Сколько хлорида?: Выбор материалов теплообменника электростанции

Снова и снова авторы пересматривали спецификации новых энергетических проектов, в которых проектировщики электростанций обычно выбирают нержавеющую сталь 304 или 316 в качестве материала трубок для конденсаторов и вспомогательных теплообменников. Для многих термин «нержавеющая сталь» вызывает в воображении ауру неуязвимости к коррозии, хотя на самом деле нержавеющие стали иногда могут быть худшим выбором из-за их восприимчивости к локальному воздействию. И в эту эпоху уменьшения доступности пресной воды для подпитки охлаждающей воды в сочетании с градирнями, которые работают с высокими циклами концентрации, потенциальные механизмы отказа нержавеющей стали увеличиваются. В некоторых случаях нержавеющие стали серии 300 выдерживают всего несколько месяцев, а иногда и недель, прежде чем выйти из строя. В этой статье освещаются вопросы, в первую очередь с точки зрения очистки воды, которые следует, по крайней мере, учитывать при выборе материалов трубок конденсатора. Другие факторы, не обсуждаемые в этой статье, но играющие роль при выборе материалов, включают прочность материала, свойства теплопередачи и устойчивость к механическим воздействиям, включая усталость и эрозию-коррозию.

Некоторые определения

Добавление 12 процентов или более хрома в сталь заставляет сплав образовывать сплошной оксидный слой, который защищает основной металл. Таким образом, термин «нержавеющая сталь». В отсутствие других легирующих материалов, особенно никеля, углеродистые стали являются частью ферритной группы, элементарные ячейки которой имеют объемно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру.

Когда в смесь сплавов добавляется никель в концентрации 8 процентов или выше, элементарные ячейки, даже при температуре окружающей среды, существуют в гранецентрированной кубической (ГЦК) структуре, известной как аустенит.

Как показано в Таблице 1, нержавеющие стали серии 300 и другие имеют содержание никеля, обеспечивающее аустенитную структуру.

Аустенитные стали оказались очень ценными во многих областях применения, в том числе в качестве материалов для высокотемпературных перегревателей и труб промежуточного перегревателя в энергетических котлах. В частности, серия 300 обычно используется в качестве материала для трубок низкотемпературных теплообменников, включая поверхностные конденсаторы пара. Но именно в этих приложениях многие люди упускают из виду потенциальные механизмы сбоев.

Проблемы с 300-й серией

Основная трудность с нержавеющими сталями, и особенно с популярными материалами 304 и 316, заключается в том, что защитный оксидный слой часто может быть разрушен примесями в охлаждающей воде, а также наличием щелей и отложений, которые помогают концентрировать примеси. Кроме того, в условиях остановки стоячая вода способствует росту микробов, побочные продукты метаболизма которых могут нанести серьезный вред металлам.

Хлорид — 800-фунтовая горилла в комнате

Распространенной примесью охлаждающей воды, которую экономически сложнее всего удалить, является хлорид. Этот ион может вызвать множество проблем в парогенераторе, но в конденсаторах и вспомогательных теплообменниках главная трудность состоит в том, что в достаточной концентрации хлорид проникает и разрушает защитный оксидный слой на нержавеющей стали, вызывая локальную коррозию, т. е. питтинговую коррозию.

Питтинговая коррозия является одной из самых коварных форм коррозии, поскольку она может привести к сквозному проникновению в стену и выходу оборудования из строя с очень незначительной потерей металла.

Концентрация хлоридов не обязательно должна быть большой, чтобы вызвать точечную коррозию на нержавеющих сталях 304 и 316, поэтому рекомендуемая максимальная концентрация хлоридов для чистых поверхностей без каких-либо отложений или трещин теперь считается:

Существует несколько факторов, которые могут легко привести к повышению концентрации хлоридов, превышающей эти рекомендации, как в целом, так и в отдельных местах. Во-первых, учтите, что прямоточное охлаждение для новых электростанций стало очень редким явлением. Большинство из них строятся с градирнями или, в некоторых случаях, с конденсаторами воздушного охлаждения (ACC). Для тех, у кого есть градирни, концентрация примесей в составе «повышается». Например, в башне с концентрацией хлоридов подпиточной воды 50 мг/л, работающей при пяти циклах концентрирования, в циркулирующей воде будет содержаться 250 мг/л хлоридов. Уже одно это обычно должно исключить 304 SS из рассмотрения. Более того, как на новых, так и на существующих заводах все чаще требуются альтернативы пресной воде для подпитки растений. Одной из распространенных альтернатив являются городские сточные воды. В Таблице 2 представлено сравнение анализов четырех источников пресной воды и четырех источников сточных вод.