Yazarlar, tesis tasarımcılarının genellikle kondenser ve yardımcı ısı eşanjörü boruları için 304 veya 316 paslanmaz çeliği seçtiği yeni güç projesi spesifikasyonlarını tekrar tekrar incelediler. Birçok kişi için paslanmaz çelik terimi yenilmez korozyon havası çağrıştırıyor, ancak aslında paslanmaz çelikler bazen lokal korozyona karşı hassas oldukları için en kötü seçim olabilir. Ve soğutma suyu takviyesi için temiz suyun az olduğu bu çağda, soğutma kulelerinin yüksek konsantrasyon döngülerinde çalışmasıyla birlikte, potansiyel paslanmaz çelik arıza mekanizmaları büyütülüyor. Bazı uygulamalarda, 300 serisi paslanmaz çelik arızalanmadan önce sadece aylarca, bazen sadece haftalarca dayanabilir. Bu makale, su arıtma perspektifinden kondenser boru malzemeleri seçerken dikkate alınması gereken konulara odaklanmaktadır. Bu makalede tartışılmayan ancak malzeme seçiminde rol oynayan diğer faktörler arasında malzeme mukavemeti, ısı transfer özellikleri ve yorulma ve erozyon korozyonu dahil olmak üzere mekanik kuvvetlere direnç yer alır.
Çeliğe %12 veya daha fazla krom eklenmesi, alaşımın altındaki temel metali koruyan sürekli bir oksit tabakası oluşturmasına neden olur. Bu nedenle paslanmaz çelik terimi kullanılır. Başka alaşım malzemelerinin (özellikle nikel) yokluğunda, karbon çeliği ferrit grubunun bir parçasıdır ve birim hücresi gövde merkezli kübik (BCC) yapıya sahiptir.
Alaşım karışımına %8 veya daha yüksek konsantrasyonda nikel eklendiğinde, ortam sıcaklığında bile hücre, ostenit adı verilen yüz merkezli kübik (FCC) yapıda olacaktır.
Tablo 1'de görüldüğü gibi 300 serisi paslanmaz çelikler ve diğer paslanmaz çelikler, östenitik bir yapı üreten nikel içeriğine sahiptir.
Austenitik çelikler, güç kazanlarındaki yüksek sıcaklıklı kızdırıcı ve yeniden ısıtıcı boruları için malzeme olarak da dahil olmak üzere birçok uygulamada çok değerli olduklarını kanıtlamışlardır. Özellikle 300 serisi, buhar yüzey kondansatörleri dahil olmak üzere düşük sıcaklıklı ısı değiştirici boruları için malzeme olarak sıklıkla kullanılır. Ancak, bu uygulamalarda birçok kişi potansiyel arıza mekanizmalarını gözden kaçırır.
Paslanmaz çelik, özellikle de popüler 304 ve 316 malzemelerle ilgili temel zorluk, koruyucu oksit tabakasının genellikle soğutma suyundaki kirlilikler ve kirlilikleri yoğunlaştırmaya yardımcı olan çatlaklar ve tortular tarafından tahrip edilmesidir. Ek olarak, kapatma koşulları altında, durgun su mikrobiyal büyümeye yol açabilir ve bu mikrobiyal büyümenin metabolik yan ürünleri metaller için oldukça zararlı olabilir.
Soğutma suyunda yaygın olarak bulunan ve ekonomik olarak giderilmesi en zor olan kirliliklerden biri klorürdür. Bu iyon buhar jeneratörlerinde birçok soruna yol açabilir, ancak kondansatörlerde ve yardımcı ısı eşanjörlerinde asıl zorluk, yeterli konsantrasyonlardaki klorürlerin paslanmaz çelik üzerindeki koruyucu oksit tabakasına nüfuz edip tahrip ederek lokal korozyona, yani çukurlaşmaya yol açmasıdır.
Çukurlaşma, çok az metal kaybıyla duvar penetrasyonlarına ve ekipman arızalarına neden olabileceği için en sinsi korozyon türlerinden biridir.
304 ve 316 paslanmaz çeliklerde çukurlaşma korozyonuna neden olmak için klorür konsantrasyonlarının çok yüksek olması gerekmez ve herhangi bir tortu veya çatlak içermeyen temiz yüzeyler için önerilen maksimum klorür konsantrasyonları artık şu şekilde kabul edilmektedir:
Birkaç faktör, hem genel olarak hem de yerel konumlarda, bu yönergeleri aşan klorür konsantrasyonları üretebilir. Yeni enerji santralleri için önce tek geçişli soğutmayı düşünmek çok nadir hale geldi. Çoğu, soğutma kuleleri veya bazı durumlarda hava soğutmalı kondenserler (ACC) ile inşa edilmiştir. Soğutma kuleleri olanlar için, kozmetiklerdeki safsızlıkların konsantrasyonu "döngüye girebilir." Örneğin, 50 mg/l'lik bir takviye suyu klorür konsantrasyonuna sahip bir kolon, beş konsantrasyon döngüsü ile çalışır ve dolaşan suyun klorür içeriği 250 mg/l'dir. Bu tek başına, 304 SS'yi genellikle dışlamalıdır. Ayrıca, yeni ve mevcut santrallerde, tesis şarjı için tatlı suyun değiştirilmesine olan ihtiyaç artmaktadır. Yaygın bir alternatif, belediye atık suyudur. Tablo 2, dört tatlı su kaynağının analizini dört atık su kaynağıyla karşılaştırmaktadır.
Artan klorür seviyelerine (ve soğutma sistemlerinde mikrobiyal kontaminasyonu büyük ölçüde artırabilen azot ve fosfor gibi diğer safsızlıklara) dikkat edin. Esasen tüm gri sular için, soğutma kulesindeki herhangi bir sirkülasyon, 316 SS tarafından önerilen klorür sınırını aşacaktır.
Önceki tartışma, yaygın metal yüzeylerin korozyon potansiyeline dayanmaktadır. Çatlaklar ve tortular hikayeyi önemli ölçüde değiştirir, çünkü her ikisi de kirliliklerin yoğunlaşabileceği yerler sağlar. Kondansatörlerde ve benzer ısı değiştiricilerde mekanik çatlaklar için tipik bir yer, borudan boruya levha bağlantı noktalarıdır. Boru içindeki tortu, tortu sınırında çatlaklar oluşturabilir ve tortunun kendisi kirlenme için bir yer olarak hizmet edebilir. Dahası, paslanmaz çelik koruma için sürekli bir oksit tabakasına güvendiğinden, tortular kalan çelik yüzeyini bir anoda dönüştüren oksijen açısından fakir yerler oluşturabilir.
Yukarıdaki tartışma, tesis tasarımcılarının yeni projeler için kondenser ve yardımcı ısı değiştirici boru malzemelerini belirlerken genellikle dikkate almadıkları konuları ana hatlarıyla açıklamaktadır. 304 ve 316 SS ile ilgili zihniyet bazen bu tür eylemlerin sonuçlarını dikkate almadan "biz bunu her zaman yaptık" şeklinde görünmektedir. Birçok tesisin artık karşı karşıya olduğu daha zorlu soğutma suyu koşullarıyla başa çıkmak için alternatif malzemeler mevcuttur.
Alternatif metalleri tartışmadan önce, başka bir noktayı kısaca belirtmek gerekir. Çoğu durumda, 316 SS veya hatta 304 SS normal çalışma sırasında iyi performans gösterirken, elektrik kesintisi sırasında arızalanır. Çoğu durumda, arıza, borularda durgun suya neden olan kondansatörün veya ısı eşanjörünün yetersiz drenajından kaynaklanır. Bu ortam, mikroorganizmaların büyümesi için ideal koşulları sağlar. Mikrobiyal koloniler, doğrudan boru şeklindeki metali aşındıran aşındırıcı bileşikler üretir.
Mikrobiyal kaynaklı korozyon (MIC) olarak bilinen bu mekanizmanın, paslanmaz çelik boruları ve diğer metalleri haftalar içinde tahrip ettiği bilinmektedir. Isı eşanjörü boşaltılamıyorsa, ısı eşanjöründen periyodik olarak su dolaştırılması ve işlem sırasında biyosit eklenmesi ciddi olarak düşünülmelidir. (Uygun katmanlama prosedürleri hakkında daha fazla bilgi için, D. Janikowski'nin "Yoğuşturucu ve BOP Eşanjörlerinde Katmanlama - Hususlar" adlı makalesine bakın; 4-6 Haziran 2019 tarihlerinde Champaign, IL'de düzenlendi ve 39. Elektrik Dağıtım Kimyası Sempozyumu'nda sunuldu.)
Yukarıda vurgulanan zorlu ortamlar ve acı su veya deniz suyu gibi daha zorlu ortamlar için, safsızlıkları önlemek amacıyla alternatif metaller kullanılabilir. Üç alaşım grubu başarılı olduğunu kanıtlamıştır; ticari olarak saf titanyum, %6 molibdenli östenitik paslanmaz çelik ve süperferritik paslanmaz çelik. Bu alaşımlar ayrıca MIC'e dayanıklıdır. Titanyum korozyona karşı çok dayanıklı kabul edilmesine rağmen, altıgen sıkışık kristal yapısı ve son derece düşük elastik modülü onu mekanik hasara karşı hassas hale getirir. Bu alaşım, güçlü boru destek yapılarına sahip yeni tesisler için en uygunudur. Mükemmel bir alternatif, süper ferritik paslanmaz çelik Sea-Cure®'dur. Bu malzemenin bileşimi aşağıda gösterilmiştir.
Çelik, krom açısından zengin ancak nikel açısından fakirdir, bu nedenle ostenitik paslanmaz çelikten ziyade ferritik paslanmaz çeliktir. Düşük nikel içeriği nedeniyle diğer alaşımlardan çok daha ucuzdur. Sea-Cure'un yüksek mukavemeti ve elastik modülü, diğer malzemelere göre daha ince duvarlara izin vererek ısı transferini iyileştirir.
Bu metallerin geliştirilmiş özellikleri, adından da anlaşılacağı gibi çeşitli metallerin çukurlaşma korozyonuna karşı direncini belirlemek için kullanılan bir test prosedürü olan “Çukurlaşma Direnci Eşdeğer Sayısı” tablosunda gösterilmektedir.
En sık sorulan sorulardan biri "Belirli bir paslanmaz çelik sınıfının tolere edebileceği maksimum klorür içeriği nedir?" sorusudur. Cevaplar oldukça çeşitlidir. Faktörler arasında pH, sıcaklık, çatlakların varlığı ve türü ve aktif biyolojik türlerin potansiyeli bulunur. Bu karara yardımcı olmak için Şekil 5'in sağ eksenine bir araç eklenmiştir. Bu araç, birçok BOP ve yoğuşma uygulamasında yaygın olarak bulunan nötr pH, 35°C akan suya dayanmaktadır (tortu ve çatlak oluşumunu önlemek için). Belirli bir kimyasal bileşime sahip bir alaşım seçildikten sonra, PREn belirlenebilir ve ardından uygun eğik çizgi ile kesiştirilebilir. Önerilen maksimum klorür seviyesi daha sonra sağ eksene yatay bir çizgi çizilerek belirlenebilir. Genel olarak, bir alaşımın acı su veya deniz suyu uygulamaları için dikkate alınması gerekiyorsa, G 48 testi ile ölçüldüğü gibi 25 santigrat derecenin üzerinde bir CCT'ye sahip olması gerekir.
Sea-Cure® tarafından temsil edilen süper ferritik alaşımların genellikle deniz suyu uygulamaları için bile uygun olduğu açıktır. Bu malzemelerin vurgulanması gereken başka bir faydası daha vardır. 304 ve 316 SS'de, Ohio Nehri kıyısındaki tesisler de dahil olmak üzere, uzun yıllardır manganez korozyon sorunları gözlemlenmiştir. Son zamanlarda, Mississippi ve Missouri Nehirleri kıyısındaki tesislerdeki ısı eşanjörlerine saldırılmıştır. Manganez korozyonu, kuyu suyu hazırlama sistemlerinde de yaygın bir sorundur. Korozyon mekanizması, manganez dioksitin (MnO2) bir oksitleyici biyosit ile reaksiyona girerek tortu altında hidroklorik asit üretmesi olarak tanımlanmıştır. Metallere gerçekten saldıran şey HCl'dir. [WH Dickinson ve RW Pick, "Elektrik Enerjisi Endüstrisinde Manganez Bağımlı Korozyon"; 2002 NACE Yıllık Korozyon Konferansı'nda sunulmuştur, Denver, CO.] Ferritik çelikler bu korozyon mekanizmasına dirençlidir.
Kondenser ve ısı değiştirici boruları için daha yüksek kaliteli malzemeler seçmek, uygun su arıtma kimyası kontrolünün yerini tutamaz. Yazar Buecker'in önceki bir güç mühendisliği makalesinde belirttiği gibi, kireçlenme, korozyon ve kirlenme potansiyelini en aza indirmek için uygun şekilde tasarlanmış ve işletilen bir kimyasal arıtma programı gereklidir. Polimer kimyası, soğutma kulesi sistemlerinde korozyon ve kireçlenmeyi kontrol etmek için eski fosfat/fosfonat kimyasına güçlü bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır. Mikrobiyal kontaminasyonu kontrol etmek kritik bir konu olmuştur ve olmaya devam edecektir. Klor, ağartıcı veya benzeri bileşiklerle oksidatif kimya, mikrobiyal kontrolün temel taşı olsa da, ek işlemler genellikle arıtma programlarının verimliliğini artırabilir. Bunun bir örneği, suya herhangi bir zararlı bileşik sokmadan klor bazlı oksitleyici biyositlerin salınım hızını ve verimliliğini artırmaya yardımcı olan stabilizasyon kimyasıdır. Ek olarak, oksitlenmeyen mantar öldürücülerle ek besleme, mikrobiyal gelişimi kontrol etmede çok faydalı olabilir. Sonuç olarak, enerji santrali ısı değiştiricilerinin sürdürülebilirliğini ve güvenilirliğini artırmanın birçok yolu vardır, ancak her Sistem farklıdır, bu nedenle malzeme ve kimyasal prosedürlerin seçimi için dikkatli planlama ve endüstri uzmanlarıyla istişare önemlidir. Bu makalenin çoğu su arıtma perspektifinden yazılmıştır, malzeme kararlarına dahil değiliz, ancak ekipman çalışır duruma geldiğinde bu kararların etkisini yönetmemize yardımcı olmamız isteniyor. Malzeme seçimiyle ilgili nihai karar, tesis personeli tarafından her uygulama için belirtilen bir dizi faktöre dayanarak verilmelidir.
Yazar Hakkında: Brad Buecker, ChemTreat'te Kıdemli Teknik Tanıtımcıdır. Enerji sektöründe 36 yıllık deneyimi vardır veya bu sektörle bağlantılıdır. Bu deneyimin büyük kısmı buhar üretim kimyası, su arıtımı, hava kalitesi kontrolü ve City Water, Light & Power (Springfield, IL) ve Kansas City Power & Light Company'de (La Cygne İstasyonu, Kansas'ta yer almaktadır) gerçekleşmiştir. Ayrıca bir kimya tesisinde iki yıl boyunca su/atık su sorumlusu olarak görev yapmıştır. Buecker, Iowa Eyalet Üniversitesi'nden Kimya alanında lisans derecesine sahiptir ve ayrıca Akışkanlar Mekaniği, Enerji ve Malzeme Dengesi ve İleri İnorganik Kimya alanlarında ek dersler almıştır.
Dan Janikowski, Plymouth Tube'da Teknik Müdürdür. 35 yıldır metallerin geliştirilmesi, bakır alaşımları, paslanmaz çelik, nikel alaşımları, titanyum ve karbon çeliği gibi boru şeklindeki ürünlerin imalatı ve test edilmesiyle ilgilenmektedir. 2005'ten beri Plymouth Metro'da çalışan Janikowski, 2010 yılında Teknik Müdür olmadan önce çeşitli üst düzey pozisyonlarda bulundu.