Avtorji so vedno znova pregledali specifikacije novih energetskih projektov, v katerih načrtovalci elektrarn običajno izberejo nerjaveče jeklo 304 ali 316 za cevi kondenzatorja in pomožnega toplotnega izmenjevalnika. Za mnoge izraz nerjaveče jeklo pričara avro nepremagljive korozije, čeprav so nerjaveča jekla včasih lahko najslabša izbira, ker so dovzetna za lokalno korozijo. In v tej dobi zmanjšane razpoložljivosti sladke vode za dopolnjevanje hladilne vode, skupaj s hladilnimi stolpi, ki delujejo v ciklih visoke koncentracije, se potencialni mehanizmi odpovedi nerjavečega jekla povečajo. V nekaterih aplikacijah bo nerjaveče jeklo serije 300 preživelo le mesece, včasih le tedne, preden odpove. Ta članek se osredotoča vsaj na vprašanja, ki jih je treba upoštevati pri izbiri materialov za cevi kondenzatorja z vidika čiščenja vode. Drugi dejavniki, ki niso obravnavani v tem članku, vendar igrajo vlogo pri izbiri materiala, vključujejo trdnost materiala, lastnosti prenosa toplote in odpornost na mehanske sile, vključno z utrujenostjo in erozijo.
Če jeklu dodamo 12 % ali več kroma, zlitina tvori neprekinjeno oksidno plast, ki ščiti osnovno kovino pod njo. Od tod tudi izraz nerjavno jeklo. Če ni drugih legirnih materialov (zlasti niklja), ogljikovo jeklo spada v feritno skupino, njegova enotna celica pa ima kubično strukturo s centriranim telesom (BCC).
Ko se nikelj doda mešanici zlitine v koncentraciji 8 % ali več, bo celica obstajala v ploskovno centrirani kubični (FCC) strukturi, imenovani avstenit, tudi pri sobni temperaturi.
Kot je prikazano v tabeli 1, imajo nerjavna jekla serije 300 in druga nerjavna jekla vsebnost niklja, ki ustvarja avstenitno strukturo.
Avstenitna jekla so se izkazala za zelo dragocena v številnih aplikacijah, vključno kot material za visokotemperaturne pregrevalne in pregrevalne cevi v energetskih kotlih. Zlasti serija 300 se pogosto uporablja kot material za nizkotemperaturne cevi za toplotne izmenjevalnike, vključno s površinskimi kondenzatorji pare. Vendar pa prav pri teh aplikacijah mnogi spregledajo morebitne mehanizme okvar.
Glavna težava pri nerjavnem jeklu, zlasti priljubljenih materialih 304 in 316, je, da zaščitno oksidno plast pogosto uničijo nečistoče v hladilni vodi ter razpoke in usedline, ki pomagajo koncentrirati nečistoče. Poleg tega lahko stoječa voda v pogojih izklopa povzroči rast mikrobov, katerih presnovni stranski produkti so lahko zelo škodljivi za kovine.
Pogosta nečistoča hladilne vode in ena tistih, ki jih je najtežje ekonomsko odstraniti, je klorid. Ta ion lahko povzroči številne težave v parnih generatorjih, vendar je v kondenzatorjih in pomožnih toplotnih izmenjevalnikih glavna težava ta, da lahko kloridi v zadostnih koncentracijah prodrejo in uničijo zaščitno oksidno plast na nerjavnem jeklu, kar povzroči lokalizirano korozijo, tj. jamkasto korozijo.
Jamkasta korozija je ena najbolj zahrbtnih oblik korozije, saj lahko povzroči preboje v stene in okvaro opreme z majhno izgubo kovine.
Za povzročitev jamkaste korozije v nerjavnem jeklu 304 in 316 ni nujno, da so koncentracije klorida zelo visoke, za čiste površine brez usedlin ali razpok pa so priporočene najvišje koncentracije klorida naslednje:
Več dejavnikov lahko zlahka povzroči koncentracije kloridov, ki presegajo te smernice, tako na splošno kot na lokaliziranih lokacijah. Za nove elektrarne je postalo zelo redko najprej razmisliti o enkratnem hlajenju. Večina jih je zgrajenih s hladilnimi stolpi ali v nekaterih primerih z zračno hlajenimi kondenzatorji (ACC). Pri tistih s hladilnimi stolpi se lahko koncentracija nečistoč v kozmetiki "ciklično povečuje". Na primer, kolona s koncentracijo kloridov v dopolnilni vodi 50 mg/l deluje s petimi cikli koncentracije, vsebnost kloridov v krožni vodi pa je 250 mg/l. Že to bi moralo na splošno izključiti 304 SS. Poleg tega je v novih in obstoječih elektrarnah vse večja potreba po zamenjavi sladke vode za polnjenje elektrarne. Pogosta alternativa je komunalna odpadna voda. Tabela 2 primerja analizo štirih virov sladke vode s štirimi viri odpadne vode.
Bodite pozorni na povečane ravni kloridov (in drugih nečistoč, kot sta dušik in fosfor, ki lahko močno povečajo mikrobno kontaminacijo v hladilnih sistemih). Pri praktično vseh sivih vodah bo vsaka cirkulacija v hladilnem stolpu presegla mejo kloridov, ki jo priporoča standard 316 SS.
Prejšnja razprava temelji na korozijskem potencialu običajnih kovinskih površin. Razpoke in usedline dramatično spremenijo zgodbo, saj oboje zagotavlja mesta, kjer se lahko koncentrirajo nečistoče. Tipična lokacija za mehanske razpoke v kondenzatorjih in podobnih toplotnih izmenjevalnikih je na stičiščih med cevmi in cevnimi ploščami. Usedline v cevi lahko ustvarijo razpoke na meji usedlin, usedline pa lahko služijo kot mesto za kontaminacijo. Poleg tega, ker se nerjavno jeklo za zaščito zanaša na neprekinjeno oksidno plast, lahko usedline tvorijo mesta, revna s kisikom, ki preostalo jekleno površino spremenijo v anodo.
Zgornja razprava opisuje vprašanja, ki jih načrtovalci obratov običajno ne upoštevajo pri določanju materialov za cevi kondenzatorja in pomožnega toplotnega izmenjevalnika za nove projekte. Miselnost glede nerjavnih jeklenk 304 in 316 se včasih še vedno zdi "tako smo vedno počeli", ne da bi upoštevali posledice takšnih dejanj. Na voljo so alternativni materiali za obvladovanje težjih pogojev hladilne vode, s katerimi se zdaj sooča veliko obratov.
Preden se lotimo razprave o alternativnih kovinah, je treba na kratko omeniti še eno točko. V mnogih primerih je nerjaveča jekla 316 ali celo 304 med normalnim delovanjem delovala dobro, vendar je odpovedala med izpadom električne energije. V večini primerov je okvara posledica slabega odtekanja kondenzatorja ali toplotnega izmenjevalnika, kar povzroča stoječo vodo v ceveh. To okolje zagotavlja idealne pogoje za rast mikroorganizmov. Mikrobne kolonije nato proizvajajo korozivne spojine, ki neposredno korodirajo cevasto kovino.
Ta mehanizem, znan kot mikrobno povzročena korozija (MIC), uniči cevi iz nerjavečega jekla in druge kovine v nekaj tednih. Če toplotnega izmenjevalnika ni mogoče izprazniti, je treba resno razmisliti o občasnem kroženju vode skozi toplotni izmenjevalnik in dodajanju biocida med postopkom. (Za več podrobnosti o pravilnih postopkih polaganja glejte D. Janikowski, »Polaganje kondenzatorjev in BOP izmenjevalnikov – Premisleki«; potekalo od 4. do 6. junija 2019 v Champaignu, Illinois, predstavljeno na 39. simpoziju o kemiji elektroenergetskih podjetij.)
Za zgoraj omenjena zahtevna okolja, pa tudi za zahtevnejša okolja, kot sta brakična ali morska voda, se lahko za preprečevanje nečistoč uporabijo alternativne kovine. Tri skupine zlitin so se izkazale za uspešne: komercialno čisti titan, 6-odstotno molibdensko avstenitno nerjavno jeklo in superferitno nerjavno jeklo. Te zlitine so tudi odporne proti MIC. Čeprav titan velja za zelo odpornega proti koroziji, ga njegova heksagonalna gosto pakirana kristalna struktura in izjemno nizek modul elastičnosti naredita dovzetnega za mehanske poškodbe. Ta zlitina je najbolj primerna za nove inštalacije z močnimi nosilnimi konstrukcijami za cevi. Odlična alternativa je super feritno nerjavno jeklo Sea-Cure®. Sestava tega materiala je prikazana spodaj.
Jeklo ima veliko kroma, vendar malo niklja, zato gre za feritno nerjavno jeklo in ne za avstenitno. Zaradi nizke vsebnosti niklja stane veliko manj kot druge zlitine. Visoka trdnost in elastični modul Sea-Cure omogočata tanjše stene kot drugi materiali, kar ima za posledico boljši prenos toplote.
Izboljšane lastnosti teh kovin so prikazane na tabeli »Ekvivalentno število odpornosti proti jamkasti koroziji«, ki je, kot že ime pove, preskusni postopek, ki se uporablja za določanje odpornosti različnih kovin proti jamkasti koroziji.
Eno najpogostejših vprašanj je: »Kakšna je najvišja vsebnost klorida, ki jo lahko prenese določena vrsta nerjavečega jekla?« Odgovori se zelo razlikujejo. Dejavniki vključujejo pH, temperaturo, prisotnost in vrsto zlomov ter potencial za aktivne biološke vrste. Na desni osi slike 5 je bilo dodano orodje, ki pomaga pri tej odločitvi. Temelji na nevtralnem pH, tekoči vodi s temperaturo 35 °C, ki jo pogosto najdemo v številnih aplikacijah BOP in kondenzacije (za preprečevanje nastajanja usedlin in razpok). Ko je izbrana zlitina s specifično kemično sestavo, je mogoče določiti PREn in nato preseči ustrezno poševnico. Priporočeno najvišjo raven klorida je nato mogoče določiti z risanjem vodoravne črte na desni osi. Na splošno, če se zlitina upošteva za uporabo v brakični ali morski vodi, mora imeti CCT nad 25 stopinj Celzija, izmerjeno s testom G 48.
Jasno je, da so superferitne zlitine, ki jih predstavlja Sea-Cure®, na splošno primerne celo za uporabo v morski vodi. Poudariti je treba še eno prednost teh materialov. Težave s korozijo mangana so bile opažene pri jeklih 304 in 316 SS že vrsto let, vključno v obratih ob reki Ohio. Pred kratkim so bili napadeni toplotni izmenjevalniki v obratih ob rekah Mississippi in Missouri. Korozija mangana je pogosta težava tudi v sistemih za dopolnjevanje vode iz vodnjakov. Mehanizem korozije je bil ugotovljen kot reakcija manganovega dioksida (MnO2) z oksidacijskim biocidom, pri čemer se pod usedlino ustvari klorovodikova kislina. HCl je tisti, ki dejansko napada kovine. [WH Dickinson in RW Pick, "Mangane-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; predstavljeno na letni konferenci o koroziji NACE leta 2002, Denver, CO.] Feritna jekla so odporna na ta mehanizem korozije.
Izbira visokokakovostnih materialov za cevi kondenzatorjev in toplotnih izmenjevalnikov še vedno ne more nadomestiti ustreznega nadzora kemije čiščenja vode. Kot je avtor Buecker opisal v prejšnjem članku o energetiki, je pravilno zasnovan in delujoč program kemične obdelave potreben za zmanjšanje možnosti nastajanja vodnega kamna, korozije in obraščanja. Polimerna kemija se pojavlja kot močna alternativa starejši fosfatni/fosfonatni kemiji za nadzor korozije in nastajanja vodnega kamna v sistemih hladilnih stolpov. Nadzor mikrobne kontaminacije je bil in bo še naprej ključno vprašanje. Medtem ko je oksidativna kemija s klorom, belilom ali podobnimi spojinami temelj mikrobnega nadzora, lahko dodatna obdelava pogosto izboljša učinkovitost programov čiščenja. En tak primer je stabilizacijska kemija, ki pomaga povečati hitrost sproščanja in učinkovitost oksidativnih biocidov na osnovi klora, ne da bi v vodo vnesla kakršne koli škodljive spojine. Poleg tega je lahko dodatna krma z neoksidativnimi fungicidi zelo koristna pri nadzoru razvoja mikrobov. Posledica tega je, da obstaja veliko načinov za izboljšanje trajnosti in zanesljivosti toplotnih izmenjevalnikov elektrarn, vendar je vsak sistem drugačen, zato je skrbno načrtovanje in posvetovanje s strokovnjaki iz industrije pomembno za izbiro materialov in kemičnih postopkov. Velik del tega članka je napisan iz vodnega Z vidika obdelave nismo vključeni v odločitve o materialih, vendar smo pozvani, da pomagamo pri obvladovanju vpliva teh odločitev, ko je oprema zagnana in deluje. Končno odločitev o izbiri materiala mora sprejeti osebje obrata na podlagi številnih dejavnikov, določenih za vsako uporabo.
O avtorju: Brad Buecker je višji tehnični publicist pri ChemTreat. Ima 36 let izkušenj v elektroenergetski industriji ali z njo povezan, večinoma na področju kemije za proizvodnjo pare, čiščenja vode, nadzora kakovosti zraka in v podjetju City Water, Light & Power (Springfield, Illinois), podjetje Kansas City Power & Light Company pa se nahaja na postaji La Cygne v Kansasu. Dve leti je bil tudi vršilec dolžnosti nadzornika za vodo/odpadno vodo v kemični tovarni. Buecker ima diplomo iz kemije z univerze Iowa State University z dodatnimi tečaji iz mehanike tekočin, energijskega in materialnega ravnovesja ter napredne anorganske kemije.
Dan Janikowski je tehnični vodja pri Plymouth Tube. Že 35 let se ukvarja z razvojem kovin, proizvodnjo in testiranjem cevnih izdelkov, vključno z bakrenimi zlitinami, nerjavnim jeklom, nikljevimi zlitinami, titanom in ogljikovim jeklom. Janikowski je v podjetju Plymouth Metro zaposlen od leta 2005 in je pred svojim imenovanjem leta 2010 zasedal različne višje položaje.