, zliatin niklu, titánu a uhlíkovej ocele. Janikowski pôsobí v spoločnosti Plymouth Metro od roku 2005 a predtým, ako sa v roku 2010 stal technickým manažérom, zastával rôzne vedúce pozície.