塩化物はどのくらい?: 発電所の熱交換器材料の選択

著者らは、プラント設計者がコンデンサーや補助熱交換器の管材料として 304 または 316 ステンレス鋼を日常的に選択している新しい電力プロジェクトの仕様を何度もレビューしてきました。 多くの人にとって、ステンレス鋼という言葉は腐食に対して無敵のオーラを思い起こさせますが、実際には、ステンレス鋼は局所的な攻撃を受けやすいため、最悪の選択となる場合があります。 そして、冷却水の補給に利用できる淡水が減少しているこの時代に、高濃度サイクルで稼働する冷却塔と組み合わせると、潜在的なステンレス鋼の故障メカニズムが拡大します。 一部の用途では、300 シリーズのステンレス鋼は、破損するまでにわずか数か月、場合によってはわずか数週間しか耐えられません。 この記事では、主に水処理の観点から、復水器チューブの材料を選択する際に少なくとも考慮すべき問題を取り上げます。 この記事では説明していませんが、材料の選択に重要な役割を果たすその他の要素としては、材料の強度、熱伝達特性、疲労やエロージョン・コロージョンなどの機械的力に対する耐性などが挙げられます。

いくつかの定義

鋼に 12% 以上のクロムを添加すると、合金に連続酸化物層の形成が誘導され、その下にある母材金属を保護します。 したがって、ステンレスという用語が生まれます。 他の合金材料、特にニッケルが存在しない場合、炭素鋼はフェライト グループの一部となり、その単位胞は体心立方 (BCC) 構造をとります。

8% 以上の濃度のニッケルを合金混合物に添加すると、周囲温度であっても単位格子はオーステナイトとして知られる面心立方晶 (FCC) 構造で存在します。

表1に示すように、300系ステンレス鋼などはオーステナイト組織を生成するニッケル含有量を持っています。

オーステナイト鋼は、発電ボイラーの高温過熱器や再熱器管の材料など、多くの用途で非常に価値があることが証明されています。 特に300シリーズは、蒸気表面復水器を含む低温伝熱管の材料として広く使用されています。 しかし、これらのアプリケーションでは、多くの人が潜在的な障害メカニズムを見失います。

300 シリーズの問題

ステンレス鋼、特に一般的な 304 および 316 材料の主な問題は、冷却水中の不純物や、不純物の濃縮に役立つ隙間や堆積物の存在によって、保護酸化層が頻繁に破壊される可能性があることです。 さらに、停止状態では、滞留水によって微生物が増殖し、その代謝副産物が金属に大きな損傷を与える可能性があります。

塩化物 — 部屋の中の800ポンドのゴリラ

一般的な冷却水の不純物は、経済的に除去するのが最も困難なものの 1 つである塩化物です。 このイオンは蒸気発生器で多くの問題を引き起こす可能性がありますが、凝縮器や補助熱交換器での主な問題は、十分な濃度の塩化物が浸透してステンレス鋼の保護酸化物層を破壊し、局所的な腐食、つまり孔食を引き起こすことです。

孔食は最も危険な形態の腐食の 1 つであり、ごくわずかな金属損失で壁を貫通し、機器の故障を引き起こす可能性があります。

304 および 316 ステンレス鋼の孔食を引き起こすのに塩化物濃度が高い必要はありません。堆積物や亀裂のないきれいな表面に推奨される最大塩化物濃度は、現在次のように考えられます。

一般的に、または局所的に、これらのガイドラインを超える塩化物濃度を容易に発生させる要因がいくつかあります。 まず、新しい発電所における貫流冷却は非常にまれになっていることを考慮してください。 ほとんどは冷却塔、または場合によっては空冷コンデンサー (ACC) を使用して建設されています。 冷却塔がある場合、化粧品中の不純物の濃度が「循環」されます。 たとえば、補給水の塩化物濃度が 50 mg/l で、5 サイクルの濃度で運転される塔では、循環水中に 250 mg/l の塩化物が含まれることになります。 それだけで、通常は 304 SS が検討対象から除外されます。 さらに、新規および既存のプラントの両方で、プラントの構成に真水の代替品がますます必要とされています。 一般的な代替品の 1 つは都市廃水です。 表 2 は、4 つの淡水供給と 4 つの廃水供給による分析の比較を示しています。

塩化物（および冷却システム内の微生物汚れを大幅に増加させる窒素種やリンなどの他の不純物）のレベルが増加していることに注目してください。 基本的にすべての灰色の水について、冷却塔内での循環は 316 SS の推奨塩化物制限を超えることになります。

前述の議論は、普通の金属表面の腐食の可能性に基づいていました。 亀裂と堆積物は、不純物が集中する場所となるため、物語を劇的に変えます。 凝縮器や同様の熱交換器の機械的隙間の典型的な場所は、管と管板の接合部です。 チューブ内での堆積により、堆積物の境界に亀裂が発生し、さらに堆積物自体が不純物濃縮の役割を果たす可能性があります。 さらに、ステンレス鋼は保護のために連続的な酸化層に依存しているため、堆積物により酸素が欠乏した場所が形成され、残りの鋼表面が陽極酸化される可能性があります。

上述の議論は、プラント設計者が新しいプロジェクトで凝縮器と補助熱交換器のチューブの材料を指定するときに考慮しないことが多い問題の概要を示しています。 304 SS と 316 SS に関する考え方は、そのような行動の結果を考慮せずに、依然として「それが私たちがいつもやっていた方法だ」と思われることがあります。 多くのプラントが現在直面している、より厳しい冷却水条件に対処するための代替材料が入手可能です。

代替金属について議論する前に、もう 1 つの点について簡単に説明しておく必要があります。 316 SS や 304 SS でさえ、通常の運用中には良好なパフォーマンスが得られたものの、停止中に障害が発生したという例が数多くあります。 ほとんどの場合、故障は凝縮器または熱交換器の排水不良が原因で発生し、チューブ内に水が滞留します。 この環境は微生物の増殖にとって理想的な条件を提供します。 微生物のコロニーは、チューブの金属を直接攻撃する腐食性化合物を生成します。

微生物誘起腐食 (MIC) と呼ばれるこのメカニズムは、ステンレス鋼管やその他の金属を数週間以内に破壊することが知られています。 熱交換器から排水できない場合は、プロセス中に殺生物剤を供給して熱交換器に水を定期的に循環させることを真剣に検討する必要があります。 (適切なレイアップ手順の詳細については、D. Janikowski 著「CONDENSER AND BOP EXCHANGER LAYUP — Do's and Don'ts」を参照してください。2019 年 6 月 4 ～ 6 日にイリノイ州シャンペーンで開催される第 39 回年次電気事業化学ワークショップで発表されました。 )

代替材料

上記で強調した厳しい環境や、汽水や海水などのさらに過酷な環境では、不純物に耐えられる代替金属が利用可能です。 商業的に純粋なチタン、6% モリブデン・オーステナイト系ステンレス鋼、およびスーパーフェライト系ステンレス鋼の 3 つの合金グループが成功していることが証明されています。 これらの合金は MIC に対しても耐性があります。 チタンは耐食性に優れていると考えられていますが、六方最密結晶構造と非常に低い弾性率により機械的損傷を受けやすくなっています。 この合金は、堅牢なチューブ支持構造を備えた新しいユニットで最もよく利用されます。 優れた代替品の 1 つは、スーパーフェライト系ステンレス鋼である Sea-Cure® です。 この材料の組成を以下に示します。

この鋼はクロム含有量が高いですが、ニッケルが少ないため、オーステナイト系ステンレス鋼ではなくフェライト系ステンレス鋼です。 ニッケル含有量が低いため、他の合金よりもコストを大幅に下げることができます。 Sea-Cure は強度と弾性率が高いため、他の素材よりも壁を薄くすることができ、その結果、熱伝達が向上します。

これらの金属の強化された性能は、「孔食抵抗等価数」の表に示されています。これは、名前が示すとおり、さまざまな金属の孔食に対する耐性を決定するために開発された試験手順です。

使用できる最大塩化物レベルはどれくらいですか?

最も一般的な質問の 1 つは、「特定のグレードのステンレス鋼で許容できる最大塩化物レベルはどれくらいですか?」です。 答えは大きく異なります。 要因には、pH、温度、隙間の存在と種類、活性な生物種の可能性が含まれます。 この決定を支援するツールが図 5 の右軸に追加されています。 これは、多くの BOP および凝縮アプリケーションで一般的な、中性 pH、摂氏 35 度の流水 (堆積物の形成や隙間の形成を防ぐため) であることに基づいています。 特定の化学的性質を持つ合金を選択すると、PREn を決定し、適切な傾斜線と交差させることができます。 右軸に水平線を引くことで、推奨される最大塩化物レベルを決定できます。 一般に、合金が汽水または海水での用途を検討している場合、G 48 テストで測定した CCT が 25 ℃を超える必要があります。

このガイドを使用する場合は、追加の注意点を考慮する必要があります。

明らかなように、Sea-Cure® に代表されるスーパーフェライト合金は、通常、海水用途にも適しています。 これらの材料には、強調しなければならない別の利点もあります。 304 および 316 SS のマンガン腐食の問題は、オハイオ川沿いの植物を含めて長年観察されてきました。 最近では、ミシシッピ川とミズーリ川沿いの工場の熱交換器が攻撃を受けています。 マンガンの腐食も、井戸水を補給するシステムではよくある問題です。 腐食のメカニズムは、二酸化マンガン (MnO2) と酸化性殺生物剤との反応により、堆積物の下に塩酸が生成されることが確認されています。 実際に金属を攻撃するのはHClです。 [WH Dickinson と RW Pick、「電気事業産業におけるマンガン依存性腐食」; フェライト鋼は、この腐食メカニズムに対して耐性があります。

材料をアップグレードしても、適切な水処理化学を無視しないでください

凝縮器と熱交換器のチューブに高品質の材料を選択することは、依然として適切な水処理化学制御の代わりにはなりません。 著者の Buecker が以前のパワー エンジニアリングの記事で概説したように、スケール、腐食、汚れの可能性を最小限に抑えるには、化学処理プログラムを正しく設計および運用する必要があります。 ポリマー化学は、冷却塔システムの腐食とスケールを制御するための古いリン酸塩/ホスホン酸塩化学に代わる強力な代替品として台頭しています。 微生物による汚れの管理は、これまでも、そして今後も重要な問題であり続けるでしょう。 塩素、漂白剤、または同様の化合物による酸化化学は微生物制御の基礎ですが、多くの場合、補助処理により治療プログラムの効率を向上させることができます。 その一例は、水に有害な化合物を導入することなく、塩素ベースの酸化性殺生物剤の放出速度と効率を向上させるのに役立つ安定化化学です。 また、非酸化性殺生物剤の追加飼料は、微生物の発生を制御するのに非常に有益である可能性があります。 結論としては、発電所の熱交換器の持続可能性と信頼性を向上させるために多くの方法が利用可能ですが、システムごとに異なるため、材料と化学プログラムの選択には慎重な計画と業界の専門家との協議が重要です。 この記事は大部分が水処理の観点から書かれており、私たちは重要な意思決定には関与していませんが、ユニットが稼働し始めたら、それらの決定の影響を管理するのを助けることが求められています。 材料の選択に関する最終決定は、各用途に応じて決定される多くの要素に従って工場担当者が行う必要があります。

著者について: ブラッド・ビュッカー ChemTreat の上級技術広報担当者です。 彼は電力業界で 36 年間の経験、または電力業界に携わった経験があり、その多くは蒸気発生化学、水処理、大気質管理、および市水・光・電力 (イリノイ州スプリングフィールド) およびカンザスシティ電力・電力会社での結果エンジニアリングの職にありました。ライト・カンパニーのカンザス州ラ・シーニュ駅。 また、化学工場で上下水の監督代理として 2 年間勤務しました。 Buecker はアイオワ州立大学で化学の学士号を取得しており、流体力学、エネルギーと物質の平衡、高度な無機化学の追加コースも履修しています。

ダン・ジャニコウスキープリムス管の技術マネージャーです。 彼は 35 年以上にわたり、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン、炭素鋼などの金属開発、管状製品の製造および試験に携わってきました。 2005 年からプリマス管に勤務しているジャニコフスキー氏は、2010 年に技術マネージャーに就任するまで、さまざまな上級レベルの役職を歴任してきました。