Yazarlar, santral tasarımcılarının kondenser ve yardımcı ısı eşanjörü boruları için genellikle 304 veya 316 paslanmaz çelik seçtiği yeni enerji projesi şartnamelerini defalarca incelemiştir. Birçok kişi için paslanmaz çelik terimi, korozyona karşı yenilmez bir aura uyandırır; oysa gerçekte paslanmaz çelikler, lokal korozyona karşı hassas oldukları için bazen en kötü seçim olabilir. Ayrıca, soğutma suyu takviyesi için taze suyun azalması ve soğutma kulelerinin yüksek konsantrasyonlu çevrimlerde çalışmasıyla birlikte, potansiyel paslanmaz çelik arıza mekanizmaları daha da artmaktadır. Bazı uygulamalarda, 300 serisi paslanmaz çelik, arızalanmadan önce sadece aylarca, bazen de sadece haftalarca dayanabilir. Bu makale, su arıtma perspektifinden kondenser boru malzemeleri seçilirken dikkate alınması gereken konulara odaklanmaktadır. Bu makalede ele alınmayan ancak malzeme seçiminde rol oynayan diğer faktörler arasında malzeme mukavemeti, ısı transfer özellikleri ve yorulma ve erozyon korozyonu dahil olmak üzere mekanik kuvvetlere karşı direnç yer almaktadır.
Çeliğe %12 veya daha fazla krom eklenmesi, alaşımın altındaki ana metali koruyan sürekli bir oksit tabakası oluşturmasına neden olur. Bu nedenle paslanmaz çelik terimi kullanılır. Diğer alaşım malzemelerinin (özellikle nikelin) yokluğunda, karbon çeliği ferrit grubunun bir parçasıdır ve birim hücresi gövde merkezli kübik (BCC) bir yapıya sahiptir.
Alaşım karışımına %8 veya daha yüksek bir konsantrasyonda nikel eklendiğinde, hücre, oda sıcaklığında bile östenit adı verilen yüz merkezli kübik (FCC) bir yapıda bulunur.
Tablo 1'de gösterildiği gibi, 300 serisi paslanmaz çelikler ve diğer paslanmaz çelikler, östenitik bir yapı oluşturan nikel içeriğine sahiptir.
Östenitik çelikler, enerji kazanlarındaki yüksek sıcaklık süper ısıtıcı ve yeniden ısıtıcı boruları da dahil olmak üzere birçok uygulamada çok değerli olduklarını kanıtlamıştır. Özellikle 300 serisi, buhar yüzey kondenserleri de dahil olmak üzere düşük sıcaklık ısı eşanjör boruları için sıklıkla malzeme olarak kullanılır. Bununla birlikte, bu uygulamalarda birçok kişi potansiyel arıza mekanizmalarını gözden kaçırmaktadır.
Paslanmaz çelik, özellikle popüler 304 ve 316 malzemelerle ilgili en büyük zorluk, koruyucu oksit tabakasının soğutma suyundaki safsızlıklar ve safsızlıkların yoğunlaşmasına yardımcı olan çatlaklar ve birikintiler tarafından sıklıkla tahrip edilmesidir. Ayrıca, kapatma koşullarında, durgun su mikrobiyal büyümeye yol açabilir ve bu mikrobiyal büyümenin yan ürünleri metallere son derece zarar verebilir.
Soğutma suyunda sıkça rastlanan ve ekonomik olarak giderilmesi en zor olan kirliliklerden biri klorürdür. Bu iyon, buhar jeneratörlerinde birçok probleme neden olabilir, ancak kondenserlerde ve yardımcı ısı eşanjörlerinde asıl zorluk, yeterli konsantrasyondaki klorürlerin paslanmaz çelik üzerindeki koruyucu oksit tabakasına nüfuz edip onu tahrip ederek lokal korozyona, yani çukurlaşmaya neden olabilmesidir.
Çukurlaşma, korozyonun en sinsi biçimlerinden biridir çünkü az miktarda metal kaybıyla duvarlarda deliklere ve ekipman arızalarına neden olabilir.
304 ve 316 paslanmaz çeliklerde çukur korozyonuna neden olmak için klorür konsantrasyonlarının çok yüksek olması gerekmez ve tortu veya çatlak bulunmayan temiz yüzeyler için önerilen maksimum klorür konsantrasyonları şu şekilde kabul edilmektedir:
Hem genel olarak hem de yerel bölgelerde, klorür konsantrasyonlarının bu kılavuzları aşmasına kolayca neden olabilecek çeşitli faktörler vardır. Yeni enerji santrallerinde tek geçişli soğutmayı ilk olarak düşünmek çok nadir hale gelmiştir. Çoğu, soğutma kuleleri veya bazı durumlarda hava soğutmalı kondenserler (ACC) ile inşa edilmiştir. Soğutma kuleleri olanlarda, kozmetik ürünlerdeki safsızlık konsantrasyonu "döngüsel olarak" artabilir. Örneğin, 50 mg/l klorür konsantrasyonuna sahip bir kolon, beş konsantrasyon döngüsüyle çalışır ve dolaşımdaki suyun klorür içeriği 250 mg/l'dir. Bu tek başına, genellikle 304 SS'yi dışlamalıdır. Ayrıca, yeni ve mevcut tesislerde, tesis şarjı için tatlı suyun değiştirilmesine yönelik artan bir ihtiyaç vardır. 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 kirlenmeyi büyük ölçüde artırabilen azot ve fosfor gibi diğer safsızlıklara) dikkat edin. Temelde tüm gri sular için, soğutma kulesindeki herhangi bir sirkülasyon, 316 SS tarafından önerilen klorür sınırını aşacaktır.
Önceki tartışma, yaygın metal yüzeylerin korozyon potansiyeline dayanmaktadır. Kırıklar ve tortular, her ikisi de safsızlıkların yoğunlaşabileceği yerler sağladığı için durumu önemli ölçüde değiştirir. Kondenserlerde ve benzeri ısı eşanjörlerinde mekanik çatlaklar için tipik bir yer, boru-boru levhası birleşim yerleridir. Boru içindeki tortu, tortu sınırında çatlaklar oluşturabilir ve tortunun kendisi de kirlenme için bir alan görevi görebilir. Dahası, paslanmaz çelik koruma için sürekli bir oksit tabakasına dayandığı için, birikintiler kalan çelik yüzeyini anot haline getiren oksijen bakımından fakir bölgeler oluşturabilir.
Yukarıdaki tartışma, tesis tasarımcılarının yeni projeler için kondenser ve yardımcı ısı eşanjörü boru malzemelerini belirlerken genellikle dikkate almadıkları konuları özetlemektedir. 304 ve 316 paslanmaz çeliklerle ilgili zihniyet bazen hala "biz hep böyle yaptık" şeklinde olup, bu tür eylemlerin sonuçları dikkate alınmamaktadır. Birçok tesisin şu anda karşılaştığı daha zorlu soğutma suyu koşullarını karşılayacak alternatif malzemeler mevcuttur.
Alternatif metalleri tartışmadan önce, kısaca belirtilmesi gereken bir başka nokta daha var. Birçok durumda, 316 SS veya hatta 304 SS normal çalışma sırasında iyi performans gösterirken, elektrik kesintisi sırasında arızalanmıştır. Çoğu durumda, arıza, kondenser veya ısı eşanjörünün yetersiz drenajından kaynaklanır ve borularda durgun su oluşmasına neden olur. Bu ortam, mikroorganizmaların büyümesi için ideal koşullar sağlar. Mikroorganizma kolonileri de doğrudan boru şeklindeki metali aşındıran aşındırıcı bileşikler üretir.
Mikrobiyal kaynaklı korozyon (MIC) olarak bilinen bu mekanizma, paslanmaz çelik boruları ve diğer metalleri haftalar içinde tahrip ettiği bilinmektedir. Isı eşanjörü boşaltılamıyorsa, ısı eşanjöründen periyodik olarak su geçirilmesi ve işlem sırasında biyosit eklenmesi ciddi olarak düşünülmelidir. (Uygun katmanlama prosedürleri hakkında daha fazla bilgi için, D. Janikowski'nin "Kondenser ve BOP Eşanjörlerinin Katmanlanması - Hususlar" başlıklı sunumuna bakınız; 4-6 Haziran 2019 tarihlerinde Champaign, IL'de düzenlenen 39. Elektrik Şebekesi Kimya Sempozyumu'nda sunulmuştur.)
Yukarıda belirtilen zorlu ortamlar ve acı su veya deniz suyu gibi daha da 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'ye karşı da dirençlidir. Titanyum korozyona karşı çok dirençli olarak kabul edilse de, altıgen sıkı paketlenmiş kristal yapısı ve son derece düşük elastik modülü onu mekanik hasara karşı hassas hale getirir. Bu alaşım, güçlü boru destek yapılarına sahip yeni kurulumlar için en uygundur. Mükemmel bir alternatif ise süperferritik paslanmaz çelik Sea-Cure®'dur. Bu malzemenin bileşimi aşağıda gösterilmiştir.
Çelik, yüksek oranda krom içerir ancak düşük oranda nikel içerir; bu nedenle östenitik paslanmaz çelik yerine ferritik paslanmaz çeliktir. Düşük nikel içeriği nedeniyle diğer alaşımlara göre çok daha ucuzdur. Sea-Cure'un yüksek mukavemeti ve elastik modülü, diğer malzemelere göre daha ince duvarlara olanak tanıyarak ısı transferini iyileştirir.
Bu metallerin geliştirilmiş özellikleri, adından da anlaşılacağı gibi, çeşitli metallerin çukur korozyonuna karşı direncini belirlemek için kullanılan bir test yöntemi olan "Çukur Korozyonuna Karşı Direnç Eşdeğer Numarası" tablosunda gösterilmektedir.
En sık sorulan sorulardan biri, "Belirli bir paslanmaz çelik kalitesinin dayanabileceği maksimum klorür içeriği nedir?" sorusudur. Cevaplar oldukça çeşitlidir. Faktörler arasında pH, sıcaklık, kırıkların varlığı ve türü ile aktif biyolojik türlerin potansiyeli yer almaktadır. 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'lı, 35°C akan suya (tortu oluşumunu ve çatlak oluşumunu önlemek için) dayanmaktadır. Belirli bir kimyasal bileşime sahip bir alaşım seçildikten sonra, PREn belirlenebilir ve ardından uygun eğik çizgiyle kesiştirilebilir. Önerilen maksimum klorür seviyesi, sağ eksene yatay bir çizgi çizilerek belirlenebilir. Genel olarak, bir alaşımın acı su veya deniz suyu uygulamaları için düşünülmesi gerekiyorsa, G 48 testi ile ölçülen 25 santigrat derecenin üzerinde bir CCT'ye sahip olması gerekir.
Sea-Cure® ile temsil edilen süper ferritik alaşımların, deniz suyu uygulamaları için bile genel olarak uygun olduğu açıktır. Bu malzemelerin vurgulanması gereken bir başka avantajı daha vardır. 304 ve 316 SS'de, Ohio Nehri boyunca bulunan tesisler de dahil olmak üzere, uzun yıllardır manganez korozyonu sorunları gözlemlenmiştir. Son zamanlarda, Mississippi ve Missouri Nehirleri boyunca bulunan tesislerdeki ısı eşanjörleri de bu sorundan etkilenmiştir. Manganez korozyonu, kuyu suyu besleme sistemlerinde de yaygın bir sorundur. Korozyon mekanizması, manganez dioksitin (MnO2) oksitleyici bir biyosit ile reaksiyona girerek tortu altında hidroklorik asit (HCl) oluşturması olarak tanımlanmıştır. Metallere gerçekten saldıran şey HCl'dir. [WH Dickinson ve RW Pick, "Elektrik Enerjisi Endüstrisinde Manganez Bağımlı Korozyon"; 2002 NACE Yıllık Korozyon Konferansı, Denver, CO'da sunulmuştur.] Ferritik çelikler bu korozyon mekanizmasına karşı dirençlidir.
Kondenser ve ısı eşanjörü boruları için daha yüksek kaliteli malzemelerin seçilmesi, uygun su arıtma kimyası kontrolünün yerini tutmaz. Yazar Buecker'in önceki bir enerji 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 kontaminasyonun kontrolü kritik bir konu olmuştur ve olmaya devam edecektir. Klor, ağartıcı veya benzeri bileşiklerle oksidatif kimya mikrobiyal kontrolün temel taşı olsa da, ek arıtma işlemleri 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. Ayrıca, oksitleyici olmayan fungisitlerle ek besleme, mikrobiyal gelişmeyi kontrol etmede çok faydalı olabilir. Sonuç olarak, enerji santrali ısı eşanjörlerinin sürdürülebilirliğini ve güvenilirliğini iyileştirmenin birçok yolu vardır, ancak her sistem farklıdır. Farklılık gösterdiği için, malzeme ve kimyasal işlemlerin seçimi konusunda dikkatli planlama ve sektör uzmanlarıyla istişare önemlidir. Bu makalenin büyük bir kısmı su arıtma perspektifinden yazılmıştır; malzeme kararlarında yer almıyoruz, ancak ekipman çalışmaya başladıktan sonra bu kararların etkisini yönetmeye yardımcı olmamız isteniyor. Malzeme seçimine ilişkin nihai karar, her uygulama için belirtilen bir dizi faktöre dayanarak tesis personeli tarafından verilmelidir.
Yazar Hakkında: Brad Buecker, ChemTreat'te Kıdemli Teknik Halkla İlişkiler Uzmanıdır. Enerji sektöründe veya bu sektörle bağlantılı olarak 36 yıllık deneyime sahiptir; bu deneyimin büyük bir kısmı buhar üretimi kimyası, su arıtma, hava kalitesi kontrolü ve City Water, Light & Power (Springfield, IL) ve Kansas City Power & Light Company'de (La Cygne Station, Kansas'ta yer almaktadır) geçmiştir. Ayrıca bir kimya tesisinde iki yıl boyunca su/atık su denetçisi vekili 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 dersleri almıştır.
Dan Janikowski, Plymouth Tube'da Teknik Müdür olarak görev yapmaktadır. 35 yıldır metal geliştirme, bakır alaşımları, paslanmaz çelik, nikel alaşımları, titanyum ve karbon çeliği dahil olmak üzere boru ürünlerinin imalatı ve test edilmesiyle ilgilenmektedir. 2005 yılından beri Plymouth Metro'da çalışan Janikowski, 2010 yılında Teknik Müdür olmadan önce çeşitli üst düzey pozisyonlarda görev yapmıştır.