Аутори су изнова и изнова прегледали спецификације нових енергетских пројеката, у којима пројектанти постројења обично бирају нерђајући челик 304 или 316 за цеви кондензатора и помоћног измењивача топлоте. За многе, термин нерђајући челик изазива ауру непобедиве корозије, док у ствари, нерђајући челици понекад могу бити најгори избор јер су подложни локализованој корозији. И, у овој ери смањене доступности свеже воде за надокнаду расхладне воде, заједно са расхладним торњевима који раде у циклусима високе концентрације, потенцијални механизми квара нерђајућег челика су увећани. У неким применама, нерђајући челик серије 300 ће преживети само месецима, понекад само недељама, пре него што откаже. Овај чланак се фокусира барем на питања која треба узети у обзир при избору материјала за цеви кондензатора из перспективе пречишћавања воде. Други фактори који нису разматрани у овом раду, али који играју улогу у избору материјала укључују чврстоћу материјала, својства преноса топлоте и отпорност на механичке силе, укључујући замор и ерозију.
Додавање 12% или више хрома челику доводи до тога да легура формира континуирани оксидни слој који штити основни метал испод. Отуда и термин нерђајући челик. У одсуству других легирајућих материјала (посебно никла), угљенични челик је део феритне групе, а његова јединична ћелија има кубну структуру центрирану по телу (BCC).
Када се никл дода у смешу легуре у концентрацији од 8% или више, ћелија ће постојати у површински центрираној кубичној (FCC) структури која се назива аустенит, чак и на собној температури.
Као што је приказано у Табели 1, нерђајући челици серије 300 и други нерђајући челици имају садржај никла који ствара аустенитну структуру.
Аустенитни челици су се показали веома вредним у многим применама, укључујући и као материјал за цеви прегревача и прегревача високих температура у енергетским котловима. Серија 300 се посебно често користи као материјал за цеви за измењивање топлоте ниских температура, укључујући површинске кондензаторе паре. Међутим, управо у тим применама многи превиђају потенцијалне механизме квара.
Главна потешкоћа са нерђајућим челиком, посебно популарним материјалима 304 и 316, јесте то што заштитни оксидни слој често уништавају нечистоће у расхладној води и пукотине и наслаге које помажу у концентрацији нечистоћа. Поред тога, у условима искључења, стајаћа вода може довести до раста микроба, чији метаболички нуспроизводи могу бити веома штетни за метале.
Уобичајена нечистоћа расхладне воде, и једна од најтежих за економски уклањање, је хлорид. Овај јон може изазвати многе проблеме у генераторима паре, али у кондензаторима и помоћним измењивачима топлоте, главна потешкоћа је у томе што хлориди у довољним концентрацијама могу продрети и уништити заштитни оксидни слој на нерђајућем челику, узрокујући локализовану корозију, тј. тачкасту корозију.
Точкаста корозија је један од најподмуклијих облика корозије јер може изазвати продоре у зидове и квар опреме уз мали губитак метала.
Концентрације хлорида не морају бити веома високе да би изазвале корозију у облику тачкасте структуре код нерђајућег челика 304 и 316, а за чисте површине без икаквих наслага или пукотина, препоручене максималне концентрације хлорида сада се сматрају следећим:
Неколико фактора може лако произвести концентрације хлорида које прелазе ове смернице, како генерално тако и на локализованим локацијама. Постало је веома ретко прво разматрати једнократно хлађење за нове електране. Већина је изграђена са расхладним торњевима, или у неким случајевима, кондензаторима хлађеним ваздухом (ACC). Код оних са расхладним торњевима, концентрација нечистоћа у козметици може „циклирати“. На пример, колона са концентрацијом хлорида у води за надокнаду од 50 мг/л ради са пет циклуса концентрације, а садржај хлорида у циркулишућој води је 250 мг/л. Само ово би генерално требало да искључи 304 SS. Поред тога, у новим и постојећим постројењима постоји све већа потреба за заменом свеже воде за пуњење постројења. Уобичајена алтернатива су комуналне отпадне воде. Табела 2 упоређује анализу четири извора слатке воде са четири извора отпадних вода.
Пазите на повећане нивое хлорида (и других нечистоћа, као што су азот и фосфор, које могу значајно повећати микробну контаминацију у системима за хлађење). За практично сву сиву воду, свака циркулација у расхладном торњу ће прећи границу хлорида коју препоручује 316 SS.
Претходна дискусија заснива се на потенцијалу корозије уобичајених металних површина. Преломи и седименти драматично мењају причу, јер оба пружају места где се нечистоће могу концентрисати. Типична локација за механичке пукотине у кондензаторима и сличним измењивачима топлоте је на спојевима цеви и цеви. Седимент унутар цеви може створити пукотине на граници седимента, а сам седимент може послужити као место за контаминацију. Штавише, пошто се нерђајући челик ослања на континуирани оксидни слој за заштиту, наслаге могу формирати места сиромашна кисеоником која преосталу површину челика претварају у аноду.
Горе наведена дискусија наводи проблеме које пројектанти постројења обично не узимају у обзир приликом одређивања материјала за цеви кондензатора и помоћних измењивача топлоте за нове пројекте. Менталитет у вези са нерђајућим челима 304 и 316 понекад и даље изгледа као „то смо одувек радили“, без разматрања последица таквих поступака. Доступни су алтернативни материјали за руковање тежим условима расхладне воде са којима се многа постројења сада суочавају.
Пре него што се почне са дискусијом о алтернативним металима, мора се укратко навести још једна ствар. У многим случајевима, нерђајући челник од нержавне цеви 316 или чак нерђајући челник од нержавне цеви 304 добро је функционисао током нормалног рада, али је отказао током нестанка струје. У већини случајева, квар је последица лошег одводњавања кондензатора или измењивача топлоте, што узрокује стагнацију воде у цевима. Ово окружење пружа идеалне услове за раст микроорганизама. Микробне колоније заузврат производе корозивна једињења која директно нагризају металне цеви.
Овај механизам, познат као микробно индукована корозија (МИК), познат је по томе што уништава цеви од нерђајућег челика и друге метале у року од неколико недеља. Ако се измењивач топлоте не може испразнити, треба озбиљно размотрити периодичну циркулацију воде кроз измењивач топлоте и додавање биоцида током процеса. (За више детаља о правилним поступцима постављања, погледајте Д. Јаниковски, „Постављање слојева кондензатора и БОП измењивача – разматрања“; одржано од 4. до 6. јуна 2019. у Шампејну, Илиноис, презентовано на 39. симпозијуму о хемији електроенергетских компанија.)
За горе наведене сурове услове окружења, као и за сурове услове окружења попут боћате или морске воде, могу се користити алтернативни метали за уклањање нечистоћа. Три групе легура су се показале успешним: комерцијално чисти титанијум, нерђајући челик са 6% молибдена и суперферитни нерђајући челик. Ове легуре су такође отпорне на МИХ. Иако се титанијум сматра веома отпорним на корозију, његова хексагонална густо упакована кристална структура и изузетно низак модул еластичности чине га подложним механичким оштећењима. Ова легура је најпогоднија за нове инсталације са јаким носећим структурама цеви. Одлична алтернатива је суперферитни нерђајући челик Sea-Cure®. Састав овог материјала је приказан испод.
Челик има висок садржај хрома, али низак садржај никла, тако да је то феритни нерђајући челик, а не аустенитни нерђајући челик. Због ниског садржаја никла, кошта много мање од других легура. Висока чврстоћа и модул еластичности Sea-Cure-а омогућавају тање зидове од других материјала, што резултира побољшаним преносом топлоте.
Побољшана својства ових метала приказана су на табели „Еквивалентни број отпорности на тачкасту корозију“, која је, као што и само име сугерише, поступак испитивања који се користи за одређивање отпорности различитих метала на тачкасту корозију.
Једно од најчешћих питања је „Који је максимални садржај хлорида који одређена врста нерђајућег челика може да толерише?“ Одговори се веома разликују. Фактори укључују pH, температуру, присуство и врсту прелома и потенцијал за активне биолошке врсте. На десној оси слике 5 додат је алат који помаже у овој одлуци. Заснован је на неутралном pH, текућој води температуре 35°C која се обично налази у многим BOP и кондензационим применама (како би се спречило стварање наслага и пукотина). Када се изабере легура са одређеним хемијским саставом, може се одредити PREn, а затим пресећи одговарајућом косом линијом. Препоручени максимални ниво хлорида се затим може одредити цртањем хоризонталне линије на десној оси. Генерално, ако се легура разматра за примене у боћатој или морској води, она мора имати CCT изнад 25 степени Целзијуса, мерено G 48 тестом.
Јасно је да су суперферитне легуре које представља Sea-Cure® генерално погодне чак и за примене у морској води. Постоји још једна предност ових материјала коју треба нагласити. Проблеми са корозијом мангана примећени су код нержавних челика 304 и 316 већ дуги низ година, укључујући и постројења дуж реке Охајо. Недавно су нападнути измењивачи топлоте у постројењима дуж река Мисисипи и Мисури. Корозија мангана је такође чест проблем у системима за допуну воде из бунара. Механизам корозије је идентификован као реакција манган-диоксида (MnO2) са оксидационим биоцидом, стварајући хлороводоничну киселину испод наслага. HCl је оно што заиста напада метале. [WH Dickinson и RW Pick, „Корозија зависна од мангана у индустрији електричне енергије“; представљено на годишњој конференцији о корозији NACE 2002. године, Денвер, Колорадо.] Феритни челици су отпорни на овај механизам корозије.
Избор материјала вишег квалитета за цеви кондензатора и измењивача топлоте и даље није замена за правилну контролу хемије третмана воде. Као што је аутор Букер навео у претходном чланку о енергетици, правилно дизајниран и вођен програм хемијске обраде је неопходан како би се минимизирао потенцијал за стварање каменца, корозију и загађење. Полимерна хемија се појављује као моћна алтернатива старијој фосфатној/фосфонатној хемији за контролу корозије и стварање каменца у системима расхладних торњева. Контрола микробне контаминације је била и наставиће да буде критично питање. Иако је оксидативна хемија са хлором, избељивачем или сличним једињењима камен темељац микробне контроле, додатни третмани често могу побољшати ефикасност програма третмана. Један такав пример је стабилизациона хемија, која помаже у повећању брзине ослобађања и ефикасности оксидационих биоцида на бази хлора без уношења било каквих штетних једињења у воду. Поред тога, додатна исхрана неоксидујућим фунгицидима може бити веома корисна у контроли развоја микроба. Резултат је да постоји много начина за побољшање одрживости и поузданости измењивача топлоте електрана, али сваки систем је другачији, тако да је пажљиво планирање и консултације са стручњацима из индустрије важно за избор материјала и хемијских поступака. Већи део овог чланка је написан из воденог... Са становишта третмана, нисмо укључени у одлуке о материјалима, али се од нас тражи да помогнемо у управљању утицајем тих одлука када опрема буде пуштена у рад. Коначну одлуку о избору материјала мора донети особље постројења на основу низа фактора наведених за сваку примену.
О аутору: Бред Букер је виши технички публициста у компанији ChemTreat. Има 36 година искуства у енергетској индустрији или повезан са њом, углавном у хемији за производњу паре, пречишћавању воде, контроли квалитета ваздуха и у компанији City Water, Light & Power (Спрингфилд, Илиноис), а компанија Kansas City Power & Light налази се у станици Ла Цињ у Канзасу. Такође је две године провео као вршилац дужности надзорника за воду/отпадне воде у хемијском постројењу. Букер има диплому основних студија хемије са Државног универзитета Ајове, са додатним курсевима из механике флуида, равнотеже енергије и материјала и напредне неорганске хемије.
Ден Јаниковски је технички менаџер у компанији Plymouth Tube. Већ 35 година бави се развојем метала, производњом и испитивањем цевастих производа, укључујући легуре бакра, нерђајући челик, легуре никла, титанијум и угљенични челик. Јаниковски је у Plymouth Metro-у од 2005. године и обављао је разне високе позиције пре него што је постао технички менаџер 2010. године.