U pročišćivačima za odsumporavanje dimnih plinova na 70 stupnjeva, kako koncentracija klorida iznad 20 000 ppm diktira minimalnu stijenku titanijske cijevi za sprječavanje rupa?

Elektrane-na ugljen i industrijski kotlovi opremljeni su pročišćivačima za odsumporavanje dimnih plinova (FGD) koji rade u nekim od najkorozivnijih uvjeta ekološke opreme. Tekućina za pranje je komplicirana mješavina kalcijevog sulfita/sulfata, letećeg pepela i otopljenih klorida koji se koncentriraju dok krug za pranje cirkulira. Titan Grade 2 je standardni materijal konstrukcije za cijevi grijača i raspršivače u FGD sustavima zbog svoje otpornosti na napade sulfita. Međutim, koncentracije klorida često su veće od 20 000 ppm (2%) u FGD pročišćivačima i mogu čak doseći 50 000-80 000 ppm u sustavima bez-tekućine-pražnjenja. Pri ovim koncentracijama klorida titan je osjetljiv na rupičastu i pukotinsku koroziju i jedina zaštita od perforacije kroz stijenku je sama stijenka cijevi, kako debljine tako i metalurške kvalitete. Ovaj članak predstavlja minimalnu debljinu stijenke titanijske cijevi potrebnu za sprječavanje perforacije rupica kao funkciju koncentracije klorida, temperature i pukotina u FGD pročišćivaču.

Pitting metala u FGD tekućini s visokim udjelom klorida
Rupičasta korozija titana pri visokom-Cl i niskom-pH FGD postavkama slijedi dobro-dokumentiran-obrazac širenja. Razbijanje pasivnog TiO 2 filma događa se na diskretnim mjestima gdje kloridni ioni zamjenjuju kisik u rešetki filma. Nakon što se jama pokrene, otopina kiselog klorida u jami (pH može pasti na 1-2) nastavlja aktivno otapanje, dok je okolna pasivna površina zaštićena. Jamica se hemisferalno širi, a vrijeme do perforacije približno je proporcionalno kvadratu debljine stijenke za određenu brzinu rasta jamice.

Kritična piting temperatura (CPT) titana stupnja 2 u otopinama klorida opada s povećanjem koncentracije klorida. Pri pH od 4 (tipično za FGD skrubere), 20 000 ppm Cl- daje CPT od oko 85 stupnjeva, iznad prosječne radne temperature skrubera od 70 stupnjeva i osigurava sigurnosnu marginu. Na 40.000 ppm Cl- CPT se smanjuje na 70 stupnjeva, tj. čistač radi točno na pragu. CPT pada na 55 stupnjeva pri 60 000 ppm Cl- i do aktivnog pitinga može doći pri normalnim radnim temperaturama. Brzine širenja jama rastu logaritamski s porastom koncentracije klorida: pri 20 000 ppm Cl- i 70 stupnjeva propagirajuća jama se produbljuje za 0,2-0,3 mm godišnje; pri 40 000 ppm Cl- stopa je 0,5-0,8 mm godišnje; pri 60 000 ppm Cl- zabilježene su stope od 1,0-1,5 mm godišnje.

Debljina stijenke: pristup prevenciji rupa
Minimalna debljina stjenke koja je potrebna za 5 godina radnog vijeka bez perforacije rupa FGD grijača za pročišćavanje i snopova cijevi ovisi o predviđenoj brzini širenja jama i statističkoj distribuciji početnih mjesta jama. Koristi se konzervativni model rasta jame (dubina jame=k*t^0,5 gdje je k funkcija koncentracije klorida) i pretpostavlja se da je životni vijek cijevi određen najdubljom jamom. Potrebna debljina stijenke izračunava se kao:

Konstanta širenja jama k pri 20 000 ppm Cl- je 0,28 mm/godina^0,5. Za 5 godina životnog vijeka, maksimalna dubina udubljenja=0.28 × √5=0.63 mm. Sigurnosna margina za cijev sa stijenkom od 1,2 mm je oko 0,6 mm, što je dovoljno za čiste cijevi bez već postojećih problema.

40,000 ppm Cl- k=0.48 mm/godina^0,5 Maksimalna dubina jame u 5 godina=0.48 * sqrt(5)=1.07 mm. 1.65mm zidna cijev daje marginu, 1,2 mm cijev bi se perforirala.

k=0.70 mm/godina 0,5 pri 60 000 ppm Cl-. Najveća dubina jame u 5 godina=0.7 × √5=1.57 mm. Cijev sa zidom od 2,0 mm potrebna je za pouzdan rad od 5 godina. 1.65 mm daje samo 3-4 godine.

Titanijske cijevi za matricu primjene FGD skrubera
Tip FGD sustava Tipična koncentracija klorida Preporučena klasa titana Minimalna debljina stjenke Očekivani vijek trajanja
Elektrana na ugljen, mokri vapnenac (regulirano odvodnjavanje)15,000-25,000 ppm Grade 2 1.2-1.5 mm 5-8 godina
Elektrana na ugljen, visoko kloridni ugljen 25,000-40,000 ppm Razred 2 ili Grade 7 1.65 mm 4-6 godina
FGD bez{0}}tekući-pražnjenja (zatvorena petlja) 40 000-60 000 ppm Razred 7 (Ti-0,15Pd) 2,0 mm 5-7 godina
Industrijski kotao FGD (varijabilni ugljen) 10,000-20,000 ppm Klasa 2 .8-.12 mm 8-10 godina
Otpad{0}}u-energiju FGD (visoki klorid iz otpada) 50 000-80 000 ppm Razred 12 ili Razred 7 2.5 mm 4-6 godina
Problemi s kvalitetom cijevi i pukotinama
-Postojeći pukotine u cijevi ne sprječavaju perforaciju rupice, čak i ako je debljina stijenke povećana. Kod FGD uređaja za čišćenje, pukotine su prisutne na valjanim spojevima cijevi-na-cijevne ploče, ispod brtvila i ispod naslaga gipsa ili letećeg pepela. Pukotinska korozija povećava stopu nastanka i širenja jama za faktor od 3-10. Zavareni spojevi cijevi-na cijevne ploče (bez pukotina) poželjniji su od valjanih ili prirubničkih spojeva pri bilo kojoj koncentraciji klorida iznad 20 000 ppm. Na površinama cijevi ne smije biti kamenca, umetnutih čestica željeza (od alata za oblikovanje) i površinskih ogrebotina dubljih od 10 posto debljine stijenke. Najbolju otpornost na rupičastu pojavu nude elektropolirani ili dekapirani završni slojevi.

Za FGD skrubere koji rade na 70 stupnjeva s koncentracijama klorida iznad 20 000 ppm, potrebna je minimalna debljina stijenke titanijske cijevi od 1,65 mm za stupanj 2 u umjereno koncentriranim sustavima (20 000-40 000 ppm), uz porast do 2,0 mm za sustave razreda 7 iznad 40 000 ppm. Inženjeri bi trebali specificirati dekapirane ili elektropolirane površine cijevi, zavarene, a ne valjane spojeve cijevi-i cijevne ploče i nadzirati koncentraciju klorida tjedno kako bi otkrili smetnje prije nego što dođe do rupičaste perforacije. Za razine klorida iznad 60 000 ppm, treba razmotriti druge materijale kao što su titan ili cirkonij stupnja 12.