Автори неодноразово переглядали нові специфікації енергетичних проектів, у яких проектувальники установок зазвичай обирають нержавіючу сталь 304 або 316 для труб конденсатора та допоміжного теплообмінника. Для багатьох термін "нержавіюча сталь" викликає ауру непереможної корозії, хоча насправді нержавіючі сталі іноді можуть бути найгіршим вибором, оскільки вони схильні до локальної корозії. А в цю епоху обмеженої доступності прісної води для підживлення охолоджувальної води, у поєднанні з градирнями, що працюють з циклами високої концентрації, потенційні механізми руйнування нержавіючої сталі посилюються. У деяких випадках нержавіюча сталь серії 300 прослужить лише кілька місяців, а іноді й тижнів, перш ніж вийде з ладу. Ця стаття зосереджена принаймні на питаннях, які слід враховувати при виборі матеріалів для труб конденсатора з точки зору очищення води. Інші фактори, які не обговорюються в цій статті, але які відіграють певну роль у виборі матеріалу, включають міцність матеріалу, властивості теплопередачі та стійкість до механічних сил, включаючи втому та ерозійну корозію.
Додавання 12% або більше хрому до сталі призводить до утворення сплавом суцільного оксидного шару, який захищає основний метал під ним. Звідси й термін нержавіюча сталь. За відсутності інших легуючих матеріалів (особливо нікелю), вуглецева сталь належить до групи феритів, а її елементарна комірка має об'ємно-центровану кубічну (ОЦК) структуру.
Коли нікель додається до суміші сплаву в концентрації 8% або вище, комірка існуватиме в гранецентрованій кубічній (ГЦК) структурі, яка називається аустенітом, навіть за кімнатної температури.
Як показано в таблиці 1, нержавіючі сталі серії 300 та інші нержавіючі сталі мають вміст нікелю, що створює аустенітну структуру.
Аустенітні сталі виявилися дуже цінними в багатьох сферах застосування, зокрема як матеріал для високотемпературних труб перегрівачів та перегрівачів в енергетичних котлах. Серія 300, зокрема, часто використовується як матеріал для низькотемпературних труб теплообмінників, включаючи конденсатори з поверхнею пари. Однак саме в цих сферах застосування багато хто не враховує потенційні механізми руйнування.
Основна проблема з нержавіючою сталлю, особливо популярними матеріалами 304 та 316, полягає в тому, що захисний оксидний шар часто руйнується домішками в охолоджувальній воді, а також тріщинами та відкладеннями, які сприяють концентрації домішок. Крім того, в умовах простою стояча вода може призвести до росту мікробів, метаболічні побічні продукти яких можуть бути дуже шкідливими для металів.
Поширеною домішкою охолоджувальної води, і однією з найскладніших для економічного видалення, є хлорид. Цей іон може спричинити багато проблем у парогенераторах, але в конденсаторах та допоміжних теплообмінниках основна складність полягає в тому, що хлориди в достатніх концентраціях можуть проникати та руйнувати захисний оксидний шар на нержавіючій сталі, викликаючи локальну корозію, тобто точкову корозію.
Точкова корозія є однією з найпідступніших форм корозії, оскільки вона може спричинити проникнення в стінки та вихід обладнання з ладу з незначною втратою металу.
Концентрації хлоридів не обов'язково повинні бути дуже високими, щоб викликати точкову корозію нержавіючої сталі 304 та 316, а для чистих поверхонь без будь-яких відкладень або тріщин рекомендовані максимальні концентрації хлоридів зараз вважаються такими:
Кілька факторів можуть легко призвести до концентрації хлоридів, яка перевищує ці рекомендації, як загалом, так і в локальних місцях. Для нових електростанцій стало дуже рідко спочатку розглядати одноразове охолодження. Більшість з них побудовані з градирнями або, в деяких випадках, з повітряно-охолоджуваними конденсаторами (ACC). Для тих, що мають градирні, концентрація домішок у косметичних засобах може «циклічно зростати». Наприклад, колона з концентрацією хлоридів у підживлювальній воді 50 мг/л працює з п'ятьма циклами концентрування, а вміст хлоридів у циркулюючій воді становить 250 мг/л. Одне це, як правило, має виключати 304 SS. Крім того, на нових та існуючих станціях зростає потреба в заміні прісної води для поповнення станцій. Поширеною альтернативою є міські стічні води. У таблиці 2 порівнюється аналіз чотирьох джерел прісної води з чотирма джерелами стічних вод.
Звертайте увагу на підвищений рівень хлоридів (та інших домішок, таких як азот і фосфор, які можуть значно збільшити мікробне забруднення в системах охолодження). Практично для всіх сірих вод будь-яка циркуляція в градирні перевищуватиме ліміт хлоридів, рекомендований стандартом 316 SS.
Попереднє обговорення ґрунтується на корозійному потенціалі звичайних металевих поверхонь. Тріщини та відкладення кардинально змінюють ситуацію, оскільки обидва типи є місцями, де можуть концентруватися домішки. Типовим місцем для механічних тріщин у конденсаторах та подібних теплообмінниках є місця з'єднання труб з трубною решіткою. Осад усередині труби може створювати тріщини на межі осаду, а сам осад може служити місцем забруднення. Крім того, оскільки нержавіюча сталь має суцільний оксидний шар для захисту, відкладення можуть утворювати бідні на кисень ділянки, які перетворюють решту сталевої поверхні на анод.
У вищезазначеному обговоренні окреслено проблеми, які проектувальники установок зазвичай не враховують, визначаючи матеріали для труб конденсатора та допоміжного теплообмінника для нових проектів. Інколи щодо нержавіючих сталь 304 та 316 все ще існує думка «так ми завжди робили», без урахування наслідків таких дій. Існують альтернативні матеріали для роботи в суворіших умовах охолоджувальної води, з якими зараз стикаються багато установок.
Перш ніж обговорювати альтернативні метали, слід коротко викласти ще один момент. У багатьох випадках нержавіюча сталь 316 або навіть 304 добре працювала під час нормальної експлуатації, але виходила з ладу під час відключення електроенергії. У більшості випадків поломка пов'язана з поганим дренажем конденсатора або теплообмінника, що призводить до застою води в трубках. Це середовище забезпечує ідеальні умови для росту мікроорганізмів. Мікробні колонії, у свою чергу, виробляють корозійні сполуки, які безпосередньо роз'їдають трубчастий метал.
Цей механізм, відомий як мікробно-індукована корозія (МІК), як відомо, руйнує труби з нержавіючої сталі та інші метали протягом кількох тижнів. Якщо теплообмінник неможливо злити, слід серйозно розглянути можливість періодичної циркуляції води через теплообмінник та додавання біоциду під час цього процесу. (Для отримання додаткової інформації про належні процедури укладання див. Д. Яніковскі, «Укладання конденсаторів та перетворювачів превенторію – міркування»; відбулося 4-6 червня 2019 року в Шампейн, штат Іллінойс. Презентація на 39-му симпозіумі з хімії електроенергетики.)
Для суворих умов, зазначених вище, а також для більш суворих умов, таких як солонувата або морська вода, для захисту від домішок можна використовувати альтернативні метали. Три групи сплавів успішно довели свою ефективність: комерційно чистий титан, 6% молібденова аустенітна нержавіюча сталь та суперферитна нержавіюча сталь. Ці сплави також стійкі до мікроізоляції (МІК). Хоча титан вважається дуже стійким до корозії, його гексагональна щільноупакована кристалічна структура та надзвичайно низький модуль пружності роблять його схильним до механічних пошкоджень. Цей сплав найкраще підходить для нових установок з міцними опорними конструкціями для труб. Чудовою альтернативою є суперферитна нержавіюча сталь Sea-Cure®. Склад цього матеріалу показано нижче.
Ця сталь має високий вміст хрому, але низький вміст нікелю, тому вона є феритною нержавіючою сталлю, а не аустенітною. Завдяки низькому вмісту нікелю вона коштує набагато менше, ніж інші сплави. Висока міцність і модуль пружності Sea-Cure дозволяють створювати тонші стінки, ніж в інших матеріалів, що призводить до покращеної теплопередачі.
Покращені властивості цих металів показано на діаграмі «Еквівалентне число стійкості до точкової корозії», яка, як випливає з назви, являє собою процедуру випробування, що використовується для визначення стійкості різних металів до точкової корозії.
Одне з найпоширеніших запитань: «Який максимальний вміст хлоридів може переносити певна марка нержавіючої сталі?» Відповіді дуже різняться. Фактори включають pH, температуру, наявність і тип тріщин, а також потенціал для активних біологічних видів. На правій осі рисунка 5 додано інструмент, який допоможе з цим рішенням. Він базується на нейтральному pH, проточній воді з температурою 35°C, яка зазвичай зустрічається в багатьох застосуваннях для превенторних перетворювачів та конденсації (для запобігання утворенню відкладень та тріщин). Після вибору сплаву з певним хімічним складом можна визначити PREn, а потім перетнути його з відповідною косою рискою. Рекомендований максимальний рівень хлоридів можна визначити, провівши горизонтальну лінію на правій осі. Загалом, якщо сплав розглядається для застосування в солонуватій або морській воді, він повинен мати CCT вище 25 градусів Цельсія, виміряну за допомогою тесту G 48.
Зрозуміло, що надферитні сплави, представлені Sea-Cure®, загалом підходять навіть для застосування в морській воді. Слід підкреслити ще одну перевагу цих матеріалів. Проблеми з корозією марганцю спостерігаються для сталей 304 та 316 SS протягом багатьох років, зокрема на заводах вздовж річки Огайо. Нещодавно теплообмінники на заводах вздовж річок Міссісіпі та Міссурі зазнали пошкодження. Корозія марганцю також є поширеною проблемою в системах підживлення свердловинної води. Механізм корозії був ідентифікований як реакція діоксиду марганцю (MnO2) з окислювальним біоцидом з утворенням соляної кислоти під відкладенням. HCl - це те, що дійсно руйнує метали. [WH Dickinson та RW Pick, "Марганцезалежна корозія в електроенергетиці"; представлено на щорічній конференції NACE з питань корозії 2002 року, Денвер, Колорадо]. Феритні сталі стійкі до цього механізму корозії.
Вибір високоякісних матеріалів для трубок конденсатора та теплообмінника все ще не замінює належного контролю хімічного складу води. Як зазначив автор Бюкер ​​у попередній статті з енергетичної інженерії, належним чином розроблена та експлуатована програма хімічної обробки необхідна для мінімізації потенціалу утворення накипу, корозії та забруднення. Полімерна хімія стає потужною альтернативою старій фосфатній/фосфонатній хімії для контролю корозії та накипу в системах градирень. Контроль мікробного забруднення був і залишатиметься критичним питанням. Хоча окислювальна хімія з хлором, відбілювачем або подібними сполуками є основою мікробного контролю, додаткові обробки часто можуть підвищити ефективність програм очищення. Одним із таких прикладів є стабілізаційна хімія, яка допомагає збільшити швидкість вивільнення та ефективність окислювальних біоцидів на основі хлору без введення будь-яких шкідливих сполук у воду. Крім того, додаткове живлення неокислювальними фунгіцидами може бути дуже корисним для контролю розвитку мікробів. В результаті існує багато способів покращити стійкість та надійність теплообмінників електростанцій, але кожна система різна, тому ретельне планування та консультації з галузевими експертами є важливими для вибору матеріалів та хімічних процедур. Значна частина цієї статті написана з водопостачання. З точки зору обробки, ми не беремо участі в прийнятті рішень щодо матеріалів, але нас просять допомогти в управлінні впливом цих рішень після того, як обладнання буде запущено та запрацює. Остаточне рішення щодо вибору матеріалів має бути прийняте персоналом заводу на основі низки факторів, визначених для кожного застосування.
Про автора: Бред Бюкер ​​— старший технічний публіцист у ChemTreat. Він має 36 років досвіду роботи в енергетичній галузі або пов'язаний з нею, значною мірою в галузі хімії парогенерації, очищення води, контролю якості повітря, а також у City Water, Light & Power (Спрінгфілд, Іллінойс) та Kansas City Power & Light Company, розташованій на станції Ла-Сінь, штат Канзас. Він також два роки працював виконуючим обов'язки керівника водопостачання/стічних вод на хімічному заводі. Бюкер ​​має ступінь бакалавра хімії в Університеті штату Айова, а також додаткові курси з механіки рідин, енергії та матеріальної рівноваги, а також передової неорганічної хімії.
Ден Яніковскі — технічний менеджер у Plymouth Tube. Протягом 35 років він займався розробкою металів, виробництвом та випробуванням трубних виробів, включаючи мідні сплави, нержавіючу сталь, нікелеві сплави, титан та вуглецеву сталь. Працюючи в Plymouth Metro з 2005 року, Яніковскі обіймав різні керівні посади, перш ніж стати технічним менеджером у 2010 році.