Làm mát bằng nước biển trong các nhà máy điện ven biển: Lựa chọn vật liệu ống thép không gỉ

Đối với các mạch làm mát bằng nước biển trong các nhà máy điện ven biển, thép không gỉ tiêu chuẩn loại 316L thường không đủ; nước biển ấm, giàu ion clorua và có hiện tượng bám sinh vật đòi hỏi các vật liệu hợp kim cao hơn như thép duplex 2205, các loại thép austenit siêu bền chứa 6% molibden (6Mo), thép duplex siêu bền 2507 hoặc titan — việc lựa chọn dựa trên nhiệt độ, vận tốc dòng chảy và chế độ khử trùng bằng clo. Các mối đe dọa chính gồm ăn mòn điểm và ăn mòn khe do clorua gây ra, ăn mòn do vi sinh vật gây ra dưới lớp màng sinh học, cũng như ăn mòn kết hợp xói mòn ở vận tốc dòng chảy cao; do đó, lựa chọn phù hợp cần cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học và chi phí, tương ứng với từng ứng dụng cụ thể như đường ống dẫn nước vào, ống ngưng tụ và bộ trao đổi nhiệt.

Thách thức trong hệ thống làm mát bằng nước biển
Các nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện hạt nhân ven biển xả lượng nhiệt khổng lồ ra biển, hút một khối lượng lớn nước biển qua các cấu trúc lấy nước, lưới lọc, bơm, bộ ngưng tụ và đường ống xả. Nước biển có tính ăn mòn gần tương đương mức cao nhất của các chất lỏng công nghiệp. Nó chứa khoảng 19.000 ppm ion clorua, hòa tan đầy đủ oxy và có hoạt tính sinh học; ngoài ra, nó thường hấp thụ thêm nhiệt khi đi qua bộ ngưng tụ. Mỗi yếu tố nêu trên đều tấn công thép không gỉ thông thường.
Ba cơ chế chiếm ưu thế. Ion clorua phá vỡ lớp màng thụ động gây ăn mòn điểm (pitting) và, trong các khe hở, gây ăn mòn khe (crevice corrosion). Các sinh vật biển bám vào bề mặt và hình thành màng sinh học (biofilm), tạo ra các khe chênh lệch nồng độ oxy, thúc đẩy quá trình ăn mòn do vi sinh vật gây ra (MIC), có thể đâm thủng ống rất nhanh dưới lớp cặn. Hơn nữa, vì các hệ thống này vận chuyển nước với tốc độ cao, nên vận tốc lớn làm bong lớp màng bảo vệ và gây mài mòn kim loại trong hiện tượng ăn mòn do xói mòn (erosion-corrosion), trong khi các vùng nước đứng yên trong thời gian ngừng hoạt động lại tạo điều kiện cho cặn lắng và MIC phát triển.

Tại sao thép 316L thường không đáp ứng được yêu cầu
316L, với khoảng 2% molipden và chỉ số PREN gần 24, có hiệu suất xuất sắc trong nhiều ứng dụng chứa clorua nhưng chỉ ở mức giới hạn khi tiếp xúc với nước biển ấm. Nhiệt độ tới hạn gây ăn mòn điểm (pitting) của 316L trong môi trường clorua tương tự nước biển khá thấp; do đó, ở nhiệt độ cao hơn mức vừa phải, vật liệu này sẽ bị ăn mòn điểm, đồng thời đặc biệt dễ bị ăn mòn khe hở dưới các gioăng, các mối nối ống–tấm đỡ ống và các lớp cặn sinh học bám tụ.
Bài học rút ra từ hàng thập kỷ vận hành tại khu vực ven biển là cần quy định vật liệu dùng cho dịch vụ nước biển dựa trên chỉ số PREN và khả năng chống ăn mòn khe hở—chứ không dựa vào kinh nghiệm chung về khả năng chịu clorua. Một mốc tham chiếu hữu ích: để kháng lại ăn mòn khe hở trong nước biển một cách đáng tin cậy, thường cần chỉ số PREN khoảng 40 hoặc cao hơn—vượt xa khả năng mà 316L có thể đáp ứng.

Các lựa chọn hợp kim cao cấp hơn
Nhiều họ vật liệu đáp ứng được thách thức từ nước biển, mỗi loại chiếm một phân khúc riêng dựa trên nhiệt độ, độ bền và ngân sách. Thép không gỉ duplex 2205, chứa khoảng 3% molypden cùng nitơ và có chỉ số PREN ở mức giữa những năm 30, mang lại độ bền gấp khoảng hai lần so với các mác thép austenit và hoạt động tốt trong nước biển mát hoặc nước biển được kiểm soát hàm lượng clo; tuy nhiên, hiệu suất của nó có thể hạn chế trong điều kiện khe hở ở nhiệt độ cao. Các mác thép siêu-austenit 6Mo, chứa khoảng 6% molypden và 0,2% nitơ, đạt chỉ số PREN trên 40, đã được chứng minh là lựa chọn đáng tin cậy cho đường ống và bộ trao đổi nhiệt dùng trong nước biển. Thép duplex siêu bền 2507, chứa khoảng 4% molypden, có chỉ số PREN trên 40 và độ bền rất cao, phù hợp cho các ứng dụng nước biển đòi hỏi khắt khe, bao gồm cả đường ống mỏng thành và chịu áp lực cao. Titan về cơ bản miễn nhiễm với hiện tượng ăn mòn điểm và ăn mòn khe do ion clorua, vẫn là lựa chọn truyền thống cho ống ngưng tụ, chủ yếu bị giới hạn bởi chi phí cao cũng như độ bền và độ cứng thấp hơn.

Ống ngưng tụ và vận tốc dòng chảy
Bộ ngưng tụ là trái tim của mạch làm mát, và các ống thành mỏng của nó là những bộ phận dễ bị ăn mòn nhất. Ống titan và ống thép không gỉ hợp kim cao từ lâu đã thay thế hợp kim đồng ở những nơi có tải lượng clorua và ô nhiễm cao, bởi vì chúng chịu được sự bám bẩn sinh học, quá trình khử trùng bằng clo và vận tốc dòng chảy mà bộ ngưng tụ phải đối mặt.
Tốc độ dòng chảy phải nằm trong một khoảng nhất định. Nếu quá thấp, các chất lắng đọng, bùn và màng sinh học sẽ tích tụ, thúc đẩy ăn mòn dưới lớp lắng và ăn mòn do vi sinh vật; nếu quá cao, hiện tượng ăn mòn do xói mòn sẽ làm bong lớp màng bảo vệ tại các chỗ uốn cong, cửa vào và đầu ống. Các loại thép không gỉ hợp kim cao như 6Mo và siêu duplex chịu được tốc độ dòng chảy cao hơn so với hợp kim đồng, thường đạt vài mét mỗi giây; tuy nhiên, các kỹ sư thiết kế vẫn tránh gây nhiễu loạn quá mức tại cửa vào, sử dụng các chuyển tiếp mượt mà và duy trì tốc độ dòng chảy trên mức tối thiểu cần thiết để ngăn chặn hiện tượng lắng đọng. Việc khử trùng bằng clo theo chu kỳ hoặc liên tục giúp kiểm soát sự bám bẩn sinh học, nhưng loại hợp kim được chọn phải có khả năng chống chịu điều kiện clorua có tính oxy hóa phát sinh từ quá trình này — điều này một lần nữa khẳng định vai trò của các vật liệu có chỉ số PREN cao.

Thiết kế và quy trình vận hành
Việc lựa chọn vật liệu chỉ là một phần của độ tin cậy. Giảm thiểu khe hở bằng các mối hàn thấu hoàn toàn, gioăng được lắp đặt đúng vị trí và các mối nối ống–tấm đỡ được uốn hoặc hàn đúng cách, bởi vì ngay cả những hợp kim tốt nhất cũng có giới hạn nhiệt độ cho phép trong khe hở. Thiết kế hệ thống sao cho có khả năng xả và xả rửa bằng nước ngọt trong thời gian ngừng hoạt động để nước biển đọng lại không thể làm tăng nồng độ clorua và thúc đẩy ăn mòn do vi sinh vật (MIC). Bảo vệ catốt và chế độ khử trùng bằng clo hợp lý giúp kéo dài tuổi thọ; đồng thời cần tránh hoặc kiểm soát các cặp kim loại khác nhau, vì việc ghép một bộ phận làm từ hợp kim cao cấp với một kim loại kém quý hơn trong môi trường nước biển có thể khiến kim loại kém quý bị ăn mòn nhanh chóng.
Wenqiang cung cấp ống và ống dẫn không rỉ duplex 2205 và super duplex 2507/S32750 dạng liền khối và hàn, cùng các phụ kiện và mặt bích theo tiêu chuẩn ASTM A312, A213, A269, A790 và A928, kèm chứng chỉ kiểm tra vật liệu EN 10204 cấp 3.1 hoặc 3.2. Các thử nghiệm tại chỗ gồm kiểm tra thành phần nguyên tố (PMI), thử nghiệm hóa học và cơ học, thử nghiệm thủy tĩnh và kiểm tra không phá hủy (NDT) xác nhận từng sản phẩm đều đáp ứng đầy đủ yêu cầu về thành phần hóa học và độ bền đối với điều kiện vận hành trong nước biển.

Kết luận
Việc làm mát bằng nước biển gây tổn hại cho các vật liệu có đặc tính kỹ thuật không đủ. Nước biển ấm, giàu oxy, có hoạt tính sinh học cao và chuyển động nhanh làm quá tải thép không gỉ 316L; do đó, các nhà máy điện ven biển cần lựa chọn vật liệu dựa trên chỉ số PREN và khả năng chống ăn mòn khe hở, hướng tới các loại thép duplex 2205, thép austenitic siêu bền chứa 6% molypden, thép duplex siêu bền 2507 hoặc titan — tuỳ theo nhiệt độ, vận tốc dòng chảy và chi phí. Khi kết hợp với thiết kế không khe hở, kiểm soát dòng chảy, xử lý khử trùng bằng clo và xả rửa trong thời gian ngừng hoạt động, việc lựa chọn đúng loại thép có hàm lượng hợp kim cao sẽ mang lại các mạch làm mát có khả năng chịu đựng được ion clorua, bám bẩn sinh học và xói mòn trong suốt tuổi thọ vận hành dài hạn mà các nhà máy này yêu cầu.

Các câu hỏi thường gặp
Câu hỏi: Vì sao không khuyến nghị dùng 316L cho hệ thống làm mát bằng nước biển?
Trả lời: Với hàm lượng molypden chỉ khoảng 2% và chỉ số PREN gần 24, thép 316L dễ bị ăn mòn lỗ rỗ trong nước biển ấm và đặc biệt nhạy cảm với hiện tượng ăn mòn khe hở dưới các miếng đệm, mối nối ống và lớp bám bẩn sinh học. Để đạt khả năng chống ăn mòn khe hở đáng tin cậy trong môi trường nước biển, thông thường cần chỉ số PREN khoảng 40 trở lên.
Câu hỏi: Vận tốc dòng chảy nào là an toàn đối với đường ống thép không gỉ dùng cho nước biển?
A: Có một khoảng giới hạn về vận tốc: vận tốc phải đủ cao để ngăn ngừa sự lắng đọng và màng sinh học gây ra ăn mòn dưới lớp lắng đọng cũng như ăn mòn do vi sinh vật, nhưng đồng thời phải đủ thấp để tránh hiện tượng ăn mòn do xói mòn. Các mác thép hợp kim cao như 6Mo và duplex siêu bền có thể chịu được vận tốc vài mét mỗi giây; tuy nhiên, các đoạn chuyển tiếp trơn và dòng chảy rối được kiểm soát tại các cửa vào và chỗ uốn là điều thiết yếu.

Yêu cầu ống dẫn duplex và duplex siêu bền chuyên dụng cho nước biển từ Wenqiang: +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/