فولاد ضد زنگ برای کارخانه های تصفیه آب: درجه مواد برای RO، نمک زدایی و فاضلاب

درجه مناسب فولاد ضد زنگ برای یک تصفیه خانه آب چیست؟

بهترین نمره واحد وجود ندارد. تصفیه خانه های آب متکی به پنج دستگاه هستند: 304L، 316L، 2205 duplex، super duplex 2507، و 6% ضد زنگ مولیبدن (254 نوع SMO). کم‌هزینه‌ترین درجه را انتخاب کنید که هنوز از آزمون کلرید برای آب خود عبور کرده است، سپس دما، مواد شیمیایی و کیفیت جوش را بررسی کنید.

ساترن واتر، با ارائه راهنمای موسسه نیکل در سال 2018، شش عامل تعیین کننده درجه را فهرست می کند:سطح کلرید، مواد شیمیایی تصفیه، pH، سرعت جریان، اکسیدان ها و سولفید هیدروژن. کلرید اول است زیرا عاملی است که اغلب انتخاب را محدود می کند. فولاد ضد زنگ در این گیاهان محبوب است زیرا نیازی به پوشش ندارد و طیف وسیعی از شیمی آب را تحمل می کند.

جدول 1 این را به نقطه شروع تبدیل می کند. آن را به عنوان یک صفحه اول، نه یک طراحی نهایی در نظر بگیرید.

جدول 1. درجه نقطه شروع بر اساس نوع آب و منطقه گیاه

منابع: دستورالعمل های مؤسسه نیکل که توسط Southern Water (پاول، 2018) و ASSDA ارائه شده است. مقاله IDA BAH03-102 (Byrne et al.); WaterWorld، "تناسب قطعات: انتخاب مواد برای گیاهان غشایی."

چرا سطح کلرید درجه فولاد ضد زنگ را تعیین می کند؟

کلرید نمکی است که به لایه محافظ نازک فولاد ضد زنگ حمله می کند. هرچه کلرید آب بیشتر باشد، فولاد به مولیبدن، نیتروژن و کروم بیشتری نیاز دارد تا در برابر خوردگی حفره ای و شکافی مقاومت کند.

فولاد ضد زنگ به دلیل وجود یک لایه اکسیدی نامرئی و غنی از کروم به نامفیلم منفعل. یون های کلرید می توانند این لایه را در نقاط ضعیف مانند جوش، خراش و شکاف های محکم بشکنند. سپس یک گودال یا شکاف کوچک ایجاد می شود و می تواند از طریق دیوار رشد کند. مولیبدن، نیتروژن و تنگستن شکستن فیلم را سخت‌تر می‌کنند.

مهندسان این مقاومت را با درجه بندی می کنندعدد معادل مقاومت حفره ای (PREN):

PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

PREN بالاتر به معنای مقاومت حفره ای بهتر است. به عنوان مثال، 316L حدود 17% کروم و 2% مولیبدن دارد که یک PREN نزدیک به 24 را نشان می دهد. جدول 2 محدودیت های کلریدی را نشان می دهد که دستورالعمل موسسه نیکل برای غوطه وری مداوم در حدود 20 درجه و pH خنثی تعیین می کند.

جدول 2. حدود کلرید و کلر برای غوطه وری مداوم (حدود 20 درجه، pH حدود 7)

منابع: ASSDA، "کلر و کلرید: عنصر مشابه، اثر بسیار متفاوت" (رهنمودهای موسسه نیکل). ارائه جنوب آب (2018)؛ Nickel Institute/INCO Publication No. 1262. نقاط قوت عملکرد حداقل ASTM A240 است.

سه محدودیت برای به خاطر سپردن

• گرما حد را کاهش می دهد.بالاتر از حدود 60 درجه، 304 و 316 در معرض خطر ترک خوردگی ناگهانی تنش کلریدی (ASSDA) هستند. در یک مجموعه داده آب خنک، 304 دمای حفره‌ای بحرانی حدود 40 درجه در ppm 300 کلرید و 316 حدود 70 درجه در 500 ppm داشت.
• مولیبدن ترک را درمان نمی کند.304 و 316 هیچ تفاوت واقعی در مقاومت ترک خوردگی در برابر خوردگی تنشی نشان نمی دهند. نمرات دوبلکس بهتر در برابر آن مقاومت می کنند.
• کلر کلرید نیست.سفید کننده بسیار سخت تر از نمک است (به بخش 8 مراجعه کنید).
• حد صادقانه PREN:PREN یک ابزار غربالگری است که از داده های شیمی آزمایشگاهی ساخته شده است. عیوب جوش، شکاف ها یا بیوفیلم ها را در نظر نمی گیرد. از آن برای فهرست کوتاه نمرات استفاده کنید، سپس با آزمایش ASTM G48 و تجربه میدانی تأیید کنید.

چگونه 304L، 316L، 2205، Super Duplex و 6Mo Stainless Steel مقایسه می شوند؟

هر پله بالا رفتن از نردبان، مولیبدن و نیتروژن اضافه می کند که PREN و هزینه را افزایش می دهد. گریدهای دوبلکس و سوپر دوبلکس نیز قدرت تسلیم 316 لیتری را تقریباً دو یا سه برابر می کنند.

جدول 3 پنج نمره را در کنار هم قرار می دهد. از آن استفاده کنید تا ببینید هر نمره در کجا قرار می گیرد و برای مقاومت اضافی چه می پردازید.

جدول 3. مقایسه نمرات فولاد ضد زنگ تصفیه آب

کدام گریدهای فولاد ضد زنگ برای RO و نمک زدایی آب دریا استفاده می شود؟

آب دریای طبیعی حدود 18000 تا 20000 ppm کلرید را حمل می کند و خطوط دفع آب نمک می توانند تا دو برابر این مقدار را ببینند. کواچ و ردموند (1993) آزمایش های طولانی مدت شکاف آب گرم دریا را با نتایج آزمایشگاهی مقایسه کردند. آنها دریافتند که فقط آلیاژهایی با دمای بحرانی شکاف 35 درجه یا بالاتر در آزمون ASTM G48 Method D در برابر خوردگی شکاف مقاومت می کنند. از این، مقاله IDA نتیجه می گیرد که خدمات آب دریا باید از سوپر دوبلکس با a استفاده کندPREN حداقل 40، یا درجه های فوق آستنیتی با aPREN حداقل 45.

تجربه میدانی از الگو پشتیبانی می کند. جدول 4 موارد مستند را نشان می دهد.

جدول 4. تجربه میدانی در تصفیه خانه های آب چه چیزی را نشان می دهد

منابع ذکر شده مقاله IDA توسط کارکنان یک تولید کننده سوپر دوبلکس (Weir Materials) نوشته شده است، بنابراین مطالعات موردی آن به نفع آن خانواده آلیاژی است. خرابی های 316L و 22% کروم دوبلکس با دستورالعمل های کلرید در جدول 2 مطابقت دارد.

سوپر دوبلکس یا فولاد ضد زنگ 6٪ مولیبدن: کدام یک برای لوله کشی RO بهتر است؟

هیچ کدام در هر مورد برنده نمی شوند. سوپر دوبلکس تقریباً دو برابر استحکام می‌دهد که به دیواره‌های نازک‌تر روی لوله‌های بزرگ‌تر و فشار بالاتر اجازه می‌دهد. گرید مولیبدن 6 درصد دارای PREN اسمی کمی بالاتر و سابقه طولانی در سرویس آب دریا است.

جدول 5 دو خانواده را با استفاده از داده های مقاله IDA مقایسه می کند.

جدول 5. 6% مو فوق آستنیتی (S31254) در مقابل فوق دوبلکس (Zeron 100، S32760)

منبع: مقاله IDA BAH03-102، جداول 1، 2، و آزمایش قرار گرفتن در معرض جوش آب دریا. تست جوش نیز شامل S32750 با همین نتیجه بود.

با بزرگتر شدن لوله، استحکام به کاهش وزن تبدیل می شود. جدول 6 اندازه لوله محاسبه شده تحت ASME B31.3 را برای 70 بار و 40 درجه نشان می دهد.

جدول 6. ضخامت دیوار مورد نیاز در 70 بار، 40 درجه (ASME B31.3)

منبع: کاغذ IDA BAH03-102، جدول 3، با پوند در هر فوت که توسط EETA به کیلوگرم بر متر تبدیل شده است. در 100 بار همان کاغذ صرفه جویی را نشان می دهد که از اندازه های کوچکتر شروع می شود (به عنوان مثال، NPS 4 حدود 7.7 کیلوگرم بر متر صرفه جویی می کند).

دو اخطار صادقانه

معیار PREN برای نمرات 6% Mo سختگیرانه تر است.این مقاله حداقل 45 PREN را برای درجه‌های فوق آستنیتی می‌خواهد، با این حال جدول خود 6% مو در 43 را فهرست می‌کند. گیاهان واقعی مانند خلیج تامپا هنوز از AL6XN در لغزش‌های RO استفاده می‌کنند. مقاله با این موضوع سازگار نیست، بنابراین معیار پروژه را با مهندس خوردگی خود تأیید کنید نه اینکه قبول یا شکست را فرض کنید.

پس انداز به اندازه بستگی دارد.لوله های کوچکتر اغلب در برنامه حداقل 10S برای هر دو درجه باقی می ماند، بنابراین استحکام باعث صرفه جویی در وزن نمی شود.

آیا 316 لیتر برای اسمز معکوس آب شور کافی است؟

فقط زمانی که کلرید کم باشد، تقریباً کمتر از 1000 ppm، دما در محیط باشد و شکاف ها کنترل شوند. برای کلرید بالاتر، از 2205 تا حدود 3600 ppm یا آلیاژ بالاتری فراتر از آن استفاده کنید.

آب شور یک چیز نیست. کلرید از چاهی به چاه دیگر بسیار متفاوت است، بنابراین آب واقعی را آزمایش کنید. مورد هالیوود، فلوریدا در جدول 4 خطر را نشان می دهد. شهر 316L را انتخاب کرد زیرا این گزینه رایج برای سیستم های RO در فلوریدا بود. پس از نصب، خط 316L خوردگی خارجی را نشان داد و کلریدها برای بخش RO بسیار زیاد بود. با نگاهی به گذشته، مقاله می گوید که یک سوپر دوبلکس مانند Zeron 100، 2205 یا 2507 از بسیاری از مشکلات جلوگیری می کرد.

همچنین به یاد داشته باشید که مقاله خوردگی خارجی از خاک و محیط باکتریایی را توصیف می کند، نه تنها آب داخل. داخل و خارج لوله مدفون یا مرطوب را بررسی کنید.

چه گریدهای فولادی ضد زنگ در تصفیه خانه های فاضلاب استفاده می شود؟

بر اساس گزارش Water & Wastes Digest، از اواخر دهه 1960، بیش از 1600 تأسیسات تصفیه از فولاد ضد زنگ برای هوادهی، گاز هاضم و لوله کشی لجن استفاده کرده اند. ساترن واتر گزارش می دهد که سولفید هیدروژن مرطوب به خودی خود معمولاً کمترین تأثیر را روی فولاد ضد زنگ دارد. مشکل زمانی شروع می شود که با کلریدها، گرما یا اسید سولفور در یک سیستم بسته ترکیب شود.

جدول 7. نمرات معمولی بر اساس منطقه کارخانه فاضلاب

منابع: پاول، "رهنمودها و کاربرد فولادهای زنگ نزن در محیط های تصفیه آب و فاضلاب"، موسسه آب جنوبی / نیکل (2018)؛ Water & Wastes Digest، "بازنگری در انتخاب فولاد ضد زنگ در محیط های تصفیه آب و فاضلاب: قسمت 3."

را"L"در 304L و 316L به معنی کربن کم است. کربن کم خطر حساسیت ناحیه جوش را کاهش می دهد، که باعث می شود گریدهای L به انتخاب استاندارد برای لوله کشی کارخانه جوش داده شوند.

چگونه کلر، کلرید آهن، سولفید هیدروژن و باکتری ها انتخاب مواد را تغییر می دهند؟

آنها می توانند سطح کلرید "ایمن" را ناامن کنند. قبل از اینکه گرید را فقط بر اساس کلرید وارد کنید، اکسیدان ها و زیست شناسی را بررسی کنید.

کلر (سفید کننده).دستورالعمل موسسه نیکل حدود 2 پی پی ام کلر آزاد پیوسته را برای 304 و حدود 5 پی پی ام را برای 316 اجازه می دهد. برای بالاترین دوز برنامه ریزی کنید، نه متوسط.

دوز آهن و نمک مانند کلرید آهن.در مرحله دوز، کلرید و اسیدیته را اضافه می کند، بنابراین غلظت محلی و نه تنها آب فله را بررسی کنید.

سولفید هیدروژن.در بسیاری از موارد برای فولاد ضد زنگ بی ضرر است، اما در ترکیب با کلرید، گرما یا اسید، 2205 یا 904 لیتر (آب جنوب) را می طلبد.

باکتری هاتحقیقات روی بیوداژسترها نشان می‌دهد که بیوفیلم‌ها مناطق محروم از اکسیژن را روی سطح فولاد ایجاد می‌کنند و باکتری‌های کاهنده سولفات به 304 جوش و صفحه‌نمایش حمله کرده‌اند. قبل از انتخاب درجه، آب واقعی را آزمایش کنید (کلیتون، دانشگاه استونی بروک).

آیا ساخت به اندازه انتخاب درجه اهمیت دارد؟

بله. جوش‌های ضعیف، رنگ حرارتی باقی‌مانده، شکاف‌ها و واشر اشتباه اغلب بیشتر از خود درجه، عمر مفید را تعیین می‌کنند.

یک ارائه صنعت آب از بخش AWWA کالیفرنیا-نوادا، بر اساس کار بنیاد تحقیقات آب، "بازیگران بد" در شکست های میدانی را فهرست می کند. آنها هستندجوش های مشکل ساز، غیرفعال سازی نامناسب، خراشیدگی و آلودگی سطحی.عمل خوب شامل جوش های با نفوذ کامل، گاز پشتیبان خنثی و حذف مقیاس حرارتی رنگ است.

برای لوله کشی فوق دوبلکس و 6% مو

• رویه ها و جوشکاران را واجد شرایط کنیدبه بخش IX ASME، و یک تست خوردگی روش A ASTM G48، تست ضربه Charpy و بررسی ریزساختار را اضافه کنید. ASTM A923 فازهای بین فلزی مضر را تشخیص می دهد اما به خودی خود مناسب بودن برای سرویس را ثابت نمی کند.
• حرارت ورودی جوش را در محدوده نگه دارید.اگر جوش برای مدت طولانی خیلی داغ باشد، هر دو خانواده می توانند فاز سیگما شکننده را تشکیل دهند. در آزمایش‌های مقاله IDA، تأثیر روی خوردگی آب دریا در ورودی‌های گرمای عملی معمولی کم بود. این نتیجه‌گیری از تولیدکننده می‌آید و بر یک مدل تکیه می‌کند، بنابراین محدودیت‌های گرمای ورودی تامین‌کننده را دنبال کنید.
• جوش ترشی را در صورت امکان انجام دهید.برای Zeron 100، ترشی اسید دمای حفره های جوش را تا حدود 17 درجه در آزمایش تولید کننده افزایش داد.
• واشرها را با دقت انتخاب کنید.واشرهای الاستومری (نئوپرن، فلوئوروالاستومر، بوتیل، نیتریل) مناسب آب دریا هستند. PTFE و واشرهای پر شده از گرافیت باعث ایجاد خوردگی در شکاف می شوند. برای واشرهای مارپیچی، سیم پیچ های 316 لیتری یا آلیاژی 400 خورده می شوند. سیم پیچ های تیتانیوم، 6% مو، آلیاژ 625 یا C276 با فلنج های فوق دوبلکس سازگار هستند.

اختلاط فلزات: سازگاری گالوانیکی

اگر هر کدام به تنهایی در برابر خوردگی شکاف مقاومت کنند، دو فلز می توانند به طور ایمن در آب دریا به هم متصل شوند. جدول 8 گروه بندی آب دریا مورد استفاده در مقاله IDA را نشان می دهد.

جدول 8. گروه بندی آلیاژ برای آب دریا در دمای محیط

منبع: کاغذ IDA BAH03-102، جدول 7. هنگامی که یک آلیاژ نجیب با آلیاژ رده پایین تر تماس می گیرد، فلز نجیب کمتر می تواند خورده شود.

نکته خرید:منبع مواد خام (صفحه، میله، لوله) از یک زنجیره تامین ثابت و تایید شده. مقاله IDA هشدار می دهد که تفاوت های پردازش، از جمله ترشی ضعیف، باعث خوردگی شکاف حتی در آلیاژهایی شده است که اعتقاد بر این است که مصون هستند.

چگونه خریداران باید فولاد ضد زنگ را برای تصفیه آب مشخص و تأیید کنند؟

استاندارد محصول و شماره UNS را نام ببرید، نیاز به گواهی تست آسیاب و شناسایی مثبت مواد داشته باشید، و تست های خوردگی و ریزساختار را برای دوبلکس و فوق دوبلکس اضافه کنید.

• استاندارد محصول و UNS.هر دو را صدا بزنید، برای مثال ASTM A312 / S31603 برای لوله 316L، یا ASTM A790 / S32750 برای لوله فوق دوبلکس.
• گواهینامه هابه گزارش‌های تست آسیاب 10204 3.1 و شناسایی مواد مثبت (PMI) در رسید نیاز دارید.
• آزمون های پذیرش دوبلکسدر صورت نیاز ASTM A923 (فازهای بین فلزی) و روش A ASTM G48 (حفره زدن) را به اضافه تست ضربه Charpy مشخص کنید.
• پرداخت سطح.نیاز به ترشی و غیرفعال کردن پس از ساخت (ASTM A380 و A967).
• کد طراحیطراحی لوله کشی به ASME B31.3 با استفاده از تنش مجاز صحیح برای درجه دقیق UNS. مقاله IDA در مورد استفاده از تنش‌های 6% مو یا تنش‌های کد کشتی برای لوله‌های فوق دوبلکس هشدار می‌دهد.
• تماس با آب آشامیدنیدر جایی که فولاد با آب محصول قابل شرب برخورد می کند، NSF/ANSI 61 یا تاییدیه های محلی را تایید کنید.

جدول 9. استانداردهای رایج محصول

سوالات متداول

Q: آیا می توانم از فولاد ضد زنگ 304L در تصفیه خانه آب استفاده کنم؟

A: بله، زمانی که آب کلرید کمی دارد. دستورالعمل موسسه نیکل، همانطور که توسط ASSDA و Southern Water منتشر شده است، از 304 لیتر برای غوطه وری مداوم در حدود 200 ppm کلرید یا کمتر، در دمای اتاق و pH خنثی پشتیبانی می کند. بالاتر از آن سطح، یا با دوز کلر، به 316 لیتر یا بالاتر بروید.

Q: حداقل PREN برای فولاد ضد زنگ در آب دریا چقدر است؟

A: یک مقاله تولید کننده پر استناد (IDA BAH03-102) PREN حداقل 40 را برای گریدهای فوق دوبلکس و حداقل 45 را برای گریدهای فوق آستنیتی توصیه می کند، اگر قرار است از خوردگی شکافی در آب طبیعی جلوگیری شود. این را به عنوان راهنمای طراحی محافظه کارانه در نظر بگیرید و آن را با مهندس خوردگی پروژه خود تأیید کنید.

Q: آیا 316L برای لوله کشی اسمز معکوس آب دریا مناسب است؟

A: نه، نه برای لوله کشی آب دریا با فشار بالا. آب دریا تقریباً 18000 تا 20000 ppm کلرید دارد که بسیار بالاتر از دستورالعمل حدود 1000 ppm برای 316 لیتر است. قرقره های آب دریا 316 لیتری مستند در امارات و عربستان سعودی دچار حفره در جوش و خوردگی شکاف در سطوح فلنج شدند و با سوپر دوبلکس جایگزین شدند.

Q: آیا 2205 دوبلکس برای نمک زدایی کافی است؟

A: 2205 برای سطوح کلرید تا حدود 3600 ppm مناسب است، مانند آب شور با کلرید بالاتر. این انتخاب معمولی برای خطوط تغذیه آب دریا با فشار بالا نیست. دو کارخانه فیلیپینی که از کروم دوبلکس 22 درصد برای لوله‌کشی تغذیه آب دریا استفاده می‌کردند، حفره‌هایی در محل جوش و لوله داشتند و با سوپر دوبلکس مجهز شدند.

Q: آیا یک کارخانه RO همه جا به فولاد ضد زنگ نیاز دارد؟

A: خیر. در کارخانه خلیج تامپا، خطوط ورودی آب دریای خام 48 اینچی و خطوط کنسانتره 54 اینچی HDPE بودند، در حالی که لوله‌های تغذیه فشار بالا، پمپ‌ها و اسکیدها از ضد زنگ فوق‌العاده دوبلکس و 6 درصد مولیبدن استفاده می‌کردند. در جایی که فشار و کلرید نیاز دارد از ضد زنگ استفاده کنید.

Q: چرا کارخانه های فاضلاب از گریدهای "L" 304L و 316L استفاده می کنند؟

A: "L" به معنای کربن کم است. کربن کم خطر حساسیت ناحیه جوش را کاهش می دهد، که می تواند مقاومت در برابر خوردگی را در کنار جوش ها تضعیف کند. جوش در لوله کشی هوادهی، لجن و گاز رایج است، بنابراین گریدهای L انتخاب استاندارد هستند.

Q: تفاوت بین کلر و کلرید برای فولاد ضد زنگ چیست؟

A: کلرید نمک موجود در آب طبیعی است و 304 لیتر چند صد پی پی ام از آن را تحمل می کند. کلر سفید کننده است و دستورالعمل موسسه نیکل تنها حدود 2 پی پی ام را برای 304 و حدود 5 پی پی ام را برای 316 در معرض قرار گرفتن مداوم در دمای اتاق و PH خنثی اجازه می دهد. کلر به مراتب سخت تر است.