無駄

2021年のPrewin Networkの計画外停止調査では、廃棄物発電（WtE）およびバイオマスプラントの設備故障が、2021年の合計22.9日間の計画外停止の原因であることが明らかになりました。また、設備故障分類の43%がボイラー関連であることも判明しました。 （図1）。 さらに、2021 年にはボイラーだけでも平均 9.9 日間の計画外停止が発生しており、ボイラーの故障の 49% は放射部分が占め (図 2)、続いてエコノマイザー (28%)、対流部分 (20%) でした。 、その他（3%）。

これらの最新の統計は、設備のパフォーマンスと信頼性に関する洞察を提供し、工場所有者にとってボイラーが管理上最も問題のある機器の 1 つであることを強調しています。 この記事では、ボイラー故障の最も一般的な要因の 1 つである腐食について説明します。

通常、中型または大規模な設備向けに設計された WtE ボイラーは、バイオマス、リサイクルされたバイオマス、または前処理された産業廃棄物や都市廃棄物を燃焼させることによって、発電または熱用の蒸気を生成します。 燃料の柔軟性により関連コストが削減されますが、ボイラーの腐食が増加します。

混合燃料の燃焼環境は、機器が損傷しやすくなる可能性のある極端な条件を作り出します。 ボイラーの設計は水平火格子、傾斜火格子、バブリング流動床、循環流動床など多種多様です。 燃料混合物にプラスチックやその他の化学物質が含まれている場合、塩素、硫黄、その他のアルカリ金属や重金属が生成され、加速された腐食メカニズムによって圧力部品の厚さの損失率が大幅に増加する可能性があります。 適切な予防ケアを行わないと、このような状態が発生すると、漏れ、予期せぬ停止、高額なメンテナンスおよび運用コストが発生し、ボイラーの可用性、効率、排出上の利点が低下する可能性があります。

WtE ボイラーの効率の向上は、ボイラーチューブ内の圧力と温度の上昇を意味します。 高レベルの腐食剤を含む新しい種類の燃料と、これらのより高い温度および圧力を組み合わせると、材料の軟化が生じる可能性があります。 炉辺ボイラーの腐食の加速は、過熱器の保護されていない鋼鉄熱交換面で始まり、母材金属の耐浸食性が低下します。

ほとんどの腐食防止メカニズムは、酸化物層を形成することによって母材金属上に腐食バリアを生成することで構成されます。 WtE ボイラー内部の課題は、この層が急速に侵食され、別の層の形成が強制され、その結果エロージョン・コロージョン現象が引き起こされることです (図 3)。 このような高温で、過酷な条件が軟質または耐浸食性に劣る材料と組み合わされると、エロージョン・コロージョンによる薄化が急速に発生する可能性があります。

耐火物保護は腐食性煙道ガスに対する最初の防御であり、優れた浸食特性も持つことができます。 ただし、熱効率が低いため、熱交換特性には限界があります。 耐火合金を使用することもできますが、材料コストが高すぎることと耐浸食性が限られているため、多くの場合、表面保護層を使用する方が費用対効果の高い解決策となります。

薄いセラミックコーティングの使用は魅力的なアプローチのように思えますが、多くの場合、熱膨張の不一致とそのようなコーティングの脆弱性により、このソリューションの信頼性が低くなります。 コーティングには亀裂が入りやすく、保護層の下で腐食が進行し、保護層が剥がれる可能性があります。 考えられる解決策には次のようなものがあります。

溶接金属肉盛 (WMO)。多くのボイラーは、浸食や腐食の危険がある重要な領域に溶接金属肉盛 (WMO) 保護が設置されて設計および製造されています。 多くの場合、時間の経過と連続運転中に、たとえば 2 回目のパスなど、WMO セクションを越えた保護されていないチューブで腐食の加速が観察されます。 これは一般に「腐食クリープ」と呼ばれます。 この場合、腐食バリアで保護されるチューブ領域の範囲を拡大する必要があります (図 4)。

多くの場合、従来の解決策は、影響を受けた部分を取り外して新しいチューブパネルと交換し、その後工場で適用される WMO 腐食バリアで保護することです。 しかし、水壁セクションを交換すると、長期間の停止や、特にパネルセクションの接合部や突合せ溶接部における歪みや表面形状の不規則性などの追加の問題が発生する可能性があります。 WMO は、外部家具が関係する場合に特に困難です。

現場での WMO のフィールド適用に代わる方法は、品質の観点から管理が難しく、より薄いチューブ部分では不可能な可能性があり、熱入力により時間がかかり、熱歪みが発生してプラントの停止が長くなる危険性があります。 他のケースでは、適用された WMO のボイラーの特定の部分では、使用開始からわずか 1 ～ 2 年で、高温浸食/腐食による消耗が加速する兆候が見られ始めることがあります。 この当初の投資は、基礎となる水壁の圧力境界の完全性を危険にさらすさらなる急速な劣化から保護する必要があります。

サーマルスプレー。溶射技術は、1980 年代以来、電力産業における耐食合金 (CRA) の適用に使用されており (図 5)、WMO プロセスで広く使用されている金属合金を溶射しています。 しかし、溶射プロセス自体が溶射される合金の特性に悪影響を与えることはすぐに理解されました。

既製の金属合金ワイヤと従来の溶射装置を使用した場合、結果として得られる塗布されたままの被覆材は透過性でした。 多孔性、高い内部応力、カプセル化された酸化物、および母材との低い結合強度によるこの浸透性は、腐食や早期故障の完璧な経路を生み出しました。 望ましい結果とはまったく逆です。

これらの初期の失敗は、溶射技術に対する幅広い不信感をもたらしました。 同時に、これは大きなチャンスをもたらしました。接合強度を向上させ、塗布されたままの溶射皮膜の浸透性、気孔率、酸化物、内部応力を低減することは可能でしょうか?

Integrated Global Services (IGS) のエンジニアと材料科学者は、合金を塗布するために使用される搬送装置と合金原料自体の両方を再設計することにより、この問題の解決策の開発に成功しました。

絆の強さ。溶射された金属粒子と基材の間の結合強度の問題は、溶射速度を上げ、基材の表面処理の品質を向上させることによって解決されました。 超音速の空気流によって噴霧された溶融金属粒子が適切に準備された基板に衝突すると、粒子はパンケーキのように飛び散って基板に埋め込まれ、非常に強固な結合を形成します。

不浸透性のバリアを作成します。噴霧化された金属液滴が溶射ガンから出て基板に到達する際、それらは大気と 21% の酸素にさらされます。 その結果、これらの高温の溶融液滴は飛行中に酸化を受けます。 制御しない場合、金属液滴が基板に着地すると、薄い酸化物層が付着して堆積し、適用された微細構造の透過性が損なわれてしまいます。

IGS は、高速合金クラッディング システムにより、このマクロ気孔率の問題を解決しました。 既製の従来の合金は、飛行中の酸化を最小限に抑えるための独自の合金成分を含む改良合金に置き換えられました。 酸化物の生成を軽減することにより、溶射保護バリアの腐食性能と浸透性が変化しました。

Renergia に設置された Hitachi Zosen Inova (HZI) 炉は、外部エコノマイザーを備えた傾斜移動火格子 4 パス WtE ボイラーです。 ボイラーの熱容量は 47 MW で、蒸気流量は 58 トン/時間、蒸気圧力は 410℃ で 41 Bar です。

耐火物を使用しないように意図的に設計された合金 625 溶接肉盛は、WtE ボイラー管を炉辺の腐食から保護するために、炉辺の水壁パネルに工場で適用されました。 数カ月間の稼働後の検査で、特に格子のすぐ上で合金 625 保護層の劣化が加速しており、場所によっては年間 0.5 ミリメートル以上厚さが減少していることが判明した。 ボイラーチューブの金属の無駄を管理し、水壁の信頼性と寿命の両方を向上させるために、交換、現場適用溶接肉盛、溶射など、いくつかの解決策が検討されました。

しかし、IGS の HVTS ソリューションを試してみることが決定されました。 最初の適用は 2017 年に、移動火格子 WtE ボイラーのレベルまでの左側の膜壁に位置する 20 平方メートル (m2) のエリアで行われました。 このプラントでは、膜の右側に別のベンダーによって適用された溶射 (TS) コーティングも施されていました。

その後、これらの領域は 2018 年に検査され、IGS HVTS と他のベンダーの TS が肉盛溶接の劣化を停止することに成功したかどうかが判断されました。 HVTS/WMO インターフェースの検査 (図 6) では、IGS HVTS で覆われた領域が浸食/腐食の影響を受けていないことが示されました。 一方、保護されていない Alloy 625 WMO と他のベンダーの TS は劣化し続けました。

2019 年には範囲を拡大し、IGS HVTS 合金被覆材をさらに 20 平方メートルのエリアに適用することが決定されました。同年後半の 2019 年 8 月の検査では、以下のことが確認されました。 HVTS 合金被覆材で保護されたエリアは、保護されていないことが確認されました。孔食や消耗が見られるもの。 隣接する保護されていない合金 625 溶接肉盛部分には、摩耗と劣化の兆候が見られました。 2020年、2021年、2022年にレネルギアの両ラインで継続的な検査と範囲拡張が行われたことで、IGS HVTSシステムが期待通りに機能し、2017年以来合金625溶接肉盛エリアをさらなる腐食から保護し続けていることが確認された。

Renergia Zentralschweiz AGのメンテナンス責任者であるMarkus Benz氏は、「2017年11月にIGSは、同社のHVTS技術を使用して約20平方メートルのIGS材料を適用するために選ばれました。彼らは効率的に動員し、要求されたタイトなスケジュール内で予想される作業範囲を実行しました」とコメントした。 。

「稼働から10か月後、2018年9月に廃棄物発電ボイラーの簡単な検査が実施され、コーティングの良好な性能が確認されました。その結果、2019年1月に別のエリアへの塗布が発注されました。1月初旬に、より詳細な検査により、14 か月の稼働後の被覆材の全体的な動作が良好であることが確認されました。

「保護エリアが 2 倍になったので、18 か月後の次のターンアラウンドまで安全に運用できる見込みです。IGS は、信頼性が高く透明性のあるコミュニケーションにより、非常に専門的な方法でクリティカル パス内に契約範囲を適用することに成功しました。」

2021 年の Prewin Network 計画外シャットダウン調査で概説された調査結果は、資産のメンテナンスと、プロセス機器を劣化やパフォーマンスの損失から保護することの重要性を強調しています。 計画外のシャットダウンは、生産性の低下と緊急修復作業の両方で重大な経済的影響を与える可能性があります。

市場には他にも WMO というソリューションがあり、これは時間と費用がかかりますが、信頼できる方法です。 溶射は別の解決策であり、理論的には WMO よりも優れた代替手段ですが、早期故障につながる可能性があります。

IGS HVTS は、溶射コーティングの次の進化版であり (図 7)、信頼性の高い長期的な腐食保護を提供します。 資産の故障、特にボイラーの故障は、引き続き WtE プラント管理者にとってコストのかかる問題であるため、資産の寿命と可用性を向上させ、大幅な節約とメリットをもたらす予防保守措置を講じることが重要です。

—コリン・ベイトマンは、Integrated Global Services (IGS) を担当するボイラー信頼性主題専門家 (SME) です。

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