Turbīnu kondensatoru dzesēšana piekrastes spēkstacijā bieži ietver sekundāro attīrīta jūras ūdens cilpu, lai novērstu bioloģisko piesārņojumu un koroziju. Siltummaiņiem šajās cilpās ir jāapstrādā mēreni silts jūras ūdens zem spiediena, un dupleksais nerūsējošais tērauds ir kļuvis par optimālu, rentablu materiālu, kas pārspēj 316 l un konkurē ar titānu.Dupleksa nerūsējošā tērauda siltummaiņa jūras ūdens dzesēšanalietojumi ir kļuvuši par standarta risinājumu piekrastes elektroenerģijas ražošanā, līdzsvarojot izturību pret koroziju, mehānisko izturību un ekonomisko vērtību.
Siltummaiņu loma jūras ūdens dzesēšanas cilpās
Tipiskā piekrastes spēkstacijā neapstrādātu jūras ūdeni tieši vai netieši izmanto, lai atdzesētu tvaika turbīnas kondensatoru. Tieša jūras ūdens dzesēšana ir efektīva, taču tā rada bioloģiskas piesārņošanas (mīdijas, gliemenes, aļģes) un korozijas risku. Tā vietā daudzi augi izmanto sekundāro cilpu: apstrādāts vai hlorēts jūras ūdens cirkulē caur siltummaini, atdzesējot saldūdens cilpu vai citu šķidrumu, kas pēc tam nonāk kondensatorā. Siltummainim šajā sekundārajā kontūrā ir jāiztur mēreni silts (parasti 30–45 grādi), apstrādāts jūras ūdens zem spiediena.
Visizplatītākā konfigurācija ir apvalka un cauruļu siltummainis, kurā jūras ūdens plūst cauri caurulēm un turbīnas kondensatora dzesēšanas ūdens korpusa pusē vai otrādi. Caurules materiālam ir jābūt izturīgam pret hlorīda rašanos, plaisu koroziju un eroziju no liela ūdens ātruma (2–3 m/s), kas nepieciešami, lai caurules būtu tīras.
Kāpēc priekšroka tiek dota dupleksajam nerūsējošajam tēraudam
Jūras ūdens siltummaiņiem ir izmantoti vairāki materiāli:
Vara-niķeļa sakausējumi (90/10 vai 70/30)– Laba izturība pret koroziju, bet jutīga pret eroziju un amonjaka iedarbību; arī dārgi un smagi.
316L nerūsējošais tērauds– Atbilstoši tīrā, ar skābekli bagātinātā jūras ūdenī, bet ļoti pakļauti hlorīda stresa korozijas plaisāšanai (SCC) un punktveida plaisāšanai temperatūrā virs 40 grādiem. Daudzas rūpnīcas ir piedzīvojušas priekšlaicīgu 316 l cauruļu bojājumu.
Titāns (2. klase)– Lieliska izturība pret koroziju jūras ūdenī, ļoti zems bedru vai SCC risks. Tomēr titāns ir dārgs, tam ir nepieciešama specializēta ražošana, un tam ir zema siltumvadītspēja.
Duplex 2205 (UNS S32205)– Piedāvā augstas stiprības, izcilas izturības pret hlorīda punktveida un plaisu koroziju kombināciju, kā arī izmaksu līmeni, kas ir ievērojami zemāks nekā titānam. Tā ir kļuvusi par iecienītāko vietu daudzām jūras ūdens piedevām, kur titānam ir pārlieku izstrādāts un 316 l nedarbojas.
Dupleksa 2205 augstais hroma (22%), molibdēna (3%) un slāpekļa (0,15%) saturs nodrošina pretestības pret ievainojumiem ekvivalentu skaitu (PREN) ar lielāku vai vienādu ar 35, padarot to izturīgu pret dubļu veidošanos pat siltā, hlorīdu bagātā jūras ūdenī. Divfāzu mikrostruktūra (austenīts un ferīts) nodrošina arī tecēšanas robežu, kas aptuveni divas reizes pārsniedz 316 l (450 MPa pret . 170 MPa). Tas ļauj cauruļu sienām būt ievērojami plānākām ar tādu pašu spiedienu, samazinot materiāla patēriņu, svaru un izmaksas.
Galvenās priekšrocības virs 316 l un titāna
Salīdzinot ar 316L
Hlorīda SCC izturība– Duplex 2205 ir praktiski imūna pret hlorīda sprieguma korozijas plaisāšanu tipiskā jūras ūdens darba temperatūrā (līdz 60–80 grādiem), savukārt 316L neizdodas virs ~50 grādiem.
Augstāks pieļaujamais stress– Var izmantot plānākas cauruļu sienas, samazinot siltummaiņa svaru un palielinot siltuma efektivitāti (mazāka metāla pretestība).
Labāka izturība pret eroziju– Dupleksa augstākā cietība un izturība ir izturīga pret smilšu vai suspendētu cietvielu triecienu.
Ilgāks kalpošanas laiks– Daudzi 316L jūras ūdens apmainītāji ir jānomaina pēc 5–10 gadiem; dupleksās ierīces ir sasniegušas 20+ gadus ar pareizu darbību.
Salīdzinot ar titānu
Zemākas materiālu izmaksas– Duplex 2205 maksā aptuveni no vienas trešdaļas līdz pusei no 2. klases titāna cenas par kilogramu.
Vieglāka izgatavošana– Titānam ir nepieciešama stingra atmosfēras aizsardzība metināšanas laikā (augstas tīrības pakāpes argona pretattīrīšana), un tas ir pakļauts ūdeņraža trauslumam. Dupleksu var metināt ar standarta inertās gāzes ekranējumu, lai gan ar rūpīgu siltuma padeves kontroli.
Augstāka siltumvadītspēja– Duplekss (≈15 W/m·K) vada siltumu labāk nekā titāns (≈7 W/m·K), nodrošinot mazākus siltummaiņa virsmas laukumus.
Joprojām ļoti augsta izturība pret koroziju– Pareizi apstrādātam, plūstošam jūras ūdenim duplekss nodrošina vairāk nekā pietiekamu aizsardzību. Titāns ir paredzēts visagresīvākajiem apstākļiem (piemēram, stāvošs jūras ūdens, ļoti augsta temperatūra vai lietojumi, kuros nav pieļaujams jebkāds atteices risks).
Dizaina un ekspluatācijas apsvērumi
Caurules sienas biezums un ātrums
Dupleksa augstās izturības dēļ jūras ūdens siltummaiņu tipiskais cauruļu sieniņu biezums ir 0,7–1,0 mm, ja caurules diametrs ir 19–25 mm, salīdzinot ar 1,2–1,6 mm 316 l. Plānāka siena samazina termisko pretestību un veicina augstāku kopējo siltuma pārneses koeficientu.
Jūras ūdens ātrumam caur dupleksajām caurulēm jābūt virs 1,5 m/s, lai novērstu nogulsnēšanos un bioloģisko piesārņojumu, un mazākam par aptuveni 3,5 m/s, lai ierobežotu eroziju-koroziju. Kritiskais ātrums dupleksam tīrā jūras ūdenī ir lielāks nekā 316L, piedāvājot plašāku drošu darbības logu.
Biopiesārņojuma kontrole
Pat ar dupleksajām caurulēm var rasties biopiesārņojums (jūras organismu pieķeršanās). Bioplēve vai sārņu garoza zem atradnes rada lokālas stagnējošas zonas, kas var izraisīt zemu nogulumu koroziju un bedrīšu veidošanos. Lai to novērstu, jūras ūdeni parasti hlorē (nepārtraukti vai periodiski) līdz hlora atlikuma līmenim 0,1–0,5 ppm. Duplekss labi iztur hlora paātrinātu koroziju, ja koncentrācija tiek uzturēta robežās. Dažās rūpnīcās tiek izmantotas arī sūkļa bumbas tīrīšanas sistēmas vai periodiska atpakaļmazgāšana.
Izgatavošanas piezīme: Metināšanas siltuma ievades kontrole
Dupleksajam nerūsējošajam tēraudam nepieciešama rūpīga metināšana, lai saglabātu līdzsvarotu austenīta-ferīta mikrostruktūru. Pārmērīga siltuma padeve (pārāk liels strāvas stiprums ampēros vai lēns kustības ātrums) var izraisīt kaitīgu starpmetālu fāžu veidošanos, piemēram, sigmas fāzi, kas ievērojami samazina izturību pret koroziju un stingrību. Metināšana jāveic ar siltuma padevi 0,5–1,5 kJ/mm, izmantojot atbilstošu pildmetālu (piem., 2209). Kodināšana pēc metināšanas vai elektropulēšana ir būtiska, lai noņemtu karstuma nokrāsu (oksīda krāsas maiņu) un atjaunotu pasīvo hroma oksīda slāni. Nepiesātinātās metināšanas zonas ir neaizsargātas pret prioritāru koroziju jūras ūdenī, un no tām ir jāizvairās.
Izgatavošana un kvalitātes nodrošināšana
Papildus metināšanas kontrolei duplekso jūras ūdens siltummaiņu standarts ir šāds:
Hidrostatiskā pārbaude– izmantojot svaigu ūdeni ar kontrolētu hlorīda saturu (<50 ppm) to avoid pitting during the test.
Ferīta mērīšana– Metinātajā metālā un karstuma ietekmētajā zonā jābūt 30–60% ferīta, mērot ar feritoskopu, lai nodrošinātu pareizu izturību pret koroziju.
Pasivēšana– Pēc izgatavošanas siltummainis tiek ķīmiski pasivēts (piemēram, ar citronskābi vai slāpekļskābi), lai maksimāli palielinātu pasīvo plēvi.
Caurules-caurules loksnes metināšana– Priekšroka tiek dota pilnas caurlaidības metināšanai, un caurules loksne ir izgatavota arī no dupleksa (vai dupleksa metinājuma pārklājums uz oglekļa tērauda, lai samazinātu izmaksas).
Darbības pieredze piekrastes elektrostacijās
Daudzās piekrastes spēkstacijās Eiropā, Ziemeļamerikā un Āzijā jūras ūdens dzesēšanas ķēdēs ir veiksmīgi izvietoti dupleksie nerūsējošā tērauda siltummaiņi. Piemēram, Apvienotajā Karalistē vairākas ar gāzi darbināmas elektrostacijas savās dzesēšanas ūdens palīgsistēmās izmanto 2205 cauruļu komplektus. Singapūrā koģenerācijas stacija nomainīja bojātos 316 l dzesētājus ar dupleksajiem blokiem, nodrošinot 15 gadu bezproblēmu darbību ar ikgadējām pārbaudēm, kurās netika konstatētas bedrītes vai plaisas.
Vienīgās kļūdas, par kurām ziņots:
Slikta metināšanas prakse (pārmērīgas starpmetālu fāzes lielas siltuma padeves dēļ).
Nepietiekama kodināšana (atstājot karstuma nokrāsu, kas pēc tam galvenokārt sarūsēja).
Ilgstoša stāvoša, nehlorēta jūras ūdens iedarbība (piemēram, ilgstošas darbības pārtraukumu laikā), kas izraisa bioloģisku piesārņojumu un nepietiekamas nogulsnes.
Pareizi izgatavoti un ekspluatēti dupleksie siltummaiņi ir pierādījuši sevi kā uzticamu, ilgmūžīgu sastāvdaļu.
Izmaksu un ieguvumu analīze
Tipiskam lielam apvalka un cauruļu siltummainim ar 500 m² virsmas laukumu:
316L variants– Zemākās sākotnējās kapitāla izmaksas, taču nepieciešama nomaiņa ik pēc 5–10 gadiem. Dīkstāves izmaksas un neplānotas atteices risks ir augsts.
Titāna opcija– Augstākās sākotnējās izmaksas (2–3 reizes salīdzinājumā ar duplekso), taču ļoti ilgs kalpošanas laiks (30+ gadi). Var būt pamatoti, ja siltummainis atrodas kritiskā, grūti nomaināmā vietā.
Dupleksa opcija– Sākotnējās izmaksas ir aptuveni 1,3–1,5 reizes nekā 316 l, bet 0,5 reizes salīdzinājumā ar titānu. Tā projektētais kalpošanas laiks ir 20–25 gadi, un tas piedāvā vislabāko dzīves cikla vērtību lielākajai daļai jūras ūdens dzesēšanas funkciju.
Enerģijas ražošanā vissvarīgākais ir uzticamība. Iespēja darbināt duplekso siltummaini divas desmitgades bez cauruļu atteicēm vai sienu retināšanas ir padarījusi to par vēlamo izvēli jaunām iekārtām un modernizācijai.
Secinājums
Duplex nerūsējošā tērauda siltummaiņi ir kļuvuši par vēlamo risinājumu piekrastes elektroenerģijas ražošanā, nodrošinot līdzsvaru starp aizsardzību pret koroziju, mehānisko izturību un ekonomisko vērtību. Pardupleksa nerūsējošā tērauda siltummaiņa jūras ūdens dzesēšanalietojumprogrammās, 2205. klase nodrošina izcilu izturību pret hlorīda punktveida koroziju un plaisu koroziju, apvienojumā ar augstu tecēšanas robežu, kas pieļauj plānākas cauruļu sienas, samazinātu svaru un uzlabotu siltuma veiktspēju. Lai gan 316L cieš no sprieguma korozijas plaisāšanas siltā jūras ūdenī, un titāna izmaksas joprojām ir ierobežotas daudzos projektos, duplekss ieņem optimālu vidusceļu. Ar rūpīgu metināšanu, kodināšanu pēc metināšanas un pareizu biopiesārņojuma kontroli šie siltummaiņi nodrošina 20+ gadu uzticamu kalpošanu. Pareiza sakausējuma izvēle var vienlaikus samazināt materiālu patēriņu un pagarināt iekārtas kalpošanas laiku-. Princips, ko dupleksais nerūsējošais tērauds pierāda katrā piekrastes spēkstacijā, kur tas ir norādīts.
