Quels sont les meilleurs choix de matériaux pour les tuyaux d’échangeur de chaleur?
Introduction
Les échangeurs de chaleur sont largement utilisés dans les centrales électriques, installations pétrochimiques, navires, processus industriels et plus encore pour transférer la chaleur entre fluides sans contact direct. Au cœur de tout échangeur de chaleur se trouvent les tubes ou tuyaux transportant les fluides, et la sélection des matériaux est essentielle pour garantir des performances à long terme dans le cadre des exigences de transfert de chaleur, conditions environnementales et contraintes comme le poids ou les coûts. Ce rapport examine les principales propriétés des matériaux affectant les tuyaux d'échangeur de chaleur et donne un aperçu des options d'alliage les plus courantes et les plus avancées disponibles aujourd'hui..
Exigences matérielles
D'abord, the operating demands on heat exchanger pipe materials must be understood. Les facteurs clés comprennent:
- Conductivité thermique: Transfère efficacement la chaleur entre les fluides circulant à l’intérieur/à l’extérieur de la paroi du tuyau.
- Force: Résiste aux pressions/contraintes mécaniques liées à l'écoulement des fluides et à la manipulation des canalisations.
- Limites de température: Résistance à la dégradation due aux températures de fonctionnement élevées/basses.
- Résistance à la corrosion: Inertie chimique vis-à-vis des fluides ainsi que de l'exposition environnementale.
- Poids: Des matériaux plus légers facilitent l'assemblage/la maintenance, en particulier en mer.
- Coût: L’abordabilité doit être équilibrée avec les avantages en termes de performances.
Aucun matériau ne possède à lui seul tout le spectre des propriétés idéales. Plutôt, les sélections dépendent fortement des conditions de service spécifiques de l’échangeur de chaleur et des contraintes de conception.
Acier Carbone
Comme choix le plus économique, les aciers au carbone comme ASTM A53 Grade B restent répandus pour les échangeurs de chaleur à basse température inférieure à environ 400°F. Les forces vont jusqu'à 60 ksi avec une résistance générale à la corrosion satisfaisante, obtenue grâce à des revêtements de protection. Cependant, l'acier au carbone est sensible au tartre et aux piqûres s'il est exposé à des fluides corrosifs.
Acier inoxydable
Les aciers inoxydables contenant du chrome englobent diverses qualités optimisées sur de larges plages de températures. Les alliages austénitiques comme UNS S30400 dépassent l'acier au carbone en termes de résistance à la corrosion, conductivité thermique et résistance jusqu'à 800°F, tandis que les nuances ferritiques/martensitiques résistent à des températures plus élevées jusqu'à 1 200 °F.. Les matériaux spéciaux comme le duplex offrent le meilleur équilibre global, mais à des coûts plus élevés que l'acier au carbone. Cependant, la sensibilisation doit être évitée pendant la fabrication de l'acier inoxydable pour éviter les fissures.
Alliages de nickel
Les échangeurs de chaleur destinés à l'eau de mer ou aux gaz de combustion impliquant des températures supérieures à 1 200 °F nécessitent une résistance à la corrosion que seuls les alliages de nickel peuvent offrir., représenté par Inconel 600 et 625. Pourtant, des familles d'alliages plus durs comme l'Hastelloy C-276 et l'Inconel offrent une plus grande solidité et une meilleure résistance aux chocs thermiques. 690. Malgré des coûts plusieurs fois supérieurs à ceux de l'acier au carbone, le nickel reste indispensable pour les applications non ferreuses les plus agressives comme les centrales à énergie fossile.
Titane
Les réacteurs à eau bouillante comptant sur sa résistance exceptionnelle à la corrosion emploient du grade pur 2 titane dans les petits composants de l'échangeur de chaleur. Cependant, une faible conductivité thermique nécessite des parois épaisses affectant le poids et les coûts, limiter une adoption plus large. L'assemblage remet également en question les méthodes de fabrication conventionnelles. Néanmoins, de nouvelles applications émergent dans les échangeurs de chaleur pour le dessalement de l'eau de mer.
Revêtements & Bardages
La modification avancée de la surface offre des performances améliorées à des coûts raisonnables par rapport aux mises à niveau d'alliages en vrac. Les revêtements nickel-aluminium et zinc-nickel par pulvérisation au chalumeau dépassent les limites de l'acier au carbone jusqu'à 1 200 °F tout en conservant des coûts inférieurs.. Le revêtement des tubes utilisant le soudage par recouvrement introduit des matériaux fortement alliés pour une protection localisée contre la corrosion au niveau des parties critiques exposées aux fluides.. Les isolateurs en céramique peuvent également abaisser les températures des parois des tubes pour élargir les plages de service de l'acier au carbone.
Exemple de sélection de matériaux
Considérons un échangeur de chaleur pour une unité d'alkylation d'acide sulfurique fonctionnant en continu entre 200 et 300°F.. Les tubes en acier au carbone répondent aux besoins de température modérée, avec isolation thermique en fibre de verre ou Gilsil maintenant la température des murs. Cependant, l'acide sulfurique concentré exige quelque chose de plus résistant à la corrosion. Inoxydable 316 offre une résistance supérieure à 304, malgré un 40% prix plus élevé par rapport à l'acier au carbone. Ici, les performances méritent d’être améliorées étant donné le rôle de l’échangeur de chaleur dans un processus majeur de l’usine.. La doublure pourrait représenter une alternative plus rentable pour les déplacements occasionnels. haute température excursions.
Conclusions
La sélection des matériaux représente un facteur de conception clé régissant la fiabilité et les coûts à long terme des échangeurs de chaleur.. Alors que l'acier au carbone domine de nombreuses applications à basse température, une excellente résistance à la corrosion et une résistance aux températures élevées justifient l'utilisation d'aciers inoxydables, alliages de nickel ou revêtements/revêtements spécialement pour des conditions de service exigeantes. Les performances doivent être judicieusement équilibrées par rapport aux contraintes telles que les budgets ou le poids afin d'obtenir une tuyauterie optimisée pour toute la durée de vie d'un échangeur de chaleur..
DEPUIS 17175 est conçu pour des températures élevées, ABTER STEEL fournit les nuances d'acier suivantes: St35.8, St45.8, 15Mo3, 13CrMo44, 10CrMo910. DEPUIS 17175 les tuyaux en acier sans soudure sont largement utilisés dans les appareils d'échange de chaleur.
ASTM A179 couvre l'épaisseur de paroi minimale, tubes en acier étirés à froid sans soudure pour échangeurs de chaleur tubulaires, condensateurs, et appareils de transfert de chaleur similaires. Il s'agit d'une sorte de tubes à faible teneur en carbone qui doivent être fabriqués selon un processus sans soudure et qui doivent être étirés à froid..
EN10216-2 est une spécification conçue pour les tubes en acier sans soudure destinés à des fins spécifiées à température élevée comme tube de chaudière., centrales électriques, etc., il a les nuances d'acier suivantes: P195GH, P235GH, P265GH, 16Mo3, 14MoV6-3, 13CrMo4-5, 10CrMo9-10, avec acier non allié et allié inclus.
L'EN 10217-1 La norme est la norme européenne pour les conduites sous pression soudées, il régit les exigences techniques pour les tubes en acier au carbone. Cette norme convient au soudage de tubes en acier au carbone ayant des propriétés spécifiées à température ambiante et des pressions nominales.. Les exigences essentielles de cette norme sont la limite d'élasticité minimale et la résistance à la traction., élongation, soudabilité, Valeurs d'impact, essai non destructif, etc.. Cette norme est largement utilisée dans la construction d'appareils sous pression et de systèmes de tuyauterie dans le secteur pétrolier et gazier., pétrochimique, et industries électriques.
Un échangeur de chaleur est un appareil qui transfère la chaleur d'un milieu à un autre, souvent dans le but de réutiliser ou de recycler la chaleur qui serait autrement gaspillée ou perdue. Le processus d'échange thermique est fondamental pour de nombreux appareils quotidiens, tels que les réfrigérateurs et les climatiseurs, et est également essentiel dans de nombreuses applications industrielles.
Les tubes en acier ASTM A179, ASME SA179 couvrent une épaisseur de paroi minimale, tubes en acier à faible teneur en carbone étirés à froid sans soudure pour échangeurs de chaleur tubulaires, condensateurs, et appareils de transfert de chaleur similaires.
