Mit dem Strom schwimmen
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Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen |
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Die weltweite Entsalzungskapazität von 31 Millionen Kubikmeter pro Tag wird voraussichtlich bis 2015 auf
62 Millionen Kubikmeter steigen. |
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Die Kosten für eine weltweite Entsalzungskapazität bis 2015 werden auf 95 Mrd. US-Dollar geschätzt. |
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Zur Zeit sind im Nahen Osten etwa 7.000 Entsalzungsanlagen im Einsatz, die pro Tag mehr als 100 Kubikmeter
Frischwasser produzieren können. |
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Hochdruckrohre in Entsalzungsanlagen bestehen üblicherweise aus Edelstahl Rostfrei S32750 mit einem
Nickelgehalt von 7%. |
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Hochdruckpumpen werden ebenfalls aus nickelhaltigem Edelstahl Rostfrei hergestellt. |
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Der Bedarf nach Edelstahl Rostfrei mit hohem Nickelanteil in RO-Anlagen wie hier abgebildet wird mit
Sicherheit steigen. |
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Diese Rohre wurden aus S34565 Edelstahl Rostfrei mit einem Nickelghalt von 17% hergestellt. |
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日本語 |
Ein Blick in die Zukunft von Frischwasser
Von Dr. Gerry Crawford
Nickel Magazine, November 2005 -- Das komplexe industrielle Verfahren der Meerwasserentsalzung zur Gewinnung von Trinkwasser wird heute in mindestens 120 Ländern eingesetzt.
Da die Bevölkerungszahl in wasserarmen Regionen und in Inselgemeinschaften mit unzulänglichen und schwindenden Frischwasserquellen zunimmt wächst die Notwendigkeit durch Meer- und Brackwasserentsalzung Trinkwasser zu gewinnen.
Beim IDA-Weltkongress zur Wasserentsalzung und -wiederverwendung (World Congress on Desalination and Water Reuse) eröffnete H. E. Abdullah Al Hussayen, Minister für Wasser und Elektrizitätswirtschaft in Saudiarabien, die Konferenz mit einer Grundsatzrede, in der die Bedeutung der Entsalzung und Wasserversorgung angesichts des wachsenden Bedarfs nach sauberem Frischwasser betont wurde.
Nur 0,01 % des Wassers auf der Erde kann aufbereitet und als sicheres Trinkwasser verfügbar gemacht werden. Die weltweiten Gesundheitskosten, die auf den Verbrauch von unsicherem Trinkwasser zurückzuführen sind, werden auf $ 300 Mrd. pro Jahr geschätzt. Seit 1955 hat sich die verfügbare Frischwassermenge pro Person durch das Bevölkerungswachstum, durch Verschmutzung und Klimaveränderungen um mehr als 50 % verringert.
Aufgrund dieser Entwicklungen wächst die Meerwasserentsalzungsindustrie zurzeit mehr als rasch. Die aktuelle, weltweite Entsalzungskapazität von 31 Millionen Kubikmeter pro Tag steigt voraussichtlich bis 2015 auf 62 Millionen Kubikmeter, und die Kosten für diese erhöhte Kapazität werden auf $ 95 Mrd. geschätzt.
Zurzeit sind etwa 13.600 stationäre Anlagen im Einsatz, die pro Tag 100 Kubikmeter oder mehr frisches Wasser produzieren können. Die Hälfte dieser Anlagen steht im Nahen Osten, etwa 20 % befinden sich in Nord- bzw. Südamerika, 13 % in Europa und 12 % in Asien.
Für die Meerwasserentsalzung sind fünf verschiedene kommerzielle Verfahren verfügbar. Die beiden am häufigsten und etwa im gleichen Ausmaß verwendeten Verfahren sind das MSF-Verfahren (Abk. für „Multi-Stage Flash" - mehrstufige Entspannungsverdampfung) und die umgekehrte Osmose (RO., Abk. f. "Reverse Osmosis"). Bei beiden Verfahren werden wegen ihrer hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit nickelhaltige Materialien verwendet.
Da jedes Jahr viele Milliarden Euro bzw. Dollar investiert werden, um die Entsalzungskapazität weltweit zu erhöhen, wird der Bedarf nach Edelstahl Rostfrei mit hohem Nickelanteil in diesem wichtigen Sektor mit Sicherheit steigen.
Die Nickel enthaltenden Duplex-, Super-Duplex- und super-austenitischen, hochlegierten Edelstähle sind wegen ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und größeren Festigkeit immer häufiger bevorzugte Werkstoffe. Die Standardwerkstoffe wie Edelstahl Rostfrei S31603, S31703 und Kupfernickel-Legierungen, werden auch zukünftig die am häufigsten verwendeten Werkstoffe in der Meerwasserentsalzungsindustrie bleiben (zumindest bei niedrigeren Temperaturen und Chlorkonzentrationen), können aber einfach nicht immer die erforderliche Zuverlässigkeit garantieren.
Rostfreie Legierungen mit höherem Nickelanteil verursachen zwar höhere Einheitskosten, können aber aufgrund ihrer Festigkeit in geringerer Materialstärke verwendet werden. Dadurch reduzieren sich sowohl Gewicht als auch Kosten auf einen Betrag, bei dem diese Legierungen mit vorhandenen Alternativen konkurrieren können. Diese Tatsache wird noch wichtiger, nachdem die Konstruktionslebensdauer von neueren, größeren Anlagen ständig steigt (sie beträgt jetzt im Durchschnitt 40 Jahre).
Bei der internationalen Konferenz des Korrosionsverbands NACE (National Association of Corrosion Engineers) im April 2005 erläuterte Wilhelm Schleich von der KM Europa Metal AG die Eigenschaften der Kupfer-Nickel-Legierung C70600 und beschrieb ihre Anwendung in Meerwasser. „Über mehrere Jahrzehnte hinweg wurden Tausende Tonnen von C70600 als Rohrmaterial im Meerwasser verwendet", sagte Schleich. Eine besonders herausragende Eigenschaft der Legierung ist ihre Widerstandsfähigkeit gegen Biofouling sowie Loch- und Spannungsrisskorrosion. Schleich bestätigte, dass C70600, obwohl es immer noch als Legierung für Meerwasserrohre bevorzugt wird, nach wie vor anfällig für Erosion und galvanische Korrosion ist. Er betonte aber, dass diese Anfälligkeit im Konstruktionsstadium behoben werden kann.
2004 veröffentlichte Outokumpu (früher unter dem Namen Avesta Polarit AB bekannt) zwei Informationsblätter über Nickellegierungen zur Entsalzung. Für MSF-Anlagen wurde unter anderem Folgendes empfohlen:
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Kondensatorrohre (in der Regel aus Titanium- oder Kupfer-Nickel-Legierungen) – S31254, S32750 und S32654;
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Soleerwärmungsrohre und Rohrblech – S32654;
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Expansionskammerwände – S32205 (kein Lackieren erforderlich, weniger Wartung) und S31254, S32654 (Dichtflächen, Flanschverbindungen); und
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‘Downstream’-Stufen – S32205.
In Meerwasseranlagen mit umgekehrter Osmose wurden folgende Legierungen empfohlen:
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Hochdruckpumpen – S31254, S32750 (für hohe Chlorkonzentrationen) und S32205 (für niedrige Chlorkonzentrationen);
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Hochdruckrohre – S32750.
Eine nützliche, nach steigendem Präferenzgrad geordnete Leistungsskala für verschiedene Edelstähle Rostfrei wurde 2003 von Jan Olsson u. a. von Avesta Polarit AB in zwei NACE-Dokumenten veröffentlicht: S31603, S31703, S32205, N08904, S31254, S32750.
Die Autoren kamen zu verschiedenen Schlüssen:
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S31603 und S31703 sollten nur verwendet werden, wenn die Speiseflüssigkeit entlüftet ist;
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S32205 und N08904 sind S31603 und S31703 vorzuziehen, können aber auch korrosionsanfällig sein;
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Super-Duplex- und superaustenitische 6 %ige Mo-Legierungen werden für Hochdruckrohre benötigt;
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geschweißte Rohre können billiger als nahtlose Rohre sein; und
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mit Super-Duplex-S32750 können Materialstärke, Gewicht und Kosten verringert werden.
Eine zweite Abhandlung von Jan Olsson u. a. über MSF-Kammern aus beruhigtem Duplex-Edelstahl Rostfrei enthielt eine Erläuterung zu Korrosionsproblemen mit Verdampfermaterialien in MSF-Anlagen, von unlegierten Stählen über verschiedene Epoxidbeschichtungen, metallische Auskleidungen bis zu Plattierungen aus Edelstahl Rostfrei. Eine bevorzugte Alternative ist eine Verdampferwand aus beruhigtem austenitisch ferritischem Duplex-Edelstahl Rostfrei 2205.
Aufgrund der hohen Festigkeit von S32205 konnten bei einer MSF-Anlage in Libyen mit einer Kapazität von 16.000 Kubikmetern pro Tag dünnwandigere, leichtere Verdampferkessel verwendet werden – etwa 30 % dünnwandiger und leichter als bei S31603, und dies bei konkurrenzfähigen Preisen. Dies war der erste kommerzielle Einsatz von S32205 für Verdampferkessel seit Groth und Olsson bei einer Konferenz in Yokahama (Japan) 1993 zum ersten Mal den Einsatz von beruhigtem Duplex-Edelstahl Rostfrei für diese Anwendung vorschlugen.
Beim IDA-Weltkongress zur Entsalzung und Wiederverwendung von Wasser 2005 kündigte Outokumpu die Verwendung einer „Doppelduplex-Konstruktion" bei der Erweiterung von Taweelah B und bei den Jebel Ali-Einheiten an. Bei diesen Anlagen werden die unteren Teile der Verdampfer, die mit entlüftetem Meerwasser in Kontakt kommen, aus Duplex-Edelstahl Rostfrei S32205 konstruiert, und die oberen Teile der Verdampfer, die weniger aggressivem Kondensat ausgesetzt sind, aus dem wenig Nickel enthaltenden Duplex-Edelstahl Rostfrei S32101.
Die superaustenitische, 6%ige Molybdänlegierung N08367, die 24 % Nickel und 20 % Chrom enthält, wird weitgehend in der Meerwasserbehandlung verwendet. 2003 veröffentlichten Grubb und Gerlock ein NACE-Dokument, in dem die Verwendung der Legierung in Meerwasserentsalzungsanlagen beschrieben wird, und zwar sowohl in MSF-Anlagen als auch in Anlagen, die mit umgekehrter Osmose arbeiten. Sie wurde als konkurrenzfähige Alternative zu traditionelleren Kupferlegierungen gewählt, die zwar bestimmte Vorteile wie beispielsweise hohe Wärmeleitfähigkeit bieten, aber unter einer durch die Strömung verursachten Erosionskorrosion leiden, insbesondere in der Gegenwart von Schadstoffen, wie zum Beispiel Sulfiden und Aminen.
N08367 ist zwar teurer als Kupfer-Nickel-Legierungen, aber aufgrund des geringeren Materialbedarfs trotzdem konkurrenzfähig. In den letzten Jahren wurde diese Legierung für verschiedene Anlagen ausgewählt, darunter 2002 in Trinidad für die wichtigen Vorbehandlungsrohre in der größten mit umgekehrter Osmose arbeitenden Anlage der westlichen Hemisphäre. Die Anlage wurde für eine Kapazität von 109.000 Kubikmeter pro Tag konstruiert.
Francis und Byrne wiesen 2003 darauf hin, dass die Schweißlegierung S32760, die 7 % Nickel, 25 % Chrom und 3,5 % Molybdän enthält, seit Mitte der achtziger Jahre in Meerwassersystemen in einem großen Bereich von Anwendungen eingesetzt wird. In Löschwasser- und Meerwasserkühlsystemen hat diese Legierung allerdings mehrfach versagt, in den meisten Fällen aufgrund von Korrosion bei Schweißnähten. Diese Probleme wurden durch die Entwicklung von erprobten, geeigneten Schweißverfahren zur Vermeidung einer Sigmaphasenbildung bei Schweißnähten überwunden, behaupten die Autoren in ihrem NACE-Dokument (Sigmaphasenbildung führt zu einer großen, lokalen Verringerung der Korrosionsbeständigkeit). Folglich wird S32760 jetzt für Rohrleitungen in Anlagen, die mit umgekehrter Osmose arbeiten, und für andere Komponenten weitgehend akzeptiert, darunter auch in MSF-Anlagen für Komponenten, die der Meerwasserzufuhr dienen.
Ein Artikel in diesem Magazin wies 2001 auf die Anwendung von austenitischem Edelstahl Rostfrei S34565 für dünnwandige, lasergeschweißte Rohrleitungen in der Verdampferkammer des Wärmerückgewinnungsabschnitts von MSF-Anlagen als preiswerte Alternative zur Kupfer-Nickel-Legierung 90:10 hin. S34565 enthält nominell 17 % Nickel, 24 % Chrom und 4 % Molybdän.
Der Artikel beruhte auf einem 2001 von Felton, Oldfield, Peet u. a. veröffentlichtem NACE-Dokument, in dem darauf hingewiesen wurde, dass galvanische Korrosion an einigen Schweißnähten zwischen Rohren und Rohrplatten auftrat und weitere Entwicklungsarbeiten notwendig waren, um geeignete Rohrplattenmaterialien zu finden. Dieselben Autoren schrieben 2002 in einem anderen NACE-Dokument, dass Rohrplattierungswerkstoff aus S34565 sich am besten zum Schweißen an Rohre eignete, die ebenfalls aus der Legierung S34565 hergestellt wurden.
Diese aktuellen Informationen stellen keine umfassende Beschreibung der Entwicklungen bei nickelhaltigen Legierungen für Entsalzungsanlagen in den letzten Jahren dar. Sie beschreiben vielmehr einige der bedeutenderen Optionen und bestätigen, dass nickelhaltige Legierungen für den komplexen, industriellen Prozess der Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser sowohl sehr wichtig als auch zunehmend gefragt sind.
Dr. Gerry Crawford ist ein in Toronto ansässiger freier Mitarbeiter des Nickel Institute. Dr.
Jim Fritz, ein in Pittsburgh ansässiger technischer Berater des Nickel Institute hat auch zu diesem Artikel
einen wertvollen Beitrag geleistet.
FOTOS: Nickel Institute
 Es folgt eine detaillierte Liste aller zitierten NACE-Dokumente, komplett mit Nummern und Bezugsquellen.
Alle diese Dokumente sind von NACE International
erhältlich. Die folgenden Informationsblätter wurden von Avesta Polarit veröffentlicht (heute Outokumpu): |
