انتخاب مواد ساخت مبدل حرارتی

فهرست موضوعات

مقدمه

در بحث انتخاب مواد ساخت مبدل های حرارتی، قبل از هر چیز باید به بررسی هریک از آنها پرداخت. مواد انتخابی در این مورد، استنلس استیل یا همان فولادهای ضد زنگ می باشد. آلیاژی استیل است که محتوای کروم در ترکیب شیمیایی آن حداقل 12 درصد باشد. انواع ورق استیل، از مقاومت به خوردگیِ بالاتری در مقایسه با فولادهای کربنی و کم آلیاژ برخوردارند. علت این بالا بودنِ مقاومت در برابر خوردگی، درصد بالای کروم در آنها می باشد. این مواد به شکل کار شده و همچنین ریختگی موجود می باشند.

انواع ورق استیل

هر آلیاژ، ساختار متالورژیکی منحصر به فردی دارد و ورق استنلس استیل نیز از این موضوع مستثنی نیست. در نتیجه این آلیاژها بر مبنای چنین ساختاری به 5 خانواده متفاوت تقسیم می شوند:

1. استنلس استیل آستنیتی
2. ورق استیل فریتی
3. ورق استنلس استیل مارتنزیتی
4. فولاد ضد زنگ دوپلکس
5. فولاد زنگ نزن رسوب سختی

از بین این پنج خانواده، پنج دسته اول بر اساس فازهای متالورژیکی (آستنیت، فریت، مارتنزیت و آستنیت-فریت) مشخص می شوند. در صنعت آهن و فولاد، زمینه BCC فریت و ساختار FCC آستنیت نام دارد. بنابراین موضوع، انواع ورق استیل فریتی و آستنیتی، همانطور که از نامشان هم مشخص است، متشکل از مقادیر زیادی از این فازها می باشند. فولادهای دوپلکس نیز دارای زمینه ای متشکل از دو فاز آستنیت و فریت هستند. پنجمین خانواده -استیل رسوب سختی- از جمله آلیاژهایی هستند که با هدف افزایش استحکام، تحت عملیات پیرسازی قرار می گیرند. البته لازم به ذکر است که این آلیاژ در ساخت مبدل های حرارتی بکار نمی رود. در نتیجه در این مقاله در مورد آن بحث نخواهد شد.

نام گذاری انواع ورق استیل

انواع ورق استیل کارشده بر اساس استاندارد موسسه آهن و فولاد آمریکا یا همان AISI و بر مبنای ترکیب شیمیایی طبقه بندی می شوند. ورق استنلس استیل آستنیتی کروم-نیکل-منگنز در سری 200 و فولادهای ضد زنگ آستنیتی کروم-نیکل در سری 300 و 400 دسته بندی می شوند. انواع استیل رسوب سختی نیز بر اساس محتوای کروم و نیکل دسته بندی شده و در این سری ها جایی ندارند.

مشخصات استاندارد ASTM برای ورق استنلس استیل

اکثر انواع فولادهای ضدزنگ مذکور و برخی از انواع ویژه مانند سوپرفریتی و سوپرآستنیتی در استاندارد ASTM A240 آورده شده است. 

راهنمای انتخاب مواد

هنگام انتخاب مواد مناسب در ساخت مبدل های حرارتی بایستی موارد زیر مدنظر قرار گیرد:

• شرایط حاکم و میزان مقاومت به خوردگی
• استحکام مورد نیاز
• بررسی قیمت مواد اولیه، هزینه نصب و تخمین عمر محصول نهایی
• بررسی دسترسی مواد ساخت از نقطه نظر هزینه، مقرون به صرفه بودن و کارآیی مناسب

از بین همه این ها، موارد مهم در بحث انتخاب بهترین گرید ورق استیل، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام آنها می باشد.

انواع ورق استیل آستنیتی در ساخت مبدل های حرارتی

80 الی 90 درصد آلیاژهای ضدزنگ تحت سلطه انواع آستنیتی قرار دارد. این کلاس متشکل از آلیاژهای سری 200 و 300 می باشد و می توان آنها را با استفاده از کار سرد، سخت نمود. آلیاژهای سری 200 با هدف صرفه جویی در مصرف عنصر گرانقیمت نیکل و با جایگزینی آن به وسیله عنصر منگنز تولید می شوند (به ازای هر یک درصد نیکل، دو درصد منگنز جایگزین می شود). سری 300، آلیاژهای کم کربن و حاوی عناصری چون کروم، نیکل، منگنز و نیتروژن بوده که در اثر سرمایش سریع در دمای اتاق فاز آستنیتی در زمینه شان تشکیل می شود. در استاندارد ASTM محدوده مقدار کروم 15 الی 32 درصد، مقدار نیکل 8 تا 37 درصد و مقدار کربن کمتر از 0.03 می باشد. وجود عناصری چون کروم و نیکل در ترکیب شیمیایی، خواصی چون مقاومت بالا در برابر خوردگی و اکسیداسیون به آلیاژ می بخشد.
گریدهای رایج سری 300 شامل ورق استیل 304، 304L، 316، 316L، 309، 310 و 321 می باشد. استیل 304 آلیاژ پایه ی این سری بوده و حاوی 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل در ترکیب شیمیایی می باشد. از ویژگی های این آلیاژ می توان به استحکام و مقاومت به خوردگی متوسط و چقرمگی عالی اشاره کرد. به منظور بهبود مقاومت در برابر خوردگی حفره ای ناشی از کلر، به این آلیاژ چیزی در حدود 2.5 الی 3.5 درصد مولیبدن اضافه می شود. بدین ترتیب ورق استیل 316 و 317 تولید می شوند. این دو آلیاژ در محیط های حاوی کلر نسبت به استنلس استیل 304 مقاومت بالاتری در برابر خوردگی از خود نشان می دهند.

ویژگی های آلیاژهای آستنیتی

ساختار کریستالی آلیاژهای استیل آستنیتی FCC بوده و غیرمغناطیسی محسوب می شوند. این مواد از دمای صفر تا دمای ذوب تک فاز بوده، داکتیل و کارسخت می باشند و با اِعمال عملیات حرارتی سخت نمی شوند. جوشکاری آن ها آسان است و تردی هیدروژنی و تردی 475 درجه سانتی گراد در آنها ایجاد نمی شود.

بررسی عمیق تر انواع استیل آستنیتی

ورق استیل 8-18 (همان 304) گزینه ای مناسب برای استفاده در آب شیرین و محیط های صنعتی با نرخ خوردگی ملایم برای مدت زمان طولانی (تقریباً 50 سال) می باشد. مقاومت در برابر خوردگی، جوشکاری و استحکام آلیاژهای آستنیتی در کاربردهای صنعتی با تغییر ترکیب شیمیایی آنها به حد قابل قبولی می رسد.
•    همانطور که قبلاً هم اشاره شد، به منظور بهبود مقاومت به خوردگی در محیط های حاوی کلر، ورق استیل 316 و 317 گزینه ای مناسب می باشند.
•    آلیاژ های کم کربنی چون 304L، 316L و 317L نسبت به رسوب کاربید در دمای 425 تا 870 درجه سانتی گراد مقاوم می باشند. در نتیجه ی این کار، مقاومت به خوردگی آلیاژ هنگام جوشکاری کاهش نمی یابد. معمولاً در دمای کمتر از 425 درجه سانتی گراد، استفاده از این آلیاژها منطقی است.
•    به منظور جبران کاهش استحکام آلیاژهای کم کربن، نیتروژن به ترکیب افزوده می شود. نیتروژن اضافی باعث افزایش استحکام در تمام دماها می شود و مقاومت به خوردگی موضعی در محلول های کلردار را افزایش می دهد. در نتیجه، مقاومت به خوردگی حفره ای افزایش یافته و پایداری فاز زمینه بهبود می یابد. افزودن نیتروژن همچنین تاثیر عناصری چون کروم و مولیبدن را بیشتر می کند. محتوای نیتروژن در ترکیب شیمیایی آلیاژ باید چیزی بین 0.1 تا 0.25 درصد در نظر گرفته شود تا از مشکلات ناشی از ایجاد تخلخل در شمش، کارپذیری گرم و رسوب نیتروژن جلوگیری شود.
•    به منظور افزایش مقاومت آلیاژ در برابر خوردگی حفره ای و شیاری، درصد کروم در ترکیب افزایش می یابد.
•    با هدف پایدار کردن زمینه آستنیتی و بهبود مقاومت به خوردگی تنشی و محیط های احیا کننده، درصد نیکل در آلیاژ افزایش می یابد. 
•    افزودن تیتانیوم و نئوبیوم موجب ایجاد کاربیدهای پایدار می شود که از تشکیل کاربیدهای پیچیده کروم جلوگیری می کند و در نتیجه از حساس شدن مناطق جوش یا قطعاتی که عملیات حرارتی شده اند، جلوگیری می کند، همچون ورق استیل 321 که با تیتانیوم و آلیاژ 347 که با نئوبیوم پایدار می شوند.

بکارگیری استنلس استیل در مبدل های حرارتی

انواع ورق استیل آستنیتی با توجه به خواصی چون مقاومت بالا در برابر خوردگی و ویژگی های مکانیکی خوب، در ساخت مبدل حرارتی کاربرد دارند. استفاده از این آلیاژها در محیط های اسیدی، آب های شیرین و شور همواره نتایج موفقی به دنبال داشته است. از طرفی، آلیاژهای فریتی و مارتنزتی با توجه به چقرمگی پایین تر در دمای اتاق، کاربردهای محدودتری دارند. برای استفاده از ورق استیل در ساخت مبدل حرارتی الزاماتی وجود دارد. این موارد عبارتند از: مقاومت بالا در برابر خوردگی سایشی، مقاومت در برابر محلول های بازی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و سولفید شدن، سازگاری با فرآیندهای ساخت، توانایی تمیزکاری رسوبات با روش های شیمیایی و مکانیکی بدون آسیب رسیدن به آن، پایداری خواص فیزیکی و مکانیکی، سازگاری با مایعات فرآیند، چقرمگی در کاربردهای دما پایین و استحکام دما بالا، هدایت گرمایی متوسط و پایداری ابعادی.

ویژگی های مکانیکی آلیاژهای زنگ نزن در کاربردهای دما بالا و دما پایین

کاربرد اولیه فولادهای زنگ نزن آستنیتی به دلیل مقاومت بالایشان در برابر خوردگی بود، این در حالی بود که به خواص مکانیکیِ عالیِ این آلیاژها در گستره ی وسیعی از دما (از دماهای زیر صفر تا دماهای بالا) توجه نمی شد. آلیاژهای آستنیتی برخلاف گریدهای فریتی دچار تغییر فاز نرم به ترد نمی شوند، به طوری که در دماهای پایین هم چقرمگی بالای خود را حفظ می کنند. انواع ورق استیل 304، 304L، 316، 316L و 347 در کاربردهای دما پایین (برودتی) به منظور نگهداری گاز مایع و مخازن انتقال مورد استفاده قرار می گیرند. این آلیاژها در دماهای بالای 600 درجه سانتی گراد، از استحکام خزشی خوبی برخوردارند. در صورت نیاز به استحکام خزشی بیشتر در دماهای بالاتر، افزودن عناصری چون وانادیم، نئوبیوم و تیتانیوم به ترکیب شیمیایی آلیاژ الزامیست. افزودن این عناصر، باعث افزایش استحکام و کاهش چقرمگی در دماهای پایین می شود.

عناصر آلیاژیِ موجود در ترکیب فولادهای ضدزنگ

اهمیت بالای ریزساختار در آلیاژهای فریتی و آستنیتیِ جوش پذیر بر کسی پوشیده نیست. درست است که کروم و نیکل اصلی ترین عناصر آلیاژیِ موجود در ترکیب شیمیایی آلیاژهای آستنیتی هستند، اما از خواص ویژه ی سایر عناصر آلیاژیِ افزودنی نیز نباید غافل شد و تاثیر آن ها بر ریزساختار را باید مدنظر قرار داد. عناصری چون مولیبدن، نئوبیوم و تیتانیوم فریت زا بوده و تشکیل فاز فریت دلتا در زمینه آستنیتی را تقویت می کنند و همچنین باعث ایجاد برخی کاربیدها (از جمله کاربید کروم) می شوند. از طرفی کروم، کربن، نیتروژن، مس، منگنز و کبالت اثری مشابه با نیکل در ایجاد زمینه آستنیتی دارند و به آنها عناصر آستنیت زا گفته می شود.

گریدهای آلیاژی و کاربرد آنها در ساخت مبدل حرارتی

از جمله ی مواد مقاوم و استحکام بالا می توان به آلیاژهایی چون ورق استیل 316، 304، 304L و 347 اشاره کرد. این آلیاژها در ساخت کندانسورها، هیترهای آب و مبدل های حرارتی کاربرد دارند و به شکل گسترده ای در پالایشگاه های نفت، گاز، پتروشیمی، صنایع شیمیایی، تولید کود، صنایع غذایی، خمیر و کاغذ مورد استفاده قرار می گیرند.
ورق استیل 304 یکی از محبوب ترین فولادهای ضدزنگ می باشد و در کاربردهایی که مقاومت به خوردگی و شکل پذیری نیاز است، استفاده می شود. این آلیاژ استحکام بالایی دارد و از قابلیت هایی چون شکل دهی سرد، کشش عمیق و شکل دهی چرخشی برخوردار است. استیل 304 در حالت آنیل غیر مغناطیسی است و به عبارتی تحت عنوان ورق استیل نگیر نیز شناخته می شود. این آلیاژ به شدت در برابر زنگ زدن مقاومت می کند و در برابر انواع مواد غذایی و نوشیدنی، مواد آلی، رنگ ها و انواع مواد شیمیایی ایمن است. استنلس استیل 304 تا دمای 870 درجه سانتی گراد در برابر پوسته شدن مقاوم است. در کاربردهای متناوب، حداکثر دمای سرویس 815 درجه سانتیگراد و در کاربردهای مداوم، این عدد برابر با 898 درجه سانتی گراد می باشد.
ورق استیل 310 پرآلیاژترین آلیاژ آستنیتی است و با محتوای 25 درصد کروم و 20 درصد نیکل، دارای بیشترین مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون در بین تمام فولادهای زنگ نزنِ رایج می باشد.
اضافه شدن مولیبدن به ترکیب شیمیایی ورق استیل 316، باعث افزایش مقاومت آن در برابر خوردگی حفره ای می شود و در نتیجه برای کاربرد در محیط های حاوی کلر ایده آل است. بنابراین، آلیاژهای 316 و 316L از جمله مواد مقاوم برای استفاده در صنایع شیمیایی، خمیر و کاغذ محسوب می شوند. این آلیاژ در برابر سولفات ها، کلرها و سایر نمک ها مقاوم است. ورق استیل 316 در کاربردهایی که به استحکام بالا و مقاومت در برابر حرارت های بالا نیاز است، مورد استفاده قرار می گیرد. مقاومت خزشی این گرید به دلیل محتوای مولیبدن در ترکیب شیمیایی، نسبت به آلیاژ 304 بیشتر است. گرید 316 مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون از خود نشان می دهد و نرخ پوسته شدن آن در اتمسفر عادی و در دماهای بیشتر از 898 درجه سانتی گراد به شکل متوسط و در دمای 851 درجه سانتی گراد به طور متناوب با کاهش مواجه می شود. این فولاد دارای قابلیت جوشکاری خوبی است و پس از فرآیند جوش، نیازی به اعمال عملیات حرارتی بر روی آن نیست.
ورق استیل 321، 347 و 348 نیز با توجه به فقدان کاربید کروم و در نتیجه عدم ایجاد حمله های بین دانه ای تحت عنوان فولادهای ضدزنگ پایدار شده شناخته می شوند.
آلیاژهای استنلس استیل مارتنزیتی نسبت به سایر فولادهای ضدزنگ، مقاومت به خوردگی کمتری دارند. محتوای کروم در این آلیاژها چیزی بین 11 تا 18 درصد و مقدار کربن شان معمولاً کمتر از 0.4 درصد است. حداقل میزان کروم بر طبق مقاومت در برابر خوردگی انتخاب شده و حداکثر میزان آن نیز بر مبنای مقدار لازم برای آستنیته کردن کامل آلیاژ طی عملیات حرارتی مشخص می گردد. ویژگی کلیدی این خانواده، توانایی سخت شدن هنگام عملیات حرارتی می باشد. این خانواده ی آلیاژی به ندرت در ساخت مبدل های حرارتی و محیط های آبی کاربرد دارد. البته لازم به ذکر است که انواع ورق استیل مارتنزیتی ترکیبی خوب از استحکام، چکشخواری، چقرمگی و مقاومت به خوردگی در محیط های ملایم از خود نشان می دهند. مقاومت در برابر خوردگی تنها زمانی در خصوص آلیاژهای مارتنزیتی ایجاد می شود که تماماً سخت و تمپر شده باشند. ورق استیل 410 از جمله ی پرکاربردترین آلیاژهای این خانواده است که در برخی موارد برای ساخت مبدل های حرارتی بکار گرفته می شود.