การระบายความร้อนด้วยน้ำทะเลในโรงไฟฟ้าชายฝั่ง: การเลือกวัสดุท่อสแตนเลส

สำหรับวงจรการระบายความร้อนด้วยน้ำทะเลในโรงไฟฟ้าชายฝั่ง ท่อสแตนเลสเกรด 316L แบบมาตรฐานมักไม่เพียงพอ เนื่องจากน้ำทะเลที่อุ่น มีคลอไรด์สูง และมีสิ่งมีชีวิตเกาะติด จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุโลหะผสมสูงกว่า เช่น ท่อสแตนเลสแบบดูเพล็กซ์เกรด 2205 ท่อสแตนเลสออสเทนิติกพิเศษเกรด 6Mo ท่อสแตนเลสแบบซูเปอร์ดูเพล็กซ์เกรด 2507 หรือท่อไทเทเนียม โดยการเลือกจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความเร็วของกระแสไหล และระบบการเติมคลอรีน ภัยคุกคามหลักได้แก่ การกัดกร่อนแบบจุดและแบบรอยต่อที่เกิดจากคลอไรด์ การกัดกร่อนที่มีจุลินทรีย์เข้าร่วมภายใต้คราบสิ่งมีชีวิต และการกัดกร่อนจากการกัดเซาะที่ความเร็วสูง ดังนั้นการเลือกวัสดุที่เหมาะสมจึงต้องพิจารณาสมดุลระหว่างความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรงเชิงกล และต้นทุน ให้สอดคล้องกับหน้าที่เฉพาะของท่อรับน้ำเข้า ท่อคอนเดนเซอร์ และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

ความท้าทายในการระบายความร้อนด้วยน้ำทะเล
โรงไฟฟ้าพลังความร้อนและโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ตั้งอยู่ตามชายฝั่งปล่อยความร้อนจำนวนมหาศาลลงสู่ทะเล โดยดึงน้ำทะเลปริมาณมากผ่านโครงสร้างรับน้ำ ตะแกรง ปั๊ม เครื่องควบแน่น และท่อปล่อยน้ำกลับ น้ำทะเลมีความกัดกร่อนรุนแรงพอๆ กับของเหลวอุตสาหกรรมทั่วไป มีคลอไรด์ประมาณ 19,000 ส่วนต่อล้านส่วน (ppm) มีออกซิเจนละลายเต็มที่ และมีสิ่งมีชีวิตทางทะเลอาศัยอยู่ ทั้งยังมักได้รับความร้อนเพิ่มขึ้นขณะไหลผ่านเครื่องควบแน่น อิทธิพลทั้งหมดนี้ล้วนทำลายสแตนเลสสตีลแบบทั่วไป
มีกลไกหลักสามประการที่มีบทบาทสำคัญ ประการแรก ไอออนคลอไรด์ทำลายฟิล์มป้องกันผิวโลหะจนเกิดการกัดกร่อนแบบจุด (pitting) และการกัดกร่อนในรอยแยก (crevice corrosion) ประการที่สอง สิ่งมีชีวิตทางทะเลเกาะติดผิวโลหะและสร้างไบโอฟิล์ม ซึ่งก่อให้เกิดบริเวณที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนไม่เท่ากันภายในรอยแยก และเร่งกระบวนการกัดกร่อนที่มีจุลินทรีย์เป็นตัวการ (MIC) ซึ่งอาจทำให้ท่อมีรูทะลุได้อย่างรวดเร็วภายใต้คราบสกปรก ประการที่สาม เนื่องจากระบบเหล่านี้ส่งผ่านน้ำด้วยความเร็วสูง ความเร็วสูงจึงทำลายฟิล์มป้องกันผิวและกัดเซาะผิวโลหะผ่านกระบวนการกัดกร่อนแบบการกัดเซาะร่วม (erosion-corrosion) ในขณะที่บริเวณที่น้ำนิ่งในช่วงที่ระบบหยุดเดินเครื่องจะเอื้อให้เกิดการสะสมของคราบสกปรกและกระบวนการ MIC ลุกลาม

เหตุใดเกรดสแตนเลส 316L จึงมักไม่เพียงพอ
316L ซึ่งมีโมลิบดีนัมประมาณร้อยละ 2 และค่า PREN ใกล้เคียงกับ 24 นั้นมีสมรรถนะยอดเยี่ยมในการใช้งานกับสารประกอบคลอไรด์หลายประเภท แต่ให้สมรรถนะเพียงพอในระดับต่ำเมื่อสัมผัสกับน้ำทะเลอุ่น ค่าอุณหภูมิวิกฤตที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบจุด (critical pitting temperature) ของวัสดุชนิดนี้ในสารละลายคลอไรด์ที่เลียนแบบน้ำทะเลมีค่าต่ำ ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเพียงเล็กน้อยก็จะเริ่มเกิดการกัดกร่อนแบบจุด และยิ่งมีแนวโน้มเสี่ยงต่อการกัดกร่อนแบบรอยแยก (crevice corrosion) อย่างมากภายใต้วัสดุปิดผนึก (gaskets) บริเวณรอยต่อระหว่างท่อกับแผ่นยึดท่อ (tube-to-tubesheet joints) และคราบสิ่งมีชีวิตสะสม (biofouling deposits) อีกด้วย สำหรับการใช้งานในน้ำทะเลที่ไหลเวียน 316L อาจคงทนได้ในสภาวะที่สะอาดและอุณหภูมิต่ำ อย่างไรก็ตาม การรวมกันของอุณหภูมิสูง ภาวะน้ำนิ่งขณะหยุดเดินเครื่อง และการสะสมของสิ่งสกปรกมักนำไปสู่ความล้มเหลวของวัสดุเป็นประจำ
บทเรียนที่ได้จากประสบการณ์การดำเนินงานตามชายฝั่งมาหลายทศวรรษคือ ควรระบุวัสดุสำหรับใช้งานกับน้ำทะเลโดยพิจารณาจากค่า PREN และความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนแบบรอยแยก แทนที่จะอาศัยประสบการณ์ทั่วไปจากการใช้งานกับสารประกอบคลอไรด์เท่านั้น ตัวชี้วัดที่เป็นประโยชน์คือ วัสดุที่สามารถต้านทานการกัดกร่อนแบบรอยแยกในน้ำทะเลได้อย่างเชื่อถือได้มักต้องมีค่า PREN ประมาณ 40 หรือสูงกว่านั้น ซึ่งสูงกว่าค่า PREN ของ 316L อย่างมีนัยสำคัญ

ตัวเลือกวัสดุผสมโลหะที่มีองค์ประกอบโลหะหนักสูงขึ้น
วัสดุหลายกลุ่มสามารถทนต่อสภาพน้ำทะเลได้ แต่ละชนิดมีจุดแข็งเฉพาะด้านอุณหภูมิ ความแข็งแรง และงบประมาณ Duplex 2205 ซึ่งมีโมลิบดีนัมประมาณร้อยละ 3 พร้อมไนโตรเจนและค่า PREN อยู่ที่ช่วง 30 ตอนปลาย มีความแข็งแรงสูงกว่าเกรดออสเทนิติกประมาณสองเท่า และทนต่อน้ำทะเลที่เย็นหรือผ่านการควบคุมคลอรีนได้ดี แม้จะอาจไม่เพียงพอสำหรับใช้งานในบริเวณรอยต่อที่ร้อนจัด Super austenitic เกรด 6Mo ซึ่งมีโมลิบดีนัมประมาณร้อยละ 6 และไนโตรเจนร้อยละ 0.2 ทำให้มีค่า PREN สูงกว่า 40 เป็นวัสดุที่พิสูจน์แล้วว่าเหมาะสมกับท่อส่งน้ำทะเลและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน Super duplex 2507 ซึ่งมีโมลิบดีนัมประมาณร้อยละ 4 มีค่า PREN สูงกว่า 40 และมีความแข็งแรงสูงมาก เหมาะสำหรับงานน้ำทะเลที่ต้องการสมรรถนะสูง เช่น ท่อแบบบางผนังและท่อแรงดันสูง ส่วนไทเทเนียมนั้นแทบไม่เกิดการกัดกร่อนแบบพิตติ้งจากคลอไรด์เลย และยังคงเป็นวัสดุที่นิยมใช้สำหรับท่อลูกสูบของคอนเดนเซอร์ แม้ข้อจำกัดหลักจะอยู่ที่ราคาสูง รวมทั้งความแข็งแรงและโมดูลัสของยืดหยุ่นที่ต่ำกว่า

ท่อคอนเดนเซอร์และความเร็วของการไหล
คอนเดนเซอร์คือหัวใจของวงจรการทำความเย็น และท่อผนังบางของมันคือส่วนที่ไวต่อการกัดกร่อนมากที่สุด ท่อไทเทเนียมและท่อสแตนเลสสตีลผสมสูงเคยถูกนำมาใช้แทนโลหะผสมทองแดงในสถานการณ์ที่มีปริมาณคลอไรด์และมลพิษสูง เนื่องจากวัสดุเหล่านี้สามารถทนต่อการเกิดสิ่งมีชีวิตเกาะติด (biofouling) การเติมคลอรีน และความเร็วของการไหลที่เกิดขึ้นภายในคอนเดนเซอร์ได้
ความเร็วของการไหลต้องอยู่ภายในช่วงที่กำหนด ถ้าต่ำเกินไป ตะกอน โคลน และไบโอฟิล์มจะตกตะกอน ทำให้เกิดการกัดกร่อนใต้ตะกอนและจากจุลินทรีย์ แต่ถ้าสูงเกินไป การกัดกร่อนจากการกัดเซาะจะทำลายฟิล์มป้องกันบริเวณข้อต่อโค้ง ทางเข้า และปลายท่อ โลหะผสมสแตนเลสชนิดมีธาตุผสมสูง เช่น 6Mo และซูเปอร์ดูเพล็กซ์ สามารถทนต่อความเร็วของการไหลได้สูงกว่าโลหะผสมทองแดง มักอยู่ที่หลายเมตรต่อวินาที อย่างไรก็ตาม ผู้ออกแบบยังคงหลีกเลี่ยงการเกิดการไหลแบบไม่สม่ำเสมออย่างรุนแรงบริเวณทางเข้า ใช้การเปลี่ยนผ่านอย่างราบรื่น และรักษาระดับความเร็วให้สูงกว่าค่าต่ำสุดที่จำเป็นเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการตกตะกอน การเติมคลอรีนแบบเป็นระยะหรือต่อเนื่องช่วยควบคุมการเกิดสิ่งมีชีวิตเกาะติด แต่โลหะผสมที่เลือกต้องสามารถต้านทานสภาวะคลอไรด์ที่มีฤทธิ์ออกซิไดซ์ซึ่งเกิดขึ้นตามมา ซึ่งอีกครั้งหนึ่งส่งผลให้ต้องเลือกใช้วัสดุที่มีค่า PREN สูง

การออกแบบและการปฏิบัติงาน
การเลือกวัสดุเป็นเพียงส่วนหนึ่งของความน่าเชื่อถือเท่านั้น ควรลดรอยแยกให้น้อยที่สุดด้วยการเชื่อมแบบเจาะทะลุทั้งชิ้น การใช้ซีลกันรั่วที่ติดตั้งแน่นสนิท และการต่อท่อเข้ากับแผ่นยึดท่อโดยการม้วนหรือเชื่อมอย่างเหมาะสม เพราะแม้โลหะผสมที่ดีที่สุดก็ยังมีขีดจำกัดอุณหภูมิสำหรับบริเวณรอยแยก ออกแบบระบบที่สามารถระบายน้ำและล้างด้วยน้ำจืดในช่วงหยุดให้บริการ เพื่อไม่ให้น้ำทะเลค้างอยู่และทำให้คลอไรด์เข้มข้นขึ้นจนกระตุ้นการกัดกร่อนจากจุลินทรีย์ (MIC) การป้องกันแบบคาโทดิกและการควบคุมการเติมคลอรีนอย่างเหมาะสมจะช่วยยืดอายุการใช้งาน ทั้งนี้ ต้องหลีกเลี่ยงหรือจัดการการเชื่อมต่อระหว่างโลหะต่างชนิดกันอย่างระมัดระวัง เพราะการจับคู่ชิ้นส่วนโลหะผสมสูงกับโลหะที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าในน้ำทะเลอาจทำให้โลหะที่มีศักย์ต่ำถูกกัดกร่อนอย่างรวดเร็ว
เวิ่นเฉียงจัดจำหน่ายท่อและท่อแบบไม่มีรอยต่อและแบบเชื่อม รวมทั้งข้อต่อและแปลน ที่ผลิตจากสเตนเลสสตีลแบบดูเพล็กซ์เกรด 2205 และซูเปอร์ดูเพล็กซ์เกรด 2507/S32750 ตามมาตรฐาน ASTM A312, A213, A269, A790 และ A928 พร้อมใบรับรองการทดสอบวัสดุตามมาตรฐาน EN 10204 แบบ 3.1 หรือ 3.2 ภายในโรงงานมีการตรวจสอบองค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติเชิงกลด้วยเทคนิค PMI การทดสอบแรงดันน้ำ และการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) เพื่อยืนยันว่าแต่ละรายการสอดคล้องกับองค์ประกอบทางเคมีและความสมบูรณ์ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานในน้ำทะเล

บทสรุป
การระบายความร้อนด้วยน้ำทะเลส่งผลร้ายต่อวัสดุที่มีคุณสมบัติไม่เพียงพอ น้ำทะเลที่อุ่น มีออกซิเจนสูง มีกิจกรรมทางชีวภาพสูง และไหลเร็ว จะทำลายเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316L อย่างรุนแรง ดังนั้นโรงไฟฟ้าชายฝั่งควรเลือกวัสดุโดยพิจารณาจากค่า PREN และความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรอยแยก โดยเลือกใช้เหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพล็กซ์เกรด 2205 เหล็กกล้าไร้สนิมแบบซูเปอร์ออสเทนิติกที่มีโมลิบดีนัม 6% เหล็กกล้าไร้สนิมแบบซูเปอร์ดูเพล็กซ์เกรด 2507 หรือไทเทเนียม ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความเร็วของน้ำ และต้นทุน การออกแบบที่ไม่มีรอยแยก การควบคุมอัตราการไหล การเติมคลอรีน และการล้างระบบระหว่างหยุดเดินเครื่อง จะช่วยให้วัสดุโลหะผสมสูงที่เลือกอย่างเหมาะสมสามารถทนต่อสารคลอไรด์ การเกิดสิ่งมีชีวิตเกาะติด (biofouling) และการกัดกร่อนแบบกัดเซาะได้อย่างมีประสิทธิภาพตลอดอายุการใช้งานที่ยาวนานตามที่โรงไฟฟ้าเหล่านี้ต้องการ

คำถามที่พบบ่อย
คำถาม: ทำไมจึงไม่แนะนำให้ใช้ 316L สำหรับระบบระบายความร้อนด้วยน้ำทะเล
คำตอบ: เนื่องจากมีโมลิบดีนัมเพียงประมาณ 2% และค่า PREN อยู่ที่ราว 24 ทำให้ 316L เกิดการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมในน้ำทะเลอุ่น และมีแนวโน้มสูงมากที่จะเกิดการกัดกร่อนแบบรอยแยกภายใต้ปะเก็น ข้อต่อท่อ และคราบสิ่งมีชีวิตเกาะติด ความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรอยแยกในน้ำทะเลอย่างเชื่อถือได้ มักต้องการค่า PREN ประมาณ 40 หรือสูงกว่านั้น
คำถาม: อัตราความเร็วของการไหลที่ปลอดภัยสำหรับท่อสแตนเลสที่ใช้กับน้ำทะเลคือเท่าใด
ก: มีช่วงความเร็วที่เหมาะสม: ความเร็วต้องสูงพอที่จะป้องกันการสะสมของคราบสิ่งสกปรกและไบโอฟิล์มซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดการกัดกร่อนใต้คราบสิ่งสกปรกและการกัดกร่อนจากจุลินทรีย์ แต่ก็ต้องต่ำพอที่จะหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนจากการกัดเซาะ วัสดุโลหะผสมสูง เช่น เกรด 6Mo และซูเปอร์ดูเพล็กซ์ สามารถทนต่อความเร็วได้หลายเมตรต่อวินาที อย่างไรก็ตาม การออกแบบจุดเปลี่ยนผ่านให้เรียบและควบคุมการไหลแบบไม่เป็นระเบียบ (turbulence) ที่ทางเข้าและบริเวณข้อโค้งนั้นสำคัญมาก

ระบุท่อชนิดดูเพล็กซ์และซูเปอร์ดูเพล็กซ์สำหรับใช้กับน้ำทะเลกับเวิ่นเชียง: +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/