POWERGEN International Call for Content เปิดรับแล้ว! เรากำลังหาวิทยากรจากอุตสาหกรรมสาธารณูปโภคและการผลิตไฟฟ้า หัวข้อต่างๆ ได้แก่ การผลิตไฟฟ้าแบบดั้งเดิมและพลังงานหมุนเวียน การเปลี่ยนแปลงทางดิจิทัลของโรงไฟฟ้า การกักเก็บพลังงาน ไมโครกริด การเพิ่มประสิทธิภาพของโรงงาน พลังงานในสถานที่ และอื่นๆ อีกมากมาย
ผู้เขียนได้ตรวจสอบข้อกำหนดของโครงการพลังงานใหม่ ๆ หลายครั้ง ซึ่งนักออกแบบโรงงานมักจะเลือกสเตนเลส 304 หรือ 316 สำหรับท่อคอนเดนเซอร์และท่อแลกเปลี่ยนความร้อนเสริม สำหรับหลาย ๆ คน คำว่าสเตนเลสทำให้หวนนึกถึงการกัดกร่อนที่ไม่มีวันพ่ายแพ้ แต่ในความเป็นจริง สเตนเลสอาจเป็นตัวเลือกที่แย่ที่สุดในบางครั้ง เนื่องจากไวต่อการกัดกร่อนเฉพาะที่ได้ง่าย และในยุคนี้ที่น้ำจืดสำหรับเติมน้ำหล่อเย็นมีน้อยลง ประกอบกับหอคอยหล่อเย็นทำงานด้วยรอบความเข้มข้นสูง กลไกการล้มเหลวของสเตนเลสจึงยิ่งทวีความรุนแรงมากขึ้น ในการใช้งานบางประเภท สเตนเลสซีรีส์ 300 จะมีอายุเพียงเดือน บางครั้งเพียงไม่กี่สัปดาห์ ก่อนจะล้มเหลว บทความนี้มุ่งเน้นที่อย่างน้อยก็ประเด็นที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกวัสดุท่อคอนเดนเซอร์จากมุมมองของการบำบัดน้ำ ปัจจัยอื่น ๆ ที่ไม่ได้กล่าวถึงในเอกสารฉบับนี้แต่มีบทบาทในการเลือกวัสดุ ได้แก่ ความแข็งแรงของวัสดุ คุณสมบัติการถ่ายเทความร้อน และความต้านทานต่อแรงทางกล รวมถึงการกัดกร่อนจากความล้าและการกัดกร่อนจากการกัดเซาะ
การเติมโครเมียม 12% หรือมากกว่าลงในเหล็กจะทำให้โลหะผสมสร้างชั้นออกไซด์อย่างต่อเนื่องที่ปกป้องโลหะฐานด้านล่าง ดังนั้นจึงเรียกว่าเหล็กกล้าไร้สนิม ในกรณีที่ไม่มีวัสดุโลหะผสมอื่นๆ (โดยเฉพาะนิกเกิล) เหล็กกล้าคาร์บอนเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มเฟอร์ไรต์ และเซลล์ยูนิตของเหล็กกล้าคาร์บอนจะมีโครงสร้างลูกบาศก์ที่ศูนย์กลางตัวเครื่อง (BCC)
เมื่อเติมนิกเกิลลงในส่วนผสมโลหะผสมในความเข้มข้น 8% ขึ้นไป แม้จะอยู่ในอุณหภูมิแวดล้อม เซลล์จะอยู่ในโครงสร้างลูกบาศก์ที่มีหน้าเป็นศูนย์กลาง (FCC) ที่เรียกว่าออสเทไนต์
ตามที่แสดงในตารางที่ 1 เหล็กกล้าไร้สนิมซีรีส์ 300 และเหล็กกล้าไร้สนิมชนิดอื่นๆ มีปริมาณนิกเกิลที่ทำให้เกิดโครงสร้างออสเทนนิติก
เหล็กกล้าออสเทนนิติกได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีคุณค่าอย่างมากในแอปพลิเคชันต่างๆ มากมาย รวมถึงเป็นวัสดุสำหรับท่อซุปเปอร์ฮีตเตอร์และเครื่องอุ่นซ้ำที่อุณหภูมิสูงในหม้อไอน้ำพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งซีรีส์ 300 มักใช้เป็นวัสดุสำหรับท่อเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอุณหภูมิต่ำ รวมทั้งคอนเดนเซอร์พื้นผิวไอน้ำ อย่างไรก็ตาม ในแอปพลิเคชันเหล่านี้ หลายๆ คนมองข้ามกลไกความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้น
ปัญหาหลักในการใช้สเตนเลส โดยเฉพาะวัสดุ 304 และ 316 ยอดนิยมก็คือ ชั้นออกไซด์ป้องกันมักจะถูกทำลายโดยสิ่งเจือปนในน้ำหล่อเย็น และโดยรอยแยกและตะกอนที่ช่วยให้สิ่งเจือปนเข้มข้นขึ้น นอกจากนี้ ในสภาวะปิดระบบ น้ำนิ่งอาจทำให้เกิดการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ ซึ่งผลพลอยได้จากการเผาผลาญของจุลินทรีย์อาจเป็นอันตรายต่อโลหะได้อย่างมาก
สิ่งเจือปนในน้ำหล่อเย็นทั่วไปและเป็นสิ่งที่กำจัดออกได้ยากที่สุดคือคลอไรด์ ไอออนนี้สามารถทำให้เกิดปัญหาต่างๆ มากมายในเครื่องผลิตไอน้ำ แต่ในคอนเดนเซอร์และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเสริม ปัญหาหลักก็คือคลอไรด์ในความเข้มข้นที่เพียงพอสามารถแทรกซึมและทำลายชั้นออกไซด์ป้องกันบนสแตนเลสได้ ทำให้เกิดการกัดกร่อนในบริเวณนั้น หรือที่เรียกว่า การเกิดหลุม
การเกิดหลุมถือเป็นรูปแบบการกัดกร่อนที่ร้ายแรงที่สุดรูปแบบหนึ่ง เนื่องจากสามารถทำให้ผนังทะลุและอุปกรณ์เสียหายโดยสูญเสียโลหะเพียงเล็กน้อย
ความเข้มข้นของคลอไรด์ไม่จำเป็นต้องสูงมากเกินไปเพื่อทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบหลุมในสแตนเลส 304 และ 316 และสำหรับพื้นผิวที่สะอาดโดยไม่มีตะกอนหรือรอยแยกใดๆ ความเข้มข้นของคลอไรด์สูงสุดที่แนะนำในปัจจุบันถือเป็นดังนี้:
ปัจจัยหลายประการสามารถทำให้เกิดความเข้มข้นของคลอไรด์ที่สูงเกินกว่าเกณฑ์เหล่านี้ได้อย่างง่ายดาย ทั้งโดยทั่วไปและในสถานที่เฉพาะ การพิจารณาการระบายความร้อนแบบผ่านครั้งเดียวสำหรับโรงไฟฟ้าใหม่นั้นกลายเป็นเรื่องหายากมาก ส่วนใหญ่สร้างขึ้นโดยใช้หอคอยระบายความร้อน หรือในบางกรณีเป็นคอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยอากาศ (ACC) สำหรับโรงไฟฟ้าที่มีหอคอยระบายความร้อน ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในเครื่องสำอางสามารถ "เพิ่มขึ้นเป็นรอบ" ได้ ตัวอย่างเช่น คอลัมน์ที่มีความเข้มข้นของคลอไรด์ในน้ำเติม 50 มก./ล. ทำงานด้วยรอบความเข้มข้น 5 รอบ และปริมาณคลอไรด์ในน้ำหมุนเวียนคือ 250 มก./ล. ซึ่งเพียงแค่นี้โดยทั่วไปก็ควรจะตัด 304 SS ออกไปได้ นอกจากนี้ ในโรงงานใหม่และโรงงานที่มีอยู่แล้ว มีความต้องการที่เพิ่มมากขึ้นในการทดแทนน้ำจืดสำหรับการเติมน้ำโรงงาน ทางเลือกทั่วไปคือ น้ำเสียของเทศบาล ตารางที่ 2 เปรียบเทียบการวิเคราะห์แหล่งน้ำจืดทั้งสี่แหล่งกับแหล่งน้ำเสียทั้งสี่แหล่ง
ระวังระดับคลอไรด์ที่เพิ่มขึ้น (และสิ่งเจือปนอื่นๆ เช่น ไนโตรเจนและฟอสฟอรัส ซึ่งสามารถเพิ่มการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ในระบบทำความเย็นได้อย่างมาก) สำหรับน้ำเทาเกือบทั้งหมด การหมุนเวียนในหอระบายความร้อนจะเกินขีดจำกัดคลอไรด์ที่แนะนำโดย 316 SS
การอภิปรายข้างต้นอิงตามศักยภาพในการกัดกร่อนของพื้นผิวโลหะทั่วไป รอยแตกและตะกอนทำให้เรื่องนี้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก เนื่องจากทั้งสองอย่างนี้มีจุดที่สิ่งสกปรกสามารถรวมตัวกันได้ ตำแหน่งทั่วไปของรอยแตกทางกลในคอนเดนเซอร์และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่คล้ายกันคือบริเวณรอยต่อระหว่างแผ่นท่อกับท่อ ตะกอนภายในท่อสามารถสร้างรอยแตกร้าวที่ขอบตะกอน และตะกอนเองก็ทำหน้าที่เป็นแหล่งปนเปื้อนได้ นอกจากนี้ เนื่องจากสแตนเลสต้องอาศัยชั้นออกไซด์ต่อเนื่องเพื่อการปกป้อง ตะกอนจึงสามารถก่อตัวเป็นไซต์ที่ขาดออกซิเจนได้ ซึ่งทำให้พื้นผิวเหล็กที่เหลือกลายเป็นขั้วบวก
การอภิปรายข้างต้นสรุปประเด็นต่างๆ ที่นักออกแบบโรงงานโดยทั่วไปจะไม่พิจารณาเมื่อระบุวัสดุของคอนเดนเซอร์และท่อแลกเปลี่ยนความร้อนเสริมสำหรับโครงการใหม่ ความคิดเกี่ยวกับ 304 และ 316 SS บางครั้งดูเหมือนว่า "นั่นคือสิ่งที่เราเคยทำมาตลอด" โดยไม่คำนึงถึงผลที่ตามมาจากการกระทำดังกล่าว มีวัสดุทางเลือกอื่นๆ ที่สามารถรับมือกับสภาวะน้ำหล่อเย็นที่รุนแรงกว่าที่โรงงานหลายแห่งต้องเผชิญอยู่ในปัจจุบัน
ก่อนที่จะพูดถึงโลหะทางเลือก เราต้องกล่าวสั้น ๆ ถึงประเด็นอื่น ในหลายกรณี 316 SS หรือแม้แต่ 304 SS มักจะทำงานได้ดีในระหว่างการทำงานปกติ แต่ล้มเหลวในระหว่างไฟดับ ในกรณีส่วนใหญ่ ความล้มเหลวเกิดจากการระบายน้ำที่ไม่ดีของคอนเดนเซอร์หรือตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ทำให้มีน้ำนิ่งในท่อ สภาพแวดล้อมดังกล่าวเป็นเงื่อนไขที่เหมาะสมอย่างยิ่งต่อการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ ในทางกลับกัน จุลินทรีย์จะสร้างสารประกอบกัดกร่อนที่กัดกร่อนโลหะในท่อโดยตรง
กลไกนี้เรียกว่าการกัดกร่อนที่เกิดจากจุลินทรีย์ (MIC) ซึ่งทราบกันดีว่าสามารถทำลายท่อสแตนเลสและโลหะอื่นๆ ได้ภายในเวลาไม่กี่สัปดาห์ หากไม่สามารถระบายตัวแลกเปลี่ยนความร้อนออกได้ ควรพิจารณาอย่างจริงจังในการหมุนเวียนน้ำผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นระยะๆ และเติมสารชีวฆ่าในระหว่างกระบวนการ (สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับขั้นตอนการวางชั้นที่เหมาะสม โปรดดู D. Janikowski, “การวางชั้นคอนเดนเซอร์และตัวแลกเปลี่ยน BOP – ข้อควรพิจารณา” จัดขึ้นในวันที่ 4-6 มิถุนายน 2019 ที่เมืองแชมเปญ รัฐอิลลินอยส์ นำเสนอในงานสัมมนาเคมีไฟฟ้าสาธารณูปโภคครั้งที่ 39)
สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงดังที่กล่าวถึงข้างต้น ตลอดจนสภาพแวดล้อมที่รุนแรงกว่า เช่น น้ำกร่อยหรือน้ำทะเล สามารถใช้โลหะทางเลือกเพื่อปัดเป่าสิ่งสกปรกได้ กลุ่มโลหะผสมสามกลุ่มที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าประสบความสำเร็จ ได้แก่ ไททาเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ สเตนเลสออสเทนนิติกโมลิบดีนัม 6% และสเตนเลสซูเปอร์เฟอร์ริติก โลหะผสมเหล่านี้ยังทนทานต่อ MIC อีกด้วย แม้ว่าไททาเนียมจะถือว่าทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี แต่โครงสร้างผลึกหกเหลี่ยมที่อัดแน่นและโมดูลัสความยืดหยุ่นที่ต่ำมากทำให้ไวต่อความเสียหายทางกล โลหะผสมนี้เหมาะที่สุดสำหรับการติดตั้งใหม่ที่มีโครงสร้างรองรับท่อที่แข็งแรง ทางเลือกที่ดีเยี่ยมคือสเตนเลสซูเปอร์เฟอร์ริติก Sea-Cure® องค์ประกอบของวัสดุนี้แสดงไว้ด้านล่าง
เหล็กชนิดนี้มีโครเมียมสูงแต่มีนิกเกิลต่ำ จึงเป็นสเตนเลสเฟอร์ริติกมากกว่าสเตนเลสออสเทนนิติก เนื่องจากมีนิกเกิลต่ำ จึงมีราคาถูกกว่าโลหะผสมอื่นๆ มาก ความแข็งแรงสูงและโมดูลัสยืดหยุ่นของ Sea-Cure ทำให้ผนังบางกว่าวัสดุอื่นๆ ส่งผลให้ถ่ายเทความร้อนได้ดีขึ้น
คุณสมบัติที่ได้รับการปรับปรุงของโลหะเหล่านี้แสดงไว้ในแผนภูมิ “ค่าเทียบเท่าความต้านทานการกัดกร่อนแบบหลุม” ซึ่งตามชื่อเรียก ถือเป็นขั้นตอนการทดสอบที่ใช้ในการกำหนดความต้านทานของโลหะต่างๆ ต่อการกัดกร่อนแบบหลุม
คำถามที่พบบ่อยที่สุดข้อหนึ่งคือ “สเตนเลสเกรดหนึ่งๆ สามารถทนปริมาณคลอไรด์สูงสุดได้เท่าไร” คำตอบนั้นแตกต่างกันไป ปัจจัยต่างๆ ได้แก่ ค่า pH อุณหภูมิ การมีอยู่และประเภทของรอยแตก และศักยภาพของสิ่งมีชีวิตที่ยังมีชีวิตอยู่ มีการเพิ่มเครื่องมือบนแกนด้านขวาของรูปที่ 5 เพื่อช่วยในการตัดสินใจ เครื่องมือนี้ใช้ค่า pH เป็นกลาง น้ำไหลที่อุณหภูมิ 35°C ซึ่งมักพบใน BOP และการควบแน่นหลายๆ ประเภท (เพื่อป้องกันการก่อตัวของตะกอนและการก่อตัวของรอยแตก) เมื่อเลือกโลหะผสมที่มีองค์ประกอบทางเคมีเฉพาะแล้ว ก็สามารถกำหนด PREn ได้ จากนั้นจึงตัดกันด้วยเครื่องหมายขีดที่เหมาะสม จากนั้นจึงกำหนดระดับคลอไรด์สูงสุดที่แนะนำได้โดยการวาดเส้นแนวนอนบนแกนด้านขวา โดยทั่วไป หากจะพิจารณาใช้โลหะผสมสำหรับการใช้งานในน้ำทะเลหรือน้ำกร่อย จะต้องมี CCT สูงกว่า 25 องศาเซลเซียส ตามที่วัดได้จากการทดสอบ G 48
เป็นที่ชัดเจนว่าโลหะผสมซูเปอร์เฟอร์ริติกที่แสดงโดย Sea-Cure® นั้นเหมาะสำหรับการใช้งานในน้ำทะเลโดยทั่วไป วัสดุเหล่านี้ยังมีข้อดีอีกประการหนึ่งที่ต้องเน้นย้ำ ปัญหาการกัดกร่อนของแมงกานีสถูกสังเกตพบใน 304 และ 316 SS เป็นเวลาหลายปี รวมถึงในโรงงานต่างๆ ริมแม่น้ำโอไฮโอ เมื่อไม่นานมานี้ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในโรงงานต่างๆ ริมแม่น้ำมิสซิสซิปปี้และมิสซูรีถูกโจมตี การกัดกร่อนของแมงกานีสยังคงเป็นปัญหาทั่วไปในระบบเติมน้ำบาดาล กลไกการกัดกร่อนได้รับการระบุว่าเป็นการทำปฏิกิริยาของแมงกานีสไดออกไซด์ (MnO2) กับสารชีวฆ่าออกซิไดซ์เพื่อสร้างกรดไฮโดรคลอริกใต้ตะกอน HCl เป็นตัวทำลายโลหะจริงๆ [WH Dickinson และ RW Pick, "Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry"; นำเสนอในงาน NACE Annual Corrosion Conference ปี 2002 ที่เมืองเดนเวอร์ รัฐโคโลราโด] เหล็กเฟอร์ริติกมีความทนทานต่อกลไกการกัดกร่อนนี้
การเลือกใช้วัสดุเกรดสูงกว่าสำหรับท่อคอนเดนเซอร์และตัวแลกเปลี่ยนความร้อนยังคงไม่สามารถทดแทนการควบคุมเคมีบำบัดน้ำที่เหมาะสมได้ ดังที่ผู้เขียน Buecker ได้สรุปไว้ในบทความวิศวกรรมไฟฟ้าก่อนหน้านี้ จำเป็นต้องมีโปรแกรมการบำบัดทางเคมีที่ได้รับการออกแบบและดำเนินการอย่างเหมาะสม เพื่อลดความเสี่ยงในการเกิดตะกรัน การกัดกร่อน และการเกาะติด เคมีพอลิเมอร์กำลังก้าวขึ้นมาเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพแทนเคมีฟอสเฟต/ฟอสโฟเนตแบบเก่าในการควบคุมการกัดกร่อนและตะกรันในระบบหอคอยระบายความร้อน การควบคุมการปนเปื้อนของจุลินทรีย์เป็นและจะยังคงเป็นปัญหาสำคัญต่อไป แม้ว่าเคมีออกซิเดชันด้วยคลอรีน สารฟอกขาว หรือสารประกอบที่คล้ายคลึงกันจะเป็นรากฐานของการควบคุมจุลินทรีย์ แต่การบำบัดเสริมมักจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของโปรแกรมการบำบัดได้ ตัวอย่างหนึ่งคือ เคมีเพื่อความเสถียร ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการปลดปล่อยและประสิทธิภาพของสารชีวฆ่าออกซิไดซ์ที่ใช้คลอรีนเป็นส่วนประกอบโดยไม่ทำให้สารประกอบที่เป็นอันตรายใดๆ ลงไปในน้ำ นอกจากนี้ อาหารเสริมที่มีสารฆ่าเชื้อราที่ไม่ออกซิไดซ์อาจเป็นประโยชน์อย่างมากในการควบคุมการพัฒนาของจุลินทรีย์ ผลลัพธ์ก็คือ มีหลายวิธีในการปรับปรุงความยั่งยืนและความน่าเชื่อถือ ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของโรงไฟฟ้า แต่ระบบแต่ละระบบก็แตกต่างกัน ดังนั้นการวางแผนอย่างรอบคอบและการปรึกษาหารือกับผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมจึงมีความสำคัญสำหรับการเลือกใช้วัสดุและขั้นตอนทางเคมี บทความนี้ส่วนใหญ่เขียนขึ้นจากมุมมองของการบำบัดน้ำ เราไม่ได้มีส่วนร่วมในการตัดสินใจเกี่ยวกับวัสดุ แต่เราได้รับการขอให้ช่วยจัดการผลกระทบของการตัดสินใจเหล่านั้นเมื่ออุปกรณ์พร้อมใช้งานแล้ว การตัดสินใจขั้นสุดท้ายในการเลือกวัสดุจะต้องทำโดยบุคลากรของโรงงานโดยพิจารณาจากปัจจัยจำนวนหนึ่งที่ระบุไว้สำหรับการใช้งานแต่ละประเภท
เกี่ยวกับผู้เขียน: Brad Buecker เป็นนักประชาสัมพันธ์ทางเทคนิคอาวุโสที่ ChemTreat เขามีประสบการณ์ 36 ปีในอุตสาหกรรมพลังงานหรือมีส่วนเกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมพลังงาน ส่วนใหญ่เป็นด้านเคมีการผลิตไอน้ำ การบำบัดน้ำ การควบคุมคุณภาพอากาศ และที่ City Water, Light & Power (สปริงฟิลด์ รัฐอิลลินอยส์) และ Kansas City Power & Light Company ตั้งอยู่ที่สถานี La Cygne รัฐแคนซัส เขายังใช้เวลาสองปีในการเป็นหัวหน้างานน้ำ/น้ำเสียรักษาการที่โรงงานเคมี Buecker สำเร็จการศึกษาปริญญาตรีสาขาเคมีจากมหาวิทยาลัยไอโอวาสเตตพร้อมหลักสูตรเพิ่มเติมในกลศาสตร์ของไหล สมดุลของพลังงานและวัสดุ และเคมีอนินทรีย์ขั้นสูง
Dan Janikowski เป็นผู้จัดการฝ่ายเทคนิคที่ Plymouth Tube เป็นเวลา 35 ปี ซึ่งเขามีส่วนร่วมในการพัฒนาโลหะ การผลิตและการทดสอบผลิตภัณฑ์รูปท่อรวมทั้งโลหะผสมทองแดง เหล็กกล้าไร้สนิม โลหะผสมนิกเกิล ไททาเนียม และเหล็กกล้าคาร์บอน Janikowski ทำงานกับ Plymouth Metro ตั้งแต่ปี 2005 โดยดำรงตำแหน่งอาวุโสหลายตำแหน่ง ก่อนที่จะมาเป็นผู้จัดการฝ่ายเทคนิคในปี 2010