Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4090
Main Title: Geothermal systems in Indonesia
Subtitle: Influence on the corrosion resistance of stainless steel materials
Translated Title: Geothermische Systeme in Indonesien
Translated Subtitle: Einfluß auf die Korrosionsbeständigkeit von Stahlwerkstoffen
Author(s): Keserovic, Amela
Advisor(s): Tröger, Uwe
Referee(s): Bäßler, Ralph
Tröger, Uwe
Huenges, Ernst
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Erdwärmesysteme sind die aggressivsten, natürlichen Umgebungen in Bezug auf Korrosion. Hohe Temperaturen und Drücke, sowie das Vorhandensein fast des gesamten Periodensystems der Elemente in Form von korrosiven Salzen, stellen eine große Bedrohung für die Integrität von Bauwerkstoffen dar. Um eine sichere und kontinuierliche Energieproduktion und Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der Geothermie in der Welt zu erreichen, ist für die Betreiber und Hersteller eine umfassende Beurteilung der Werkstoffeignung von hoher Bedeutung. Das Hauptziel dieser Forschungsarbeit war eine Bewertung von derzeit auf dem Markt erhältlichen Werkstoffen, inwieweit mit ihnen Korrosionsprobleme umgangen werden können und diese den hochaggressiven Bedingungen bei der Nutzung geothermischer Ressourcen in vulkanischen Gebieten standhalten. Der Fokus wurde auf den übertägigen Werkstoffeinsatz für den Bau des ersten binären Kraftwerks in Indonesien gesetzt. Der Forschungsansatz liegt in der Untersuchung des Korrosionsverhaltens von drei verschiedenen Stahlsorten; niedriglegiertem Stahl 1.7218, rostfreiem Stahl 1.4404 und hochlegiertem Sonderedelstahl 1.4562, unter stagnierenden Bedingungen in künstlichen Salzlösungen, die den Verhältnissen in Geothermiefeldern von Sibayak und Lahendong in Indonesien entsprechen. Unter Berücksichtigung der Unterschiede in den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Salzlösungen, wurde der Einfluss der Acidität (pH 2, pH 4), der Salzkonzentration (20 mg/L, 1,500 mg/L Chloride), der Temperatur (70 °C, 100 °C, 175 °C) und des Druckes (1 bar, 9 bar) auf das Verhalten der ausgewählten Werkstoffe untersucht, um ein "sicheres Betriebsfenster" des Kraftwerks zu gewährleisten. Die Methodik umfasste eine kombinierte Verwendung von elektrochemischen (Elektrochemische Impedanzspektroskopie, Polarisation) und Auslagerungsversuchen (bis 6 Monate) mit verschiedenen Testaufbauten, entsprechend der zu untersuchender Korrosionsart (gleichmäßige, Loch-, Spalt- und Spannungsrisskorrosion). Der Werkstoff 1.7218 zeigte in allen untersuchten Bedingungen eine Anfälligkeit für gleichmäßige Korrosion. Da die Korrosionsraten innerhalb der zulässigen Grenzwerte (< 0,3 mm/a) lagen, wäre er als Bauwerkstoff für die Geothermiefelder Sibayak und Lahendong geeignet. Allerdings ist seine große Schwachstelle in stark sauren Lösungen und bei moderaten Temperaturen, bei denen die Korrosionsraten die Grenzwerte überschreiten. Aufgrund seiner Sprödigkeit stellt die Anfälligkeit für mechanische Rissbildung ein großes Nutzungshindernis dar. Der Werkstoff 1.4404 zeigte unter den meisten der untersuchten Bedingungen eine bemerkenswerte Beständigkeit gegenüber gleichmäßiger Korrosion. Der große Nachteil ist seine Anfälligkeit für Lochkorrosion. Die Integrität des Systems aus dem Werkstoff 1.4404 könnte stark bei niedrigen pH-Wert und hoher Chloridbelastung gestört werden, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Der Werkstoff 1.4562 zeichnet sich durch eine hervorragende Beständigkeit gegen gleichmäßige und Lochkorrosion, auch unter stark sauren Bedingungen, aus. Infolge dessen ist er sowohl für die Geothermiefelder von Sibayak als auch von Lahendong geeignet. Jedoch sollten Metall/Polymer-Spalten aufgrund der hohen örtlichen Korrosionsraten vermieden werden. In Anbetracht des Korrosionsverhaltens der ausgewählten Werkstoffe ist es möglich, jeden von ihnen, abhängig von den vorherrschenden Bedingungen und Anforderungen, für eine bestimmte Einheit des binären Kraftwerks in Indonesien einzusetzen.
Geothermal systems are found to be the most aggressive natural environments in terms of corrosion due to the high temperature and pressure conditions, as well as the presence of almost an entire periodic system of elements in form of corrosive salts. In order to achieve a safer and continuous energy production, and increase the competitiveness of geothermal energy on the world scene, a comprehensive assessment of the materials suitability is of high importance for operators and vendors. The main objective of this thesis research was to evaluate which materials currently available on the market could overcome the problem of corrosion and withstand highly aggressive conditions in the exploitation of geothermal resources in volcanic environments. The focus was set on the above-ground material application for construction of the first binary power plant in Indonesia. The research approach consisted of investigating the corrosion performance of three different steel grades; low-alloyed steel 1.7218, stainless steel 1.4404 and high-alloyed stainless steel 1.4562, in stagnant conditions of artificial brines discharged from the wells on Sibayak and Lahendong geothermal fields (Indonesia). Considering the difference in the brines physicochemical characteristics, the influence of the solution acidity (pH 2, pH 4), salt concentration (20 mg/L, 1,500 mg/L chlorides), temperature (70 °C, 100 °C, 175 °C) and pressure (100 kPa, 900 kPa) on the behavior of the selected materials was elucidated in order to assure a “safer operating window” of the power plant. The methodology comprised of a combined use of both electrochemical (electrochemical impedance spectroscopy, polarization) and exposure testing methods (up to 6 months) using various test setups depending on the method and the investigated type of corrosion (uniform, pitting, crevice corrosion, stress corrosion cracking). Low-alloyed steel 1.7218 showed susceptibility to uniform corrosion in all of the investigated conditions. Since the corrosion rates were within acceptable limits (< 0.3 mm/y), it would be considered suitable as a construction material for Sibayak and Lahendong geothermal fields. However, its major vulnerability is perceived in highly acidic solutions and at moderate temperatures where the corrosion rates exceed the threshold values. The susceptibility to mechanical cracking due to its hardness presents a major obstacle in its application considering the high stresses present in geothermal power plants during operation. Stainless steel 1.4404 exhibited remarkable resistance to uniform corrosion in most of the investigated conditions. Its major disadvantage is its susceptibility to localized corrosion. The integrity of the system made of 1.4404 steel could be severely disrupted in low pH and high chloride conditions, especially at elevated temperatures. High-alloyed steel 1.4562 is characterized by excellent resistance to uniform and pitting corrosion even in highly acidic conditions, making it a suitable construction material for both Sibayak and Lahendong geothermal fields. However, the presence of metal/polymer crevices should be avoided due to the high localized corrosion rates within the occluded sites. Considering the corrosion performance of the selected alloys, it is possible to employ each of investigated steel materials for a particular unit of the binary power plant in Indonesia, depending on the prevailing conditions and requirements.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-53523
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4387
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4090
Exam Date: 28-May-2014
Issue Date: 3-Jul-2014
Date Available: 3-Jul-2014
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Korrosion
Elektrochemie
Auslagerung
Stahl
Geothermie
Corrosion
electrochemistry
exposure
steel
geothermal
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 6 Planen Bauen Umwelt » Institut für Angewandte Geowissenschaften » Publications
Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 6 Planen Bauen Umwelt » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
keserovic_amela.pdf5.77 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.