ما هي أفضل الخيارات المادية لأنابيب المبادل الحراري?
مقدمة
تستخدم المبادلات الحرارية على نطاق واسع في محطات توليد الطاقة, مرافق البتروكيماويات, السفن, العمليات الصناعية وغيرها لنقل الحرارة بين السوائل دون اتصال مباشر. في قلب أي مبادل حراري توجد الأنابيب أو الأنابيب التي تحمل السوائل, واختيار المواد أمر بالغ الأهمية لضمان الأداء على المدى الطويل في ظل متطلبات نقل الحرارة, الظروف البيئية والقيود مثل الوزن أو التكاليف. يفحص هذا التقرير خصائص المواد الرئيسية التي تؤثر على أنابيب المبادل الحراري ويقدم نظرة عامة على خيارات السبائك الأكثر شيوعًا وتقدمًا المتاحة اليوم.
متطلبات المواد
أولاً, the operating demands on heat exchanger pipe materials must be understood. وتشمل العوامل الرئيسية:
- توصيل حراري: ينقل الحرارة بكفاءة بين السوائل المتدفقة داخل/خارج جدار الأنبوب.
- قوة: يقاوم الضغوط/الضغوط الميكانيكية الناتجة عن تدفق السوائل والتعامل مع الأنابيب.
- حدود درجة الحرارة: مقاومة التدهور الناتج عن درجات حرارة التشغيل العالية/المنخفضة.
- المقاومة للتآكل: الخمول الكيميائي تجاه السوائل وكذلك التعرض البيئي.
- وزن: تعمل المواد الأخف على تسهيل عملية التجميع/الصيانة خاصة في الخارج.
- يكلف: يجب أن تكون القدرة على تحمل التكاليف متوازنة مع فوائد الأداء.
لا توجد مادة واحدة تمتلك مجموعة كاملة من الخصائص المثالية. بدلاً من, تعتمد الاختيارات بشدة على ظروف الخدمة المحددة للمبادل الحراري وقيود التصميم.
الكربون الصلب
باعتباره الخيار الأكثر اقتصادا, يظل الفولاذ الكربوني مثل ASTM A53 Grade B سائدًا في المبادلات الحرارية ذات درجة الحرارة المنخفضة التي تقل عن 400 درجة فهرنهايت تقريبًا. تتراوح نقاط القوة حتى 60 ksi مع مقاومة عامة مرضية للتآكل يمكن تحقيقها من خلال الطلاءات الواقية. لكن, يكون الفولاذ الكربوني عرضة للتقشير والحفر إذا تعرض للسوائل المسببة للتآكل.
الفولاذ المقاوم للصدأ
يشتمل الفولاذ المقاوم للصدأ المحتوي على الكروم على درجات متنوعة مُحسّنة على نطاقات درجات حرارة واسعة. السبائك الأوستنيتي مثل UNS S30400 تتجاوز الفولاذ الكربوني في مقاومة التآكل, الموصلية الحرارية وقوة تصل إلى 800 درجة فهرنهايت, بينما تتحمل درجات الحديد/المارتنسيت درجات حرارة أعلى تصل إلى 1200 درجة فهرنهايت. توفر المواد الخاصة مثل الطباعة على الوجهين أفضل توازن عام على الرغم من زيادة التكاليف مقارنة بالفولاذ الكربوني. لكن, يجب منع التحسس أثناء تصنيع الفولاذ المقاوم للصدأ لتجنب التشقق.
سبائك النيكل
تتطلب المبادلات الحرارية لمياه البحر أو غاز المداخن التي تنطوي على درجات حرارة أعلى من 1200 درجة فهرنهايت مقاومة التآكل التي يمكن أن توفرها سبائك النيكل فقط., يمثلها إنكونيل 600 و 625. ومع ذلك، فإن المزيد من القوة ومقاومة الصدمات الحرارية تأتي من عائلات السبائك الأكثر صلابة مثل Hastelloy C-276 وInconel 690. على الرغم من التكاليف أعلى عدة مرات من الفولاذ الكربوني, يظل النيكل لا غنى عنه في التطبيقات غير الحديدية الأكثر عدوانية مثل محطات الطاقة الأحفورية.
التيتانيوم
تستخدم مفاعلات الماء المغلي، التي تعتمد على مقاومتها الاستثنائية للتآكل، درجة نقية 2 التيتانيوم في مكونات مبادل حراري أصغر. لكن, تتطلب الموصلية الحرارية المنخفضة جدرانًا سميكة تؤثر على الوزن والتكاليف, الحد من التبني على نطاق أوسع. يتحدى الانضمام أيضًا طرق التصنيع التقليدية. ومع ذلك, تظهر تطبيقات جديدة في المبادلات الحرارية لتحلية مياه البحر.
الطلاءات & الكسوة
يوفر تعديل السطح المتقدم أداءً محسنًا بتكاليف معقولة مقارنةً بترقيات السبائك الكبيرة. تتجاوز طلاءات النيكل والألومنيوم والزنك والنيكل بواسطة تقنيات رش الشعلة حدود الفولاذ الكربوني حتى 1200 درجة فهرنهايت مع الحفاظ على تكاليف أقل. تقدم أنابيب الكسوة التي تستخدم اللحام المتراكب مواد عالية السبائك للحماية الموضعية من التآكل في الأجزاء الحرجة المعرضة للسوائل. يمكن للعوازل الخزفية أيضًا خفض درجات حرارة جدار الأنبوب لتوسيع نطاقات خدمة الفولاذ الكربوني.
مثال على اختيار المواد
فكر في استخدام مبادل حراري لوحدة ألكلة حمض الكبريتيك التي تعمل بشكل مستمر بين 200-300 درجة فهرنهايت. تلبي أنابيب الفولاذ الكربوني احتياجات درجة الحرارة المعتدلة, مع العزل الحراري من الألياف الزجاجية أو جيلسيل للحفاظ على درجات حرارة الجدار. لكن, يتطلب حمض الكبريتيك المركز شيئًا أكثر مقاومة للتآكل. ستانلس 316 يقدم مقاومة متفوقة مقابل 304, على الرغم من أ 40% علاوة سعر أعلى على الفولاذ الكربوني. وهنا يستحق الأداء الترقية نظرًا لدور المبادل الحراري في عملية المصنع الرئيسية. يمكن أن تمثل البطانة بديلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة في بعض الأحيان ارتفاع درجة الحرارة الرحلات.
الاستنتاجات
يمثل اختيار المواد عامل تصميم رئيسي يحكم موثوقية وتكاليف المبادل الحراري على المدى الطويل. بينما يهيمن الفولاذ الكربوني على العديد من تطبيقات درجات الحرارة المنخفضة, مقاومة ممتازة للتآكل وقوة درجات الحرارة العالية تحفز استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ, سبائك النيكل أو البطانات/الطلاءات خاصة لظروف الخدمة الصعبة. يجب موازنة الأداء بحكمة مع القيود مثل الميزانيات أو الوزن للحصول على أنابيب محسنة لعمر الخدمة الكامل للمبادل الحراري.
من 17175 تم تصميمه لأغراض درجات الحرارة المرتفعة, تقوم ABTER STEEL بتوريد درجات الصلب التالية: St35.8, St45.8, 15Mo3, 13كرومو44, 10CrMo910. من 17175 تستخدم الأنابيب الفولاذية غير الملحومة على نطاق واسع في أجهزة التبادل الحراري.
يغطي ASTM A179 الحد الأدنى لسماكة الجدار, أنابيب فولاذية غير ملحومة مسحوبة على البارد للمبادلات الحرارية الأنبوبية, المكثفات, وأجهزة نقل الحرارة المماثلة. وهي عبارة عن نوع من الأنابيب منخفضة الكربون يتم تصنيعها بعملية سلسة وتكون مسحوبة على البارد.
EN10216-2 عبارة عن مواصفات مخصصة للأنابيب الفولاذية غير الملحومة لأغراض محددة في درجات الحرارة المرتفعة مثل أنبوب الغلاية, محطات توليد الطاقة, إلخ, لديها درجات الصلب التالية: P195GH, P235GH, P265GH, 16Mo3, 14MoV6-3, 13CrMo4-5, 10CrMo9-10, مع تضمين الفولاذ غير السبائك وسبائك الصلب.
إن 10217-1 المعيار هو المعيار الأوروبي لأنابيب الضغط الملحومة, فهو يحكم المتطلبات الفنية لأنابيب الصلب الكربوني. هذه المواصفة القياسية مناسبة للحام أنابيب الصلب الكربوني التي لها خصائص درجة حرارة الغرفة المحددة والضغوط المقدرة. المتطلبات الأساسية لهذه المواصفة القياسية هي الحد الأدنى من قوة نقطة الخضوع وقوة الشد, استطالة, قابلية اللحام, قيم التأثير, اختبار غير مدمر, إلخ. يستخدم هذا المعيار على نطاق واسع في بناء أوعية الضغط وأنظمة الأنابيب في النفط والغاز, البتروكيماويات, وصناعات الطاقة.
المبادل الحراري هو جهاز ينقل الحرارة من وسط إلى آخر, غالبًا بهدف إعادة استخدام أو إعادة تدوير الحرارة التي قد يتم إهدارها أو فقدها. تعتبر عملية التبادل الحراري أمرًا أساسيًا للعديد من الأجهزة اليومية, مثل الثلاجات والمكيفات, وهو أيضًا أمر بالغ الأهمية في العديد من التطبيقات الصناعية.
تغطي الأنابيب الفولاذية ASTM A179، ASME SA179 الحد الأدنى من سمك الجدار, أنابيب فولاذية منخفضة الكربون غير ملحومة مسحوبة على البارد للمبادلات الحرارية الأنبوبية, المكثفات, وأجهزة نقل الحرارة المماثلة.
