Chương trình kêu gọi gửi bài thuyết trình quốc tế POWERGEN hiện đã mở! Chúng tôi đang tìm kiếm các diễn giả đến từ ngành công nghiệp điện lực và sản xuất điện. Các chủ đề bao gồm sản xuất điện truyền thống và năng lượng tái tạo, chuyển đổi số hóa nhà máy điện, lưu trữ năng lượng, lưới điện siêu nhỏ, tối ưu hóa nhà máy, điện năng tại chỗ, và nhiều hơn nữa.
Các tác giả đã xem xét đi xem xét lại nhiều lần các thông số kỹ thuật của các dự án điện mới, trong đó các nhà thiết kế nhà máy thường chọn thép không gỉ 304 hoặc 316 cho ống dẫn nhiệt của bình ngưng và bộ trao đổi nhiệt phụ trợ. Đối với nhiều người, thuật ngữ thép không gỉ gợi lên hình ảnh về khả năng chống ăn mòn bất khả chiến bại, trong khi trên thực tế, thép không gỉ đôi khi lại là lựa chọn tồi tệ nhất vì chúng dễ bị ăn mòn cục bộ. Và, trong thời đại nguồn nước ngọt khan hiếm để bổ sung nước làm mát, cùng với việc các tháp giải nhiệt hoạt động ở chu kỳ nồng độ cao, các cơ chế hư hỏng tiềm tàng của thép không gỉ càng trở nên nghiêm trọng hơn. Trong một số ứng dụng, thép không gỉ dòng 300 chỉ có thể tồn tại trong vài tháng, đôi khi chỉ vài tuần, trước khi bị hỏng. Bài viết này tập trung vào ít nhất các vấn đề cần được xem xét khi lựa chọn vật liệu ống dẫn nhiệt của bình ngưng từ góc độ xử lý nước. Các yếu tố khác không được thảo luận trong bài viết này nhưng đóng vai trò trong việc lựa chọn vật liệu bao gồm độ bền vật liệu, tính chất truyền nhiệt và khả năng chống lại các lực cơ học, bao gồm cả ăn mòn do mỏi và ăn mòn do xói mòn.
Việc thêm 12% hoặc hơn crom vào thép khiến hợp kim tạo thành một lớp oxit liên tục bảo vệ kim loại nền bên dưới. Từ đó mà có thuật ngữ thép không gỉ. Trong trường hợp không có các vật liệu hợp kim khác (đặc biệt là niken), thép cacbon thuộc nhóm ferit, và ô đơn vị của nó có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC).
Khi niken được thêm vào hỗn hợp hợp kim với nồng độ từ 8% trở lên, ngay cả ở nhiệt độ môi trường, tế bào sẽ tồn tại ở cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) được gọi là austenit.
Như thể hiện trong Bảng 1, thép không gỉ dòng 300 và các loại thép không gỉ khác có hàm lượng niken tạo ra cấu trúc austenit.
Thép Austenit đã chứng tỏ giá trị rất lớn trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả việc sử dụng làm vật liệu cho các ống siêu nhiệt và ống gia nhiệt lại ở nhiệt độ cao trong nồi hơi điện. Đặc biệt, dòng thép 300 thường được sử dụng làm vật liệu cho các ống trao đổi nhiệt ở nhiệt độ thấp, bao gồm cả các bình ngưng bề mặt hơi nước. Tuy nhiên, chính trong những ứng dụng này mà nhiều người lại bỏ qua các cơ chế hư hỏng tiềm ẩn.
Khó khăn chính với thép không gỉ, đặc biệt là các vật liệu 304 và 316 phổ biến, là lớp oxit bảo vệ thường bị phá hủy bởi các tạp chất trong nước làm mát và bởi các khe hở và cặn bám làm tập trung các tạp chất. Ngoài ra, trong điều kiện ngừng hoạt động, nước đọng có thể dẫn đến sự phát triển của vi sinh vật, các sản phẩm chuyển hóa của chúng có thể gây hại nghiêm trọng cho kim loại.
Một tạp chất phổ biến trong nước làm mát, và là một trong những tạp chất khó loại bỏ nhất về mặt kinh tế, là clorua. Ion này có thể gây ra nhiều vấn đề trong các lò hơi, nhưng trong các bình ngưng và bộ trao đổi nhiệt phụ trợ, khó khăn chính là clorua ở nồng độ đủ cao có thể xâm nhập và phá hủy lớp oxit bảo vệ trên thép không gỉ, gây ra ăn mòn cục bộ, tức là ăn mòn rỗ.
Ăn mòn rỗ là một trong những dạng ăn mòn nguy hiểm nhất vì nó có thể gây ra các lỗ thủng trên thành thiết bị và làm hỏng thiết bị mà chỉ mất một lượng kim loại nhỏ.
Nồng độ clorua không cần phải quá cao để gây ra ăn mòn rỗ trên thép không gỉ 304 và 316, và đối với các bề mặt sạch không có cặn bẩn hoặc khe hở, nồng độ clorua tối đa được khuyến nghị hiện nay được coi là:
Một số yếu tố có thể dễ dàng tạo ra nồng độ clorua vượt quá các hướng dẫn này, cả về tổng thể và tại các vị trí cục bộ. Việc xem xét hệ thống làm mát tuần hoàn một chiều cho các nhà máy điện mới đã trở nên rất hiếm. Hầu hết được xây dựng với tháp giải nhiệt, hoặc trong một số trường hợp, là bình ngưng làm mát bằng không khí (ACC). Đối với những nhà máy có tháp giải nhiệt, nồng độ tạp chất trong nước làm mát có thể “tăng lên theo chu kỳ”. Ví dụ, một cột có nồng độ clorua trong nước bổ sung là 50 mg/l hoạt động với năm chu kỳ nồng độ, và hàm lượng clorua trong nước tuần hoàn là 250 mg/l. Chỉ riêng điều này thôi cũng đủ để loại trừ thép không gỉ 304. Ngoài ra, tại các nhà máy mới và hiện có, ngày càng cần phải thay thế nước ngọt để bổ sung nước cho nhà máy. Một giải pháp thay thế phổ biến là nước thải đô thị. Bảng 2 so sánh phân tích của bốn nguồn cung cấp nước ngọt với bốn nguồn cung cấp nước thải.
Hãy chú ý đến nồng độ clorua tăng cao (và các tạp chất khác, chẳng hạn như nitơ và phốt pho, có thể làm tăng đáng kể sự ô nhiễm vi sinh vật trong hệ thống làm mát). Đối với hầu hết nước thải sinh hoạt, bất kỳ sự tuần hoàn nào trong tháp giải nhiệt cũng sẽ vượt quá giới hạn clorua được khuyến nghị bởi tiêu chuẩn 316 SS.
Phần thảo luận trước đó dựa trên khả năng ăn mòn của các bề mặt kim loại thông thường. Các vết nứt và cặn lắng làm thay đổi đáng kể vấn đề, vì cả hai đều tạo ra những nơi mà tạp chất có thể tập trung. Vị trí điển hình của các vết nứt cơ học trong bình ngưng và các bộ trao đổi nhiệt tương tự là tại các điểm nối giữa ống và tấm ống. Cặn lắng bên trong ống có thể tạo ra các vết nứt tại ranh giới cặn lắng, và bản thân cặn lắng có thể là nơi tích tụ chất gây ô nhiễm. Hơn nữa, vì thép không gỉ dựa vào một lớp oxit liên tục để bảo vệ, các chất lắng đọng có thể tạo thành các điểm thiếu oxy, biến bề mặt thép còn lại thành cực dương.
Phần thảo luận trên đã nêu ra những vấn đề mà các nhà thiết kế nhà máy thường không xem xét khi lựa chọn vật liệu ống cho bình ngưng và bộ trao đổi nhiệt phụ trợ trong các dự án mới. Quan điểm về thép không gỉ 304 và 316 đôi khi vẫn theo lối suy nghĩ “chúng ta vẫn luôn làm như vậy” mà không cân nhắc đến hậu quả của những hành động đó. Hiện nay đã có các vật liệu thay thế đáp ứng được điều kiện nước làm mát khắc nghiệt hơn mà nhiều nhà máy đang phải đối mặt.
Trước khi thảo luận về các kim loại thay thế, cần phải nêu ngắn gọn một điểm khác. Trong nhiều trường hợp, thép không gỉ 316 hoặc thậm chí 304 hoạt động tốt trong điều kiện bình thường, nhưng lại hỏng khi mất điện. Trong hầu hết các trường hợp, sự hỏng hóc là do hệ thống thoát nước kém của bình ngưng hoặc bộ trao đổi nhiệt gây ra hiện tượng nước đọng trong các ống. Môi trường này tạo điều kiện lý tưởng cho sự phát triển của vi sinh vật. Các khuẩn lạc vi sinh vật lần lượt tạo ra các hợp chất ăn mòn trực tiếp làm ăn mòn kim loại của ống.
Cơ chế này, được gọi là ăn mòn do vi sinh vật (MIC), được biết là có thể phá hủy các đường ống thép không gỉ và các kim loại khác trong vòng vài tuần. Nếu không thể xả hết nước trong bộ trao đổi nhiệt, cần xem xét nghiêm túc việc định kỳ tuần hoàn nước qua bộ trao đổi nhiệt và thêm chất diệt khuẩn trong quá trình này. (Để biết thêm chi tiết về các quy trình lắp đặt đúng cách, xem D. Janikowski, “Lắp đặt nhiều lớp bộ trao đổi nhiệt ngưng tụ và BOP – Những cân nhắc”; được tổ chức từ ngày 4-6 tháng 6 năm 2019 tại Champaign, IL. Trình bày tại Hội nghị chuyên đề Hóa học Điện lực lần thứ 39.)
Đối với các môi trường khắc nghiệt đã nêu ở trên, cũng như các môi trường khắc nghiệt hơn như nước lợ hoặc nước biển, các kim loại thay thế có thể được sử dụng để ngăn chặn tạp chất. Ba nhóm hợp kim đã được chứng minh là thành công, đó là titan tinh khiết thương mại, thép không gỉ austenit chứa 6% molypden và thép không gỉ siêu ferrit. Các hợp kim này cũng có khả năng chống ăn mòn vi mô (MIC). Mặc dù titan được coi là rất bền với sự ăn mòn, nhưng cấu trúc tinh thể lục giác xếp chặt và mô đun đàn hồi cực thấp khiến nó dễ bị hư hại cơ học. Hợp kim này phù hợp nhất cho các công trình lắp đặt mới với cấu trúc đỡ ống chắc chắn. Một lựa chọn thay thế tuyệt vời là thép không gỉ siêu ferrit Sea-Cure®. Thành phần của vật liệu này được thể hiện bên dưới.
Thép này có hàm lượng crom cao nhưng hàm lượng niken thấp, do đó nó là thép không gỉ ferrit chứ không phải thép không gỉ austenit. Vì hàm lượng niken thấp, giá thành của nó thấp hơn nhiều so với các hợp kim khác. Độ bền và mô đun đàn hồi cao của Sea-Cure cho phép tạo thành các vách mỏng hơn so với các vật liệu khác, dẫn đến khả năng truyền nhiệt được cải thiện.
Các đặc tính được cải thiện của những kim loại này được thể hiện trên biểu đồ “Chỉ số tương đương khả năng chống ăn mòn rỗ”, đúng như tên gọi, đây là một quy trình thử nghiệm được sử dụng để xác định khả năng chống ăn mòn rỗ của các kim loại khác nhau.
Một trong những câu hỏi phổ biến nhất là “Hàm lượng clorua tối đa mà một loại thép không gỉ cụ thể có thể chịu được là bao nhiêu?” Câu trả lời rất khác nhau. Các yếu tố bao gồm độ pH, nhiệt độ, sự hiện diện và loại vết nứt, và khả năng tồn tại của các loài sinh vật hoạt động. Một công cụ đã được thêm vào trục bên phải của Hình 5 để hỗ trợ quyết định này. Công cụ này dựa trên độ pH trung tính, nước chảy ở 35°C thường thấy trong nhiều ứng dụng BOP và ngưng tụ (để ngăn ngừa sự hình thành cặn và vết nứt). Sau khi chọn được hợp kim có thành phần hóa học cụ thể, PREn có thể được xác định và sau đó giao với đường gạch chéo thích hợp. Mức clorua tối đa được khuyến nghị sau đó có thể được xác định bằng cách vẽ một đường ngang trên trục bên phải. Nói chung, nếu một hợp kim được xem xét cho các ứng dụng nước lợ hoặc nước biển, nó cần phải có CCT trên 25 độ C được đo bằng thử nghiệm G ​​48.
Rõ ràng là các hợp kim siêu ferit như Sea-Cure® nói chung phù hợp ngay cả với các ứng dụng trong nước biển. Có một lợi ích khác của những vật liệu này cần được nhấn mạnh. Các vấn đề ăn mòn mangan đã được quan sát thấy ở thép không gỉ 304 và 316 trong nhiều năm, bao gồm cả tại các nhà máy dọc sông Ohio. Gần đây, các bộ trao đổi nhiệt tại các nhà máy dọc sông Mississippi và Missouri cũng bị tấn công. Ăn mòn mangan cũng là một vấn đề phổ biến trong các hệ thống bổ sung nước giếng. Cơ chế ăn mòn đã được xác định là do mangan dioxide (MnO2) phản ứng với chất diệt khuẩn oxy hóa để tạo ra axit clohydric dưới lớp cặn. HCl mới là chất thực sự tấn công kim loại. [WH Dickinson và RW Pick, "Ăn mòn phụ thuộc mangan trong ngành công nghiệp điện lực"; trình bày tại Hội nghị ăn mòn thường niên NACE năm 2002, Denver, CO.] Thép ferit có khả năng chống lại cơ chế ăn mòn này.
Việc lựa chọn vật liệu cao cấp hơn cho ống dàn ngưng và bộ trao đổi nhiệt vẫn không thể thay thế cho việc kiểm soát hóa chất xử lý nước đúng cách. Như tác giả Buecker đã nêu trong một bài báo kỹ thuật điện trước đây, một chương trình xử lý hóa chất được thiết kế và vận hành đúng cách là cần thiết để giảm thiểu khả năng đóng cặn, ăn mòn và bám bẩn. Hóa học polymer đang nổi lên như một giải pháp thay thế mạnh mẽ cho hóa học phosphat/phosphonat cũ để kiểm soát ăn mòn và đóng cặn trong hệ thống tháp giải nhiệt. Kiểm soát ô nhiễm vi sinh vật đã và sẽ tiếp tục là một vấn đề quan trọng. Mặc dù hóa học oxy hóa với clo, chất tẩy trắng hoặc các hợp chất tương tự là nền tảng của việc kiểm soát vi sinh vật, nhưng các phương pháp xử lý bổ sung thường có thể cải thiện hiệu quả của các chương trình xử lý. Một ví dụ như vậy là hóa học ổn định, giúp tăng tốc độ giải phóng và hiệu quả của các chất diệt khuẩn oxy hóa gốc clo mà không đưa bất kỳ hợp chất có hại nào vào nước. Ngoài ra, việc bổ sung thuốc diệt nấm không oxy hóa có thể rất có lợi trong việc kiểm soát sự phát triển của vi sinh vật. Kết quả là có nhiều cách để cải thiện tính bền vững và độ tin cậy của bộ trao đổi nhiệt nhà máy điện, nhưng mỗi hệ thống đều khác nhau, vì vậy việc lập kế hoạch cẩn thận và tham khảo ý kiến ​​​​của các chuyên gia trong ngành là rất quan trọng đối với việc lựa chọn vật liệu và quy trình hóa học. Phần lớn bài viết này là Từ góc độ xử lý nước, chúng tôi không tham gia vào các quyết định về vật liệu, nhưng chúng tôi được yêu cầu hỗ trợ quản lý tác động của những quyết định đó sau khi thiết bị được đưa vào vận hành. Quyết định cuối cùng về lựa chọn vật liệu phải do nhân viên nhà máy đưa ra dựa trên một số yếu tố cụ thể cho từng ứng dụng.
Giới thiệu về tác giả: Brad Buecker là Chuyên viên Quan hệ công chúng kỹ thuật cấp cao tại ChemTreat. Ông có 36 năm kinh nghiệm trong hoặc liên quan đến ngành công nghiệp năng lượng, phần lớn trong lĩnh vực hóa học sản xuất hơi nước, xử lý nước, kiểm soát chất lượng không khí và tại City Water, Light & Power (Springfield, IL) và Kansas City Power & Light Company đặt tại trạm La Cygne, Kansas. Ông cũng từng có hai năm làm giám sát viên xử lý nước/nước thải tại một nhà máy hóa chất. Buecker có bằng Cử nhân Hóa học từ Đại học bang Iowa với các khóa học bổ sung về Cơ học chất lỏng, Cân bằng năng lượng và vật chất, và Hóa học vô cơ nâng cao.
Dan Janikowski là Giám đốc Kỹ thuật tại Plymouth Tube. Trong 35 năm qua, ông đã tham gia vào việc phát triển kim loại, sản xuất và thử nghiệm các sản phẩm ống bao gồm hợp kim đồng, thép không gỉ, hợp kim niken, titan và thép carbon. Gia nhập Plymouth Metro từ năm 2005, Janikowski đã nắm giữ nhiều vị trí cấp cao khác nhau trước khi trở thành Giám đốc Kỹ thuật vào năm 2010.