ท่อโลหะผสมชนิดใดทนต่ออุณหภูมิสูงในอุตสาหกรรมไฟฟ้า?

เหตุใดท่อโลหะผสมทนอุณหภูมิสูงจึงมีความสำคัญต่อการผลิตพลังงานยุคใหม่

ความท้าทายจากพารามิเตอร์ไอน้ำที่เพิ่มสูงขึ้นและการเสื่อมสภาพของวัสดุ

สิ่งอำนวยความสะดวกในการผลิตไฟฟ้าในปัจจุบันเพิ่มประสิทธิภาพโดยการเดินเครื่องหม้อต้มไอน้ำที่อุณหภูมิระหว่าง 600 ถึง 650 องศาเซลเซียส และความดันสูงกว่า 30 เมกะพาสคัล เงื่อนไขสุดขั้วเหล่านี้ส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อระบบท่อเหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไป เพราะวัสดุดังกล่าวจะเริ่มเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วทั้งจากผลของการเกิดออกซิเดชันและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายใน นี่จึงเป็นจุดที่โลหะผสมโครเมียม-โมลิบดีนัมเข้ามามีบทบาท วัสดุพิเศษเหล่านี้สามารถสร้างชั้นออกไซด์ป้องกันที่ประกอบด้วยโครเมียมไตรออกไซด์เป็นหลัก ซึ่งสามารถซ่อมแซมตนเองได้ตามกาลเวลา ตัวอย่างเช่น เหล็ก P91 ซึ่งมีโครเมียมประมาณ 8 ถึง 9.5 เปอร์เซ็นต์ และสามารถใช้งานต่อเนื่องที่อุณหภูมิ 600 องศาเซลเซียสได้อย่างมั่นคง ซึ่งเป็นสิ่งที่เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาทำไม่ได้โดยไม่เกิดการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วและสูญเสียคุณสมบัติด้านความแข็งแรง ข้อมูลอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่า เมื่อโรงงานไม่ใช้โลหะผสมพิเศษเหล่านี้ มักจะพบปัญหาบำรุงรักษาที่ไม่คาดคิดเพิ่มขึ้นประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ในกังหัน ซึ่งแน่นอนว่าส่งผลต่อต้นทุนการดำเนินงานและความล่าช้าจากการหยุดทำงานอย่างมีนัยสำคัญ

โหมดการล้มเหลวหลัก: การไหลซึม, การออกซิเดชัน และความล้าจากความร้อน

ท่อโลหะผสมที่ทนต่ออุณหภูมิสูงสามารถลดกลไกการเสียหายที่เกี่ยวข้องกันสามประการ ซึ่งเป็นภัยคุกคามต่อความพร้อมใช้งานและความปลอดภัยของโรงไฟฟ้า:

• การเปลี่ยนรูปแบบคลาน (Creep deformation) : ภายใต้แรงเครียดและอุณหภูมิคงที่ ผนังท่อจะบางลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป วัสดุเกรดที่เสริมด้วยวาเนเดียมและไนโตรเจน เช่น P92 จะช่วยลดอัตราการไหลซึมในระยะยาวลงได้ถึง 60% เมื่อเทียบกับวัสดุรุ่นก่อนหน้า ตามข้อมูลจาก ASME B31.1-2023
• การออกซิเดชัน : ไอน้ำทำปฏิกิริยากับพื้นผิวท่อจนเกิดคราบแข็งเปราะที่ลอกออกได้ง่าย ซึ่งเร่งการสูญเสียผนังท่อ โลหะผสมที่มีโครเมียมสูงจะสร้างชั้นป้องกัน CrO ที่ยึดเกาะแน่น ช่วยลดการสูญเสียวัสดุได้มากถึง 80%
• ความเหนื่อยล้าจากความร้อน : การให้ความร้อนและปล่อยความร้อนแบบหมุนเวียนจะทำให้เกิดรอยแตกจุลภาคบริเวณข้อเชื่อมและจุดโค้ง โลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นฐาน—รวมถึง Inconel 625—แสดงถึงความทนทานที่พิสูจน์แล้วในงานใช้งานมากกว่า 10,000 รอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ในระบบที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เข้มข้น (CSP)

โดยรวมแล้ว ความล้มเหลวที่ไม่ได้รับการแก้ไขจากกลไกเหล่านี้ มีส่วนทำให้เกิดการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผน ซึ่งก่อให้เกิดค่าใช้จ่ายต่อโรงไฟฟ้าสูงถึง 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อวัน ตามรายงานของสถาบัน Ponemon

ท่อโลหะผสมโครโมลี (P11–P92): การถ่วงดุลระหว่างความแข็งแรง ต้นทุน และความน่าเชื่อถือ

วิวัฒนาการจาก P22 ไปสู่ P91/P92: การเพิ่มขึ้นของความต้านทานต่อการยืดตัวเนื่องจากความร้อนที่อุณหภูมิ 600–650°C

เมื่ออุณหภูมิไอน้ำสูงขึ้นเพื่อยกระดับประสิทธิภาพทางเทอร์โมไดนามิก เหล็กกล้าแบบเดิมอย่าง P22 (ซึ่งมีโครเมียม 2.25% และโมลิบดีนัม 1%) จะเริ่มมีข้อจำกัดที่ประมาณ 565 องศาเซลเซียส จุดนี้ความสามารถในการรับแรงเครียดจะลดลงอย่างมาก ราว 40% เมื่อเทียบกับโลหะผสมรุ่นใหม่อย่าง P91 และ P92 กุญแจสำคัญของการพัฒนาคือเทคนิคไมโครอัลลอยด์ เช่น ในกรณีของ P91 โครงสร้างมาร์เทนไซต์แบบอบคืนตัวได้รับความแข็งแรงเพิ่มเติมจากอนุภาคคาร์บอนไนไตรด์ MX ขนาดเล็กที่ประกอบด้วยวาเนเดียมและไนโอเบียม ส่งผลให้มีความสามารถในการรับแรงเครียดที่ 600°C ดีกว่า P22 รุ่นเก่าประมาณ 35% ส่วน P92 พัฒนาต่อโดยการแทนที่โมลิบดีนัมบางส่วนด้วยทังสเตน (ประมาณทังสเตน 1.8% ผสมกับโมลิบดีนัม 0.5%) การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้วัสดุสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือถึงอุณหภูมิ 650°C และมีความต้านทานต่อการยืดตัวเนื่องจากความร้อนได้ดีกว่า P91 ถึง 20%

ข้อกำหนดตาม ASTM A335 และข้อพิจารณาการออกแบบตาม ASME B31.1 สำหรับระบบ трубเหล็กโลหะผสม

การเลือกวัสดุจำเป็นต้องสอดคล้องกับมาตรฐานอุตสาหกรรมที่เข้มงวด เช่น มาตรฐาน ASTM A335 ซึ่งกำหนดข้อกำหนดเกี่ยวกับองค์ประกอบของท่อโลหะผสมเฟอร์ไรติกแบบไม่มีรอยต่อ วิธีการอบความร้อน และคุณสมบัติทางกลอย่างละเอียด ข้อกำหนดเหล่านี้มีความเฉพาะเจาะจงมาก เช่น สำหรับเหล็กเกรด P91 ปริมาณโครเมียมจะต้องอยู่ระหว่าง 8.0 ถึง 9.5 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่โมลิบดีนัมจะต้องอยู่ระหว่าง 0.85 ถึง 1.05 เปอร์เซ็นต์ ในการออกแบบระบบนี้ วิศวกรจะปฏิบัติตามแนวทาง ASME B31.1 ซึ่งกำหนดขีดจำกัดของแรงเครียดตามปัจจัยอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิประมาณ 600 องศาเซลเซียส เหล็ก P91 สามารถรองรับแรงเครียดได้มากกว่าเหล็กคาร์บอนทั่วไปประมาณ 2.3 เท่า อีกสิ่งหนึ่งที่นักออกแบบต้องพิจารณาคือ โครโมลี (chromoly) มีการขยายตัวน้อยกว่าเมื่อได้รับความร้อน โดยมีการขยายตัวน้อยกว่าเหล็กคาร์บอนประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ที่อุณหภูมิสูง ซึ่งช่วยลดแรงดัดที่เกิดกับโครงยึดและลดปัญหาที่จุดยึดท่อและจุดโค้ง นอกจากนี้ ระบบแต่ละระบบหลังการติดตั้งจะต้องผ่านการทดสอบแรงดันด้วยของเหลว (hydrostatic pressure tests) ตามข้อกำหนดของ ASME Section I โดยการทดสอบจะใช้แรงดัน 1.5 เท่าของแรงดันการทำงานปกติ เพื่อให้มั่นใจว่าทุกส่วนจะยึดแน่นและทำงานได้อย่างเหมาะสมภายใต้สภาวะการใช้งานจริง

ท่อโลหะผสมนิกเกิลสำหรับสภาพแวดล้อมสุดขั้ว: Inconel, Incoloy และ Hastelloy

ต้านทานการกัดกร่อนจากซัลไฟด์และเกลือหลอมเหลวในโรงงานแปลงขยะเป็นพลังงานและโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้น (CSP)

โลหะผสมทั่วไปไม่สามารถทนได้ในโรงงานแปลงขยะเป็นพลังงานและระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้น (CSP) ที่เผชิญกับการโจมตีทางเคมีอย่างรุนแรง ก๊าซเสียที่มีกำมะถันทำให้เกิดปัญหาซัลไฟด์ได้อย่างรวดเร็ว และเกลือไนเตรตหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่า 600 องศาเซลเซียสกัดก่อนวัสดุจนเกิดการกัดกร่อนและเปราะหักได้ นั่นคือเหตุผลที่วิศวกรเลือกใช้วัสดุที่มีฐานเป็นนิกเกิลอย่าง Inconel, Incoloy และ Hastelloy ซึ่งมีนิกเกิลมากกว่า 60% เพื่อช่วยคงโครงสร้างโลหะให้มั่นคงแม้อุณหภูมิสูง นอกจากนี้ยังมีโครเมียมเพื่อต้านทานการออกซิเดชันและการซัลไฟด์ และมอลิบดีนัมเพื่อเพิ่มการป้องกันการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมจากคลอไรด์และซัลเฟตในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ตัวอย่างเช่น ฮาสเทลลอย C-276 สามารถลดอัตราการซัลไฟดิชันลงได้ถึง 90% เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าไร้สนิมทั่วไปในท่อซูเปอร์ฮีตเตอร์ของเครื่องเผาขยะ ในโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์ (CSP) อินโคเนล 625 ยังคงความแข็งแรงดึงได้มากกว่า 500 MPa หลังใช้งานต่อเนื่อง 10,000 ชั่วโมงในเกลือไนเตรตหลอมเหลว—ทำให้สามารถดำเนินการได้อย่างต่อเนื่องและปลอดภัย ในขณะที่ท่อเหล็กคาร์บอนหรือโครโมลิจะต้องเปลี่ยนใหม่ทุก 12–18 เดือน

คำถามที่พบบ่อย

1. อะไรทำให้ท่อโลหะผสมทนความร้อนสูงจำเป็นต่อการผลิตไฟฟ้าสมัยใหม่?
ท่อโลหะผสมทนความร้อนสูงมีความสำคัญเนื่องจากสามารถทนต่ออุณหภูมิและความดันของไอน้ำที่สูงมากในการผลิตไฟฟ้า จึงช่วยลดการบำรุงรักษาที่ไม่คาดคิดและการหยุดทำงาน

2. โลหะผสมโครเมียมมอลิบดีนัมป้องกันการออกซิเดชันได้อย่างไร?
โลหะผสมโครเมียมมอลิบดีนัมสร้างชั้นออกไซด์ที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยโครเมียมไตรออกไซด์ ซึ่งช่วยลดการเกิดออกซิเดชันและยืดอายุการใช้งานของท่อ

3. โหมดการเสียหายหลักใดบ้างที่ท่อโลหะผสมทนความร้อนสูงสามารถแก้ไขได้?
พวกเขาจัดการกับการเปลี่ยนรูปแบบคลาน การเสื่อมสภาพจากออกซิเดชัน และความล้าทางความร้อน ซึ่งช่วยให้โรงไฟฟ้ามีความปลอดภัยและประสิทธิภาพ

4. เหตุใดเหล็กกล้า P91 จึงได้รับความนิยมสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง?
เหล็กกล้า P91 เป็นที่นิยมเนื่องจากมีปริมาณโครเมียมสูง ทำให้สามารถจัดการแรงเครียดได้ดีขึ้นและทนต่อการเปลี่ยนรูปแบบคลานได้ดีที่อุณหภูมิสูง