Søvandskøling i kystnære kraftværker: Valg af rørmaterialer i rustfrit stål

For søvandskølingskredsløb i kystnære kraftværker er standard 316L-rustfrit stål normalt ikke tilstrækkeligt; varmt, kloridholdigt, biologisk forurenet søvand kræver mere legerede materialer såsom duplex 2205, 6Mo superaustenitiske kvaliteter, superduplex 2507 eller titan – valgt ud fra temperatur, strømningshastighed og kloreringsregime. De primære trusler er kloridinduceret spaltkorrosion og spaltekorrosion, mikrobiologisk påvirket korrosion under biofilm samt erosion-korrosion ved høj strømningshastighed, så det rigtige materiale skal balancere korrosionsbestandighed, mekanisk styrke og omkostninger i forhold til den specifikke anvendelse i indtagssystemer, kondensorrør og varmevekslere.

Udfordringen med søvandskøling
Kystnære termiske og kernekraftværker udleder kolossale mængder varme til havet, hvilket kræver, at store mængder havvand pumpes gennem indtagssystemer, skærme, pumper, kondensatorer og afgivningsledninger. Havvand er næsten lige så aggressivt som industrielle væsker. Det indeholder cirka 19.000 ppm chlorid, er fuldt oxygeniseret og biologisk aktivt, og det opvarmes ofte yderligere under passage gennem kondensatoren. Alle disse faktorer angriber konventionel rustfrit stål.
Tre mekanismer dominerer. Chlorider nedbryder den passive film og forårsager spaltedannelse samt, i sprækker, kloakkorrosion. Marine organismer sætter sig på overflader og danner biofilm, hvilket skaber iltdifferentielle sprækker og driver mikrobielt påvirket korrosion (MIC), der kan perforere rør hurtigt under aflejringer. Og fordi disse systemer transporterer vand med høj hastighed, fjerner høj strømningshastighed beskyttende film og sliber metallet i erosion-korrosion, mens stillestående zoner under stopperioder giver mulighed for, at aflejringer og MIC kan etablere sig.

Hvorfor 316L ofte svigter
316L, med ca. 2 % molybdæn og en PREN på omkring 24, er fremragende i mange kloridapplikationer, men kun tilstrækkelig i varmt havvand. Dens kritiske pittingtemperatur i klorider, der minder om havvand, er lav, så den udviser pitting ved temperaturer over et beskeden niveau, og den er især udsat for spaltekorrosion under pakninger, rør-til-rørplade-forbindelser og biologiske aflejringer. I strømmende havvand kan 316L overleve ved lav temperatur i rene forhold, men kombinationen af varme, stillestående forhold under nedlukninger og snavs fører rutinemæssigt til fejl.
Læren fra årtier med kystnære drift er, at man skal specificere havvandsanvendelse ud fra PREN og modstand mod spaltekorrosion – ikke ud fra generelle erfaringer med klorider. En nyttig reference: Pålidelig modstand mod spaltekorrosion i havvand kræver typisk en PREN på ca. 40 eller derover, langt mere end hvad 316L kan levere.

Højere-legerede muligheder
Flere materialefamilier opfylder udfordringen fra havvand, hvor hver har sin egen niche, der er defineret af temperatur, styrke og budget. Duplex 2205, med cirka 3 % molybdæn samt kvælstof og en PREN i midten af 30’erne, tilbyder omkring dobbelt så stor styrke som austenitiske kvaliteter og klare sig godt i køligere eller klorstabiliseret havvand, selvom det kan være grænseområdet for varm spaltekorrosion. De 6Mo superaustenitiske kvaliteter med omkring 6 % molybdæn og 0,2 % kvælstof og en PREN over 40 er et velprøvet arbejdshest for havvandsrør og varmevekslere. Superduplex 2507 med omkring 4 % molybdæn, en PREN over 40 og meget høj styrke egner sig til krævende havvandsanvendelser, herunder tyndvæggede, højtryksledninger. Titan er næsten immun over for kloridpitting og er traditionelt valgt til kondensorrør, primært begrænset af omkostningerne samt lavere styrke og stivhed.

Kondensorrør og strømningshastighed
Kondensoren er hjertet i kølingssystemet, og dens tyndvæggede rør er de mest korrosionsfølsomme dele. Titanium og højlegerede rustfrie rør har historisk erstattet kobberlegeringer, hvor klorid- og forureningstilførsler er høje, fordi de tåler biobelægning, chlorering og hastighed, som en kondensor udsættes for.
Strømningshastigheden skal ligge inden for et bestemt interval. Hvis den er for lav, vil aflejringer, slam og biofilm sætte sig, hvilket fremmer korrosion under aflejringer samt mikrobiologisk påvirket korrosion; hvis den er for høj, vil erosion-korrosion fjerne beskyttende film fra buer, indløb og rørudgange. Højlegerede rustfrie stålsorter som 6Mo og superduplex kan tåle højere hastigheder end kobberlegeringer – ofte flere meter pr. sekund – men konstruktører undgår stadig overdreven turbulens ved indløb, anvender glatte overgange og holder hastigheden over det minimum, der kræves for at forhindre aflejring. Intermitterende eller kontinuerlig klorering kontrollerer biofouling, men den valgte legering skal kunne tåle de resulterende oxiderende chloridbetingelser, hvilket igen peger på materialer med højt PREN.

Konstruktion og driftspraksis
Materialevalg er kun en del af pålideligheden. Minimer spalter med gennemgående svejsninger, velmonterede pakninger og korrekt rullet eller svejset rør-til-rørplade-forbindelser, fordi selv de bedste legeringer har en grænse for spaltetemperatur. Konstruer systemer, så de kan tømmes og skylles med friskt vand under stopperioder, så stillestående havvand ikke kan koncentrere chlorider og fremme mikrobielt induceret korrosion (MIC). Katodisk beskyttelse og en fornuftig kloreringsordning forlænger levetiden, og galvaniske par af forskellige metaller skal undgås eller håndteres, da kombinationen af en højlegeret komponent med et mindre ædelt metal i havvand kan føre til hurtig korrosion af det sidstnævnte.
Wenqiang leverer duplex 2205 og super duplex 2507/S32750 uden søm og svejset rør, rør, fittings og flanger i overensstemmelse med ASTM A312, A213, A269, A790 og A928 samt med EN 10204 3.1- eller 3.2-materialeprøvecertifikater. Interne PMI-, kemiske og mekaniske tests, trykprøvning og ikke-destruktiv testning (NDT) bekræfter, at hver enkelt komponent opfylder kravene til kemisk sammensætning og integritet for brug i havvand.

Konklusion
Saltholdig kølevand påvirker utilstrækkeligt specificerede materialer hårdt. Varmt, iltfyldt, biologisk aktivt og hurtigt strømmende saltholdigt kølevand overvælder 316L; derfor bør kraftværker ved kysten vælge materialer ud fra deres PREN-værdi og modstandsdygtighed mod spaltekorrosion – og overveje duplex 2205, 6Mo-superaustenitiske legeringer, superduplex 2507 eller titan, alt efter temperatur, strømningshastighed og omkostninger. Kombineret med en spaltefri konstruktion, kontrolleret strømning, klorering og afladning under stop, sikrer den rigtige højlegerede legering kølekredsløb, der tåber klorider, biofouling og erosion i de lange levetider, som disse kraftværker kræver.

Ofte stillede spørgsmål
Spørgsmål: Hvorfor anbefales 316L ikke til køling med saltholdigt kølevand?
Svar: Med kun ca. 2 % molybdæn og en PREN-værdi på ca. 24 udviser 316L pittingkorrosion i varmt saltholdigt kølevand og er meget følsom over for spaltekorrosion under pakninger, rørforbindelser og biofouling. Pålidelig modstandsdygtighed mod spaltekorrosion i saltholdigt kølevand kræver generelt en PREN-værdi på ca. 40 eller derover.
Spørgsmål: Hvilken strømningshastighed er sikker for rør af rustfrit stål til saltholdigt kølevand?
A: Der er et vindue: Strømningshastigheden skal være tilstrækkelig høj til at forhindre aflejringer og biofilm, der forårsager korrosion under aflejringer og mikrobiologisk korrosion, men tilstrækkelig lav til at undgå erosion-korrosion. Høj-legerede kvaliteter som 6Mo og superduplex kan tåle flere meter pr. sekund, men glatte overgange samt kontrolleret turbulens ved indløb og buer er afgørende.

Angiv havvandskvalitet duplex- og superduplex-rørledninger hos Wenqiang: +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/