POWERGEN International Call for Content är nu öppen! Vi söker talare från energi- och kraftproduktionsbranschen. Ämnen inkluderar konventionell och förnybar kraftproduktion, digital transformation av kraftverk, energilagring, mikronät, anläggningsoptimering, elförsörjning på plats med mera.
Författarna har gång på gång granskat nya kraftprojektspecifikationer, där anläggningskonstruktörer vanligtvis väljer rostfritt stål 304 eller 316 för kondensor- och hjälpvärmeväxlarrör. För många frammanar termen rostfritt stål en aura av oövervinnerlig korrosion, när rostfritt stål i själva verket ibland kan vara det sämsta valet eftersom de är känsliga för lokal korrosion. Och i denna tid av minskad tillgång på färskvatten för kylvattenpåfyllning, i kombination med kyltorn som arbetar med höga koncentrationscykler, förstärks potentiella felmekanismer för rostfritt stål. I vissa tillämpningar kommer rostfritt stål i 300-serien bara att överleva i månader, ibland bara veckor, innan det går sönder. Den här artikeln fokuserar på åtminstone de frågor som bör beaktas vid val av kondensorrörsmaterial ur ett vattenreningsperspektiv. Andra faktorer som inte diskuteras i denna artikel men som spelar en roll i materialvalet inkluderar materialhållfasthet, värmeöverföringsegenskaper och motståndskraft mot mekaniska krafter, inklusive utmattningskorrosion och erosionskorrosion.
Tillsats av 12 % eller mer krom till stål gör att legeringen bildar ett kontinuerligt oxidlager som skyddar basmetallen under. Därav termen rostfritt stål. I avsaknad av andra legeringsmaterial (särskilt nickel) är kolstål en del av ferritgruppen, och dess enhetscell har en kroppscentrerad kubisk (BCC) struktur.
När nickel tillsätts legeringsblandningen i en koncentration på 8 % eller högre, även vid omgivningstemperatur, kommer cellen att ha en ytcentrerad kubisk (FCC) struktur som kallas austenit.
Som visas i tabell 1 har rostfria stål i 300-serien och andra rostfria stål ett nickelinnehåll som ger en austenitisk struktur.
Austenitiska stål har visat sig vara mycket värdefulla i många tillämpningar, bland annat som material för högtemperaturöverhettare och återvärmare i kraftpannor. 300-serien används i synnerhet ofta som material för lågtemperaturvärmeväxlarrör, inklusive ångkondensorer. Det är dock i dessa tillämpningar som många förbiser potentiella felmekanismer.
Den största svårigheten med rostfritt stål, särskilt de populära materialen 304 och 316, är att det skyddande oxidskiktet ofta förstörs av föroreningar i kylvattnet och av sprickor och avlagringar som hjälper till att koncentrera föroreningar. Dessutom kan stillastående vatten under avstängningsförhållanden leda till mikrobiell tillväxt, vars metaboliska biprodukter kan vara mycket skadliga för metaller.
En vanlig förorening i kylvatten, och en av de svåraste att avlägsna ekonomiskt, är klorid. Denna jon kan orsaka många problem i ånggeneratorer, men i kondensorer och hjälpvärmeväxlare är den största svårigheten att klorider i tillräckliga koncentrationer kan penetrera och förstöra det skyddande oxidskiktet på rostfritt stål, vilket orsakar lokal korrosion, dvs. gropfrätning.
Gropfrätning är en av de mest lömska formerna av korrosion eftersom den kan orsaka vägggenomträngningar och utrustningsfel med liten metallförlust.
Kloridkoncentrationerna behöver inte vara särskilt höga för att orsaka punktkorrosion i rostfritt stål 304 och 316, och för rena ytor utan avlagringar eller sprickor anses de rekommenderade maximala kloridkoncentrationerna nu vara:
Flera faktorer kan lätt producera kloridkoncentrationer som överstiger dessa riktlinjer, både generellt och på lokala platser. Det har blivit mycket sällsynt att först överväga engångskylning för nya kraftverk. De flesta är byggda med kyltorn, eller i vissa fall luftkylda kondensorer (ACC). För de med kyltorn kan koncentrationen av föroreningar i kosmetika "cykla upp". Till exempel arbetar en kolonn med en kloridkoncentration i spädvatten på 50 mg/l med fem koncentrationscykler, och kloridhalten i det cirkulerande vattnet är 250 mg/l. Detta ensamt borde i allmänhet utesluta 304 SS. Dessutom finns det i nya och befintliga anläggningar ett ökande behov av att ersätta färskvatten för påfyllning av anläggningen. Ett vanligt alternativ är kommunalt avloppsvatten. Tabell 2 jämför analysen av de fyra sötvattenförsörjningarna med de fyra avloppsvattenförsörjningarna.
Se upp för förhöjda kloridnivåer (och andra föroreningar, såsom kväve och fosfor, vilka kan öka mikrobiell kontaminering i kylsystem kraftigt). För i princip allt gråvatten kommer all cirkulation i kyltornet att överskrida kloridgränsen som rekommenderas av 316 SS.
Föregående diskussion baseras på korrosionspotentialen hos vanliga metallytor. Sprickor och sediment förändrar bilden dramatiskt, eftersom båda utgör platser där föroreningar kan koncentreras. En typisk plats för mekaniska sprickor i kondensorer och liknande värmeväxlare är vid rör-till-rör-plåtövergångar. Sediment inuti röret kan skapa sprickor vid sedimentgränsen, och själva sedimentet kan fungera som en plats för kontaminering. Dessutom, eftersom rostfritt stål är beroende av ett kontinuerligt oxidlager för skydd, kan avlagringarna bilda syrefattiga platser som förvandlar den återstående stålytan till en anod.
Ovanstående diskussion beskriver problem som anläggningskonstruktörer vanligtvis inte beaktar när de specificerar material för kondensor- och hjälpvärmeväxlarrör för nya projekt. Mentaliteten kring 304 och 316 SS verkar ibland fortfarande vara "det är vad vi alltid har gjort" utan att beakta konsekvenserna av sådana åtgärder. Alternativa material finns tillgängliga för att hantera de hårdare kylvattenförhållanden som många anläggningar nu står inför.
Innan vi diskuterar alternativa metaller måste en annan punkt kortfattat nämnas. I många fall fungerade en 316 SS eller till och med en 304 SS bra under normal drift, men gick sönder under ett strömavbrott. I de flesta fall beror felet på dålig dränering av kondensorn eller värmeväxlaren, vilket orsakar stillastående vatten i rören. Denna miljö ger idealiska förhållanden för tillväxt av mikroorganismer. Mikrobiella kolonier producerar i sin tur korrosiva föreningar som direkt korroderar den rörformiga metallen.
Denna mekanism, känd som mikrobiellt inducerad korrosion (MIC), är känd för att förstöra rör av rostfritt stål och andra metaller inom några veckor. Om värmeväxlaren inte kan tömmas bör man noga överväga att regelbundet cirkulera vatten genom värmeväxlaren och tillsätta biocid under processen. (För mer information om korrekta uppläggningsprocedurer, se D. Janikowski, “Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations”; hölls 4-6 juni 2019 i Champaign, IL Presenterad vid det 39:e Electric Utility Chemistry Symposium.)
För de tuffa miljöer som beskrivits ovan, såväl som tuffare miljöer som bräckt vatten eller havsvatten, kan alternativa metaller användas för att avvärja föroreningar. Tre legeringsgrupper har visat sig vara framgångsrika: kommersiellt rent titan, 6 % molybden austenitiskt rostfritt stål och superferritiskt rostfritt stål. Dessa legeringar är också MIC-resistenta. Även om titan anses vara mycket korrosionsbeständigt, gör dess hexagonala, tätpackade kristallstruktur och extremt låga elasticitetsmodul den känslig för mekaniska skador. Denna legering är bäst lämpad för nya installationer med starka rörstödstrukturer. Ett utmärkt alternativ är det superferritiska rostfria stålet Sea-Cure®. Materialets sammansättning visas nedan.
Stålet har hög kromhalt men låg nickelhalt, så det är ett ferritiskt rostfritt stål snarare än ett austenitiskt rostfritt stål. På grund av dess låga nickelhalt kostar det mycket mindre än andra legeringar. Sea-Cures höga hållfasthet och elasticitetsmodul möjliggör tunnare väggar än andra material, vilket resulterar i förbättrad värmeöverföring.
De förbättrade egenskaperna hos dessa metaller visas i diagrammet "Pitting Resistance Equivalent Number", vilket, som namnet antyder, är en testprocedur som används för att bestämma motståndskraften hos olika metaller mot punktkorrosion.
En av de vanligaste frågorna är "Vad är den maximala kloridhalten som en viss kvalitet av rostfritt stål kan tolerera?" Svaren varierar kraftigt. Faktorer inkluderar pH, temperatur, förekomst och typ av sprickor, samt potentialen för aktiva biologiska ämnen. Ett verktyg har lagts till på den högra axeln i figur 5 för att hjälpa till med detta beslut. Det är baserat på neutralt pH, 35 °C rinnande vatten som vanligtvis finns i många BOP- och kondensationsapplikationer (för att förhindra avlagringar och sprickbildning). När en legering med en specifik kemisk sammansättning har valts kan PREn bestämmas och sedan skäras med lämpligt snedstreck. Den rekommenderade maximala kloridnivån kan sedan bestämmas genom att rita en horisontell linje på den högra axeln. I allmänhet, om en legering ska övervägas för bräckt- eller havsvattenapplikationer, måste den ha en CCT över 25 grader Celsius, mätt med G 48-testet.
Det är tydligt att de superferritiska legeringarna som representeras av Sea-Cure® generellt sett är lämpliga även för havsvattenapplikationer. Det finns ytterligare en fördel med dessa material som måste betonas. Mangankorrosionsproblem har observerats för 304 och 316 SS under många år, inklusive vid anläggningar längs Ohiofloden. Nyligen har värmeväxlare vid anläggningar längs Mississippi- och Missourifloderna attackerats. Mangankorrosion är också ett vanligt problem i system för brunnsvattenpåfyllning. Korrosionsmekanismen har identifierats som mangandioxid (MnO2) som reagerar med en oxiderande biocid för att generera saltsyra under avlagringen. HCl är det som verkligen angriper metaller. [WH Dickinson och RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; presenterat vid 2002 NACE Annual Corrosion Conference, Denver, CO.] Ferritiska stål är resistenta mot denna korrosionsmekanism.
Att välja material av högre kvalitet för kondensor- och värmeväxlarrör är fortfarande ingen ersättning för korrekt kemisk kontroll av vattenrening. Som författaren Buecker har beskrivit i en tidigare artikel om kraftteknik är ett korrekt utformat och skött kemiskt behandlingsprogram nödvändigt för att minimera risken för avlagringar, korrosion och nedsmutsning. Polymerkemi framträder som ett kraftfullt alternativ till äldre fosfat-/fosfonatkemi för att kontrollera korrosion och avlagringar i kyltornssystem. Kontroll av mikrobiell kontaminering har varit och kommer att fortsätta vara en kritisk fråga. Medan oxidativ kemi med klor, blekmedel eller liknande föreningar är hörnstenen i mikrobiell kontroll, kan kompletterande behandlingar ofta förbättra effektiviteten i behandlingsprogram. Ett sådant exempel är stabiliseringskemi, som hjälper till att öka frisättningshastigheten och effektiviteten hos klorbaserade oxiderande biocider utan att introducera några skadliga föreningar i vattnet. Dessutom kan kompletterande matning med icke-oxiderande fungicider vara mycket fördelaktigt för att kontrollera mikrobiell utveckling. Resultatet är att det finns många sätt att förbättra hållbarheten och tillförlitligheten hos kraftverksvärmeväxlare, men varje system är annorlunda, så noggrann planering och samråd med branschexperter är viktigt för val av material och kemiska procedurer. Mycket av Den här artikeln är skriven ur ett vattenreningsperspektiv. Vi är inte involverade i materialbeslut, men vi ombeds att hjälpa till att hantera effekterna av dessa beslut när utrustningen är i drift. Det slutgiltiga beslutet om materialval måste fattas av anläggningspersonalen baserat på ett antal faktorer som specificeras för varje tillämpning.
Om författaren: Brad Buecker är senior teknisk publicist på ChemTreat. Han har 36 års erfarenhet av eller anknuten till kraftindustrin, mycket av den inom ånggenereringskemi, vattenrening, luftkvalitetskontroll och på City Water, Light & Power (Springfield, IL) och Kansas City Power & Light Company ligger vid La Cygne Station, Kansas. Han tillbringade också två år som tillförordnad vatten-/avloppsvattenchef på en kemisk anläggning. Buecker har en kandidatexamen i kemi från Iowa State University med ytterligare kurser i strömningsmekanik, energi- och materialjämvikt samt avancerad oorganisk kemi.
Dan Janikowski är teknisk chef på Plymouth Tube. I 35 år har han varit involverad i utveckling av metaller, tillverkning och testning av rörformiga produkter, inklusive kopparlegeringar, rostfritt stål, nickellegeringar, titan och kolstål. Janikowski har arbetat på Plymouth Metro sedan 2005 och har haft olika ledande befattningar innan han blev teknisk chef 2010.