Chłodzenie wodą morską w elektrowniach przybrzeżnych: dobór materiału rur ze stali nierdzewnej

W obwodach chłodzenia wodą morską w elektrowniach przybrzeżnych standardowa stal nierdzewna 316L zazwyczaj nie zapewnia wystarczającej odporności; ciepła, bogata w chlorki i podatna na osadzanie się mikroorganizmów woda morska wymaga zastosowania materiałów o wyższym stopniu stopienia, takich jak stal duplex 2205, stale superaustenityczne z zawartością 6 % molibdenu, stal superduplex 2507 lub tytan – wybór zależy od temperatury, prędkości przepływu oraz metody chlorowania. Główne zagrożenia to korozja punktowa i szczelinowa wywołana chlorkami, korozja wpływana mikrobiologicznie pod warstwami biofilmu oraz korozja erozyjno-korozji przy wysokich prędkościach przepływu; odpowiedni wybór materiału uwzględnia zrównoważony stosunek odporności korozyjnej, wytrzymałości mechanicznej i kosztów w zależności od konkretnego zastosowania: przewodów dopływowych, rur kondensatorów oraz wymienników ciepła.

Wyzwanie chłodzenia wodą morską
Elektrownie cieplne i jądrowe nadmorskie odprowadzają ogromne ilości ciepła do morza, przepuszczając duże objętości wody morskiej przez konstrukcje poboru, siatki, pompy, skraplacze oraz rurociągi odpływowe. Woda morska jest niemal tak agresywna jak najbardziej żrące płyny przemysłowe. Zawiera około 19 000 ppm chlorków, jest całkowicie natleniona, biologicznie aktywna oraz często nagrzewa się dodatkowo podczas przepływu przez skraplacz. Każdy z tych czynników niszczy tradycyjną stal nierdzewną.
Dominują trzy mechanizmy. Chlorki niszczą warstwę bierną, powodując korozję punktową oraz – w szczelinach – korozję szczelinową. Organizmy morskie osadzają się na powierzchniach i tworzą błony bakteryjne, które generują szczeliny o różnicowym stężeniu tlenu oraz napędzają mikrobiologicznie uwarunkowaną korozję (MIC), mogącą szybko przebić rury pod osadami. Ponadto, ponieważ te systemy przepuszczają wodę z dużą prędkością, wysoka prędkość usuwa ochronne warstwy i powoduje ścieranie metalu w procesie erozji-korozji, podczas gdy strefy przestojowe pozwalają osadom i MIC się rozwijać.

Dlaczego stal 316L często okazuje się niewystarczająca
316L, zawierająca około 2 % molibdenu i o wartości PREN zbliżonej do 24, doskonale sprawdza się w wielu zastosowaniach z chlorkami, ale jej odporność jest ograniczona w ciepłej wodzie morskiej. Temperatura krytyczna powstawania punktowych korozji w chlorkach przypominających wodę morską jest niska, dlatego powyżej umiarkowanych temperatur występuje korozja punktowa; ponadto materiał ten jest szczególnie narażony na korozję szczelinową pod uszczelkami, w połączeniach rur ze skrzynią tubową oraz pod osadami biologicznymi.
Doświadczenie zdobyte przez dziesięciolecia eksploatacji wzdłuż wybrzeży pokazuje, że przy doborze materiałów do zastosowań w wodzie morskiej należy kierować się wartościami PREN oraz odpornością na korozję szczelinową, a nie ogólną odpornością na działanie chlorków. Przydatny punkt odniesienia: niezawodna odporność na korozję szczelinową w wodzie morskiej zwykle wymaga wartości PREN około 40 lub wyższej – znacznie przekraczającej możliwości stali 316L.

Opcje z wyższym stopieniem stopu
Kilka rodzin materiałów spełnia wymagania stawiane w środowisku wody morskiej – każda z nich znajduje zastosowanie w określonej niszy, zależnej od temperatury, wytrzymałości i budżetu. Stal duplex 2205, zawierająca około 3% molibdenu oraz azot i charakteryzująca się wartością PREN w średniej dziesiątce trzydziestych, oferuje prawie dwukrotnie większą wytrzymałość niż stale austenityczne i dobrze sprawdza się w chłodniejszej wodzie morskiej lub w przypadku kontrolowanej chloracji; jednak jej zastosowanie może być ograniczone w ciepłej wodzie morskiej przy występowaniu szczelin. Stale superaustenityczne z 6% molibdenu i 0,2% azotu, osiągające wartość PREN powyżej 40, są sprawdzonym rozwiązaniem do rurociągów i wymienników ciepła przeznaczonych do pracy w wodzie morskiej. Stal super duplex 2507, zawierająca około 4% molibdenu, o wartości PREN powyżej 40 i bardzo wysokiej wytrzymałości, nadaje się do wymagających zastosowań w wodzie morskiej, w tym do cienkościennych, wysokociśnieniowych rurociągów. Tytan jest praktycznie odporny na punktowe korozję i korozję szczelinową wywoływaną przez chlorki i pozostaje tradycyjnym wyborem do rur kondensatorowych – jego zastosowanie ogranicza głównie cena oraz niższa wytrzymałość i sztywność.

Rurki kondensatorów i prędkość przepływu
Kondensator jest sercem obwodu chłodzenia, a jego cienkościenne rurki są najbardziej narażone na korozję. Tytan i rurki ze stali nierdzewnej o wysokiej zawartości stopu zastąpiły tradycyjnie stopy miedzi tam, gdzie występują wysokie stężenia chlorków i zanieczyszczeń, ponieważ wykazują odporność na zabrudzenia biologiczne, chlorowanie oraz prędkość przepływu występującą w kondensatorach.
Prędkość przepływu musi mieścić się w określonym zakresie. Zbyt niska prędkość powoduje osadzanie się osadów, mułu i błony bakteryjnej, co sprzyja korozji pod osadami oraz korozji wywołanej przez mikroorganizmy; zbyt wysoka prędkość prowadzi do korozji erozyjno-korozji, która usuwa warstwy ochronne w zakrętach, na wlotach oraz na końcach rur. Stale nierdzewne o wysokiej zawartości stopu, takie jak stal 6Mo i stal superduplex, wykazują większą odporność na wysokie prędkości przepływu niż stopy miedzi, często kilka metrów na sekundę, jednak projektanci nadal unikają nadmiernego zawirowania na wlotach, stosują łagodne przejścia oraz utrzymują prędkość powyżej minimalnej wartości zapobiegającej osadzaniu się materiałów. Okresowe lub ciągłe chlorkowanie kontroluje zarastanie biologiczne, lecz wybrany stop musi wykazywać odporność na powstające wówczas utleniające warunki chlorkowe, co ponownie wskazuje na materiały o wysokim współczynniku PREN.

Projektowanie i praktyka eksploatacyjna
Wybór materiału to tylko jedna część niezawodności. Minimalizuj szczeliny za pomocą spoin pełnopenetracyjnych, dobrze osadzonych uszczelek oraz odpowiednio zwiniętych lub zespawanych połączeń rur z płytką tubową, ponieważ nawet najlepsze stopy mają ograniczenie temperatury dla korozji w szczelinach. Projektuj układy tak, aby można je było opróżniać i przepłukiwać wodą słodką w czasie postoju, by zapobiec stężaniu chlorków w zalegającej wodzie morskiej i rozwojowi korozji mikrobiologicznej (MIC). Ochrona katodowa oraz rozsądny system chlorkowania wydłużają żywotność, a połączenia galwaniczne różnych metali należy unikać albo odpowiednio zarządzać nimi, ponieważ połączenie wysokostopowego elementu z mniej szlachetnym metalem w wodzie morskiej może powodować szybką korozję tego drugiego.
Wenqiang dostarcza bezszwowych i spawanych rur, przewodów, kształtek oraz kołnierzy ze stali duplex 2205 i super duplex 2507/S32750 zgodnie ze standardami ASTM A312, A213, A269, A790 i A928, wraz z certyfikatami badań materiałowych EN 10204 typu 3.1 lub 3.2. Wewnętrzne badania PMI, chemiczne i mechaniczne, próba ciśnieniowa oraz nieniszczące badania kontrolne potwierdzają, że każdy element spełnia wymagania dotyczące składu chemicznego i integralności w warunkach eksploatacji w wodzie morskiej.

Podsumowanie
Chłodzenie wodą morską niszczy materiały niedostatecznie dobrane. Ciepła, natleniona, biologicznie aktywna i szybko przepływająca woda morska powoduje korozję stali 316L, dlatego elektrownie przybrzeżne powinny dobierać materiały na podstawie wskaźnika PREN oraz odporności na korozję szczelinową, wybierając stal dwufazową 2205, stal nadmartenityczną 6Mo, stal nadwysokodwufazową 2507 lub tytan – w zależności od temperatury, prędkości przepływu i kosztów. Połączone z konstrukcją bez szczelin, kontrolowanym przepływem, chlorkowaniem oraz płukaniem układu w czasie postoju, odpowiednie wysokostopowe stopy zapewniają obwody chłodzenia odporności na chlorki, namnażanie się organizmów żywych oraz erozję przez cały okres eksploatacji wymagany przez te elektrownie.

Często zadawane pytania
Pytanie: Dlaczego stal 316L nie jest zalecana do chłodzenia wodą morską?
Odpowiedź: Ze względu na zawartość zaledwie ok. 2 % molibdenu i wskaźnik PREN wynoszący około 24 stal 316L ulega punktowej korozji w ciepłej wodzie morskiej i jest bardzo podatna na korozję szczelinową pod uszczelkami, połączeniami rurowymi oraz osadami biologicznymi. Niezawodna odporność na korozję szczelinową w wodzie morskiej wymaga zwykle wskaźnika PREN wynoszącego ok. 40 lub więcej.
Pytanie: Jaka prędkość przepływu jest bezpieczna dla rurociągów ze stali nierdzewnej w wodzie morskiej?
A: Istnieje okno: prędkość przepływu musi być wystarczająco wysoka, aby zapobiec osadzaniu się zanieczyszczeń i powstawaniu błony bakteryjnej, które powodują korozję pod osadami oraz mikrobiologiczną korozję, ale jednocześnie wystarczająco niska, aby uniknąć korozji erozyjno-korozji. Stopów o wysokiej zawartości stopowych, takich jak 6Mo i superduplex, wytrzymują prędkości przepływu rzędu kilku metrów na sekundę, jednak kluczowe jest zapewnienie gładkich przejść oraz kontrolowanej turbulencji w miejscach dopływu i zakrętów.

Zamów rurociągi z duplexem i superduplexem odpornym na wodę morską u Wenqiang: +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/