فولادهای کربنی مورد استفاده در ساخت مبدل حرارتی

تعداد بازدید: 2573
چهارشنبه 03 دي 1393

فولادهای کربنی مورد استفاده در ساخت مبدل حرارتی

برای بررسی فولادهای کربنی مورد استفاده در ساخت مبدل حرارتی (Carbon Steel for Heat Exchanger Construction) ابتدا باید به معرفی انواع آن پرداخت. ترکیب شیمیایی گریدهای مختلف فولاد بسیار متفاوت است و از آهن خالص تا ترکیب پیچیده ای از چندین عنصر تغییر می کند. خواص و کیفیت متفاوت از ترکیب های شیمیایی هر گرید ناشی می شود. برای مناسب ترین انتخاب در هر گرید باید به کاربرد نهایی و روش ساخت نیز توجه داشت. در تمامی مراحل ساخت یک فولاد از ترفند های مختلفی استفاده می شود که بر نوع و کیفیت محصول نهایی موثرند.

در مورد فولاد کربنی هیچ مینیممی برای عناصر آلیاژی مانند کروم، کبالت، نیوبیوم، مولیبدن، نیکل، تیتانیم، تنگستن، وانادیم، زیرکونیم ذکر نشده است. هنگامی که مینیمم در صد مس در فولاد از 0.4 درصد تجاوز نکند و یا ماکزیمم مقدار عناصر آلیاژی آن به شرح زیر باشد: منگنز 1.65، سیلیسیم 0.60، مس 0.60 به آن فولاد کربنی می گویند. فولاد کربنی به حضور همزمان کربن و منگنز برای فرآیند تولید مناسب و بهبود خواص مکانیکی نیاز دارد.

فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا (HSLA) گروهی هستند که ترکیب آن ها انحصارا برای بهبود خواص مکانیکی بهینه شده است. در برخی از فولادهای این گروه مقاومت به خوردگی اتمسفری نسبت به فولادهای کربنی ساختمانی بیشتر است. به این دسته فولاد آلیاژی گفته نمی شود، اگرچه به عمد از عناصر آلیاژی برای بهبود خواص آن ها استفاده شده است. مینیمم نقطه تسلیم برای این آلیاژها 290 تا 550 مگا پاسکال و مینیمم نقطه تسلیم آن ها 415 تا 620 مگا پاسکال است. این فولادها استحکام و چقرمگی بالا و شکل پذیری و جوش پذیری خوبی دارند.

فولاد کربنی مورد استفاده در ساخت مبدل حرارتی

فولادهای کم آلیاژ: این فولادها بر اساس ترکیب شیمیایی به چند دسته تقسیم بندی می شوند: فولاد آلیاژی مولیبدن دار، فولاد آلیاژی منگنز – مولیبدن – نیکل و فولاد آلیاژی کروم – مولیبدن. هر کدام از این دسته بندی ها بر اساس میزان استحکام به چند دسته تقسیم می شوند. فولادها از نظر تجاری زمانی در دسته بندی کم آلیاژ قرار می گیرند که شرایط زیر را داشته باشند:

1- میزان منگنز آن ها بیش تر از 1.65 درصد باشد.

2- مقدار سیلیسیم آن ها بیش تر از 0.6 درصد باشد.

3- میزان مس آن ها بیش از 0.6 درصد باشد.

4- محدوده یا حداقل مقداری از  عناصر آلیاژی مانند نیکل، مولیبدن، وانادیم، کروم و غیره برای ایجاد اثر عنصر آلیاژی به آن ها اضافه شده باشد.

فولادهای آلیاژی می توانند از مجموعه متنوعی از عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی برای بدست آوردن مطلوب ترین ترکیب از خواص، استفاده برند.

بهبود فرآیند های ساخت فولاد

فولاد سازی در طی 25 سال گذشته دستخوش تغییرات زیادی شده است و فولادهای متنوعی با تغییر در خواص محصول نهایی ایجاد شده است. بهبود تکنیک های تصفیه، ذوب القایی در خلا (VIM)، روش های فولاد سازی با گوگرد کم، فرآیند های پالایش مانند دی کربوریزاسیون آرگون - اکسیژن (AOD فرآیندی است که ابتدا در تولید فولاد زنگ نزن و سایر آلیاژهای با گرید بالا حاوی عناصر اکسید شوند مانند کرم و آلومینیم استفاده می شد) و دی کربوریزاسیون با اکسیژن در خلا (VOD)، ذوب مجدد الکترواسلگ، گاززدایی در خلا، ریخته گری تحت فشار، ریخته گری مداوم، نورد کنترل شده و غیره منجر به تولید فولادهای تمیز با کربن معادل کم شده است که استحکام بالا، چوشپذیری مناسب، مقاومت به خوردگی بهبود یافته و  چقرمگی بالایی دارند.

انواع فولاد

در فولادسازی واکنش اصلی، ترکیب شدن کربن و اکسیژن و تشکیل گاز است. اگر اکسیژن از مذاب حذف نشود، این گاز در حین تبدیل فولاد از حالت به مایع به جامد هم چنان تشکیل می شود. از اضافه کردن سیلیسیم و یا آلومینیم برای حذف اکسیژن استفاده می شود. کنترل میزان گازی که در هنگام انجماد تولید می شود نوع فولاد را مشخص می کند. اگر در این مرحله گاز تولید نشود، فولاد کاملا اکسیژن زدایی شده و به آن کشته می گویند زیرا بدون ایجاد صدا در قالب قرار می گیرد. افزایش میزان گاز به ترتیب منجر به ایجاد فولادهای درپوشیده، نیمه کشته و ناآرام می شود.

فولادهای کشته به طور کامل اکسیژن زدایی شده اند و ترکیب شیمایی و خواص مکانیکی یکنواختی نسبت به سایر انواع فولاد دارند. به طور کلی فولاد کشته زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که ساختار یکنواخت و بدون عیب مورد نیاز باشد. ممکن است دانه های این فولاد ریز یا درشت باشد. به طور کلی زمانی که ضخامت ورق بیش از 1.5 اینچ (38 میلی متر) باشد باید از فولاد کشته ساخته شده باشد.

فولادهای نیمه کشته بر اساس درجه یکنواختی ترکیب که حد وسط فولادهای کشته و ناآرام است، شناسایی می شوند.

فولادهای در بسته و ناآرام بر اساس تغییر ترکیب شیمیایی در طول سطح مقطع از ایتدا تا انتهای شمش، شناسایی می شوند. آن ها در ابتدا برای تولید محصولاتی که به سطح خیلی خوب نیاز داشتند به کار می رفتند .

فولادهای کربنی

فولادهای کربنی آلیاژهایی از آهن و کربن هستند که معمولا منگنز آن ها از 1 تا 1.6 درصد بوده و مقدار مس و اکسیژن آن ها از 0.6 درصد فراتر نمی رود. معمولا این فولاد ها حاوی عناصر آلیاژی بیشتری نیستند. خواص و جوشپذیری فولادهای کربنی به درصد کربن آن ها وابسته است. فولاد کربنی می تواند بر حسب روش اکسیژن زدایی به ناآرام، درپوشیده (capped)،نیمه کشته و کشته تقسیم بندی می شود. تغییر در میزان کربن بر خواص مکانیکی اثر می گذارد. فولادهای کربنی معمولا به شکل نورد شده مورد استفاده قرار می گیرند، اما ممکن است گاهی اوقات به صورت آنیل یا نرماله نیز استفاده شوند.

اشکال فولادهای کربنی

فولاد به شکل ورق، تیوب، لوله و فورجینگ و شکل های دیگر تهیه می شود.

فولادهای کربنی برای مخازن تحت فشار:

این فولادها عبارتند از A285، گرید A، B و C؛ A229؛ A442 گرید 55، 60، 65، 70؛ A516، گرید 55، 60، 65، 70؛ A537، گرید 1 و گررید 2 تحت شرایط نرماله و تمپر شده.

استفاده از فولادهای کربنی

فولادهای کربنی به دلیل قیمت پایین، با وجود مقاومت کم در برابر خوردگی به شکل گسترده ای در مبدل های حرارتی، صنایع شیمیایی، نیروگاه های سوخت فسیلی، پالایشگاه های نفت و بسیاری صنایع دیگر، مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر قیمت خواص دیگر فولاد کربنی منجر به استفاده از آن می شود:

1- به راحتی در دسترس است.

2- استفاده از آن در فرآیند ساخت با روش های معمول آسان است.

تیوب های فولاد کربنی برای آب ورودی

در سال های اخیر تولید کنندگان مجبور شده اند تا از تیوب های مس آلیاژی برای گرمکن آب ورودی پر فشار استفاده نکنند. در چرخه های جدید نیروگاهی که دمای آب ورودی بالاست، خوردگی تیوب مسی با آب ورودی اگر چه اندک است اما احتمال انتقال مس به مولد بخار را افزایش داده و ممکن است منجر به انسداد در قسمت توربین شود . گاهی اوقات از فولاد آلیاژی با درصد مولیبدن کم نیز استفاده می شود. عواملی که سبب می شود تا فولاد کربنی بر فولاد آلیاژی با مولیبدن کم ترجیح داده شود عبارتند از: جوشپذیری بهتر، استحکام بالاتر و هزینه کمتر. هدایت حرارتی فولاد کربنی نسبت به آلیاژ مس – نیکل اندکی کمتر است اما این اختلاف در تیوب های جدا نازک با قطر کم که برای آب ورودی پرفشار استفاده می شود عملا ناچیز است. مهمترین ضعف استفاده از تیوب های فولاد کربنی مقاومت اندک آن در برابر خوردگی است. می توان مشکلات ناشی از خوردگی و حفره دار شدن را در این تیوب ها با کنترل فرآیند ساخت، شرایط آب و خاموشی های مناسب به حداقل رساند. این قطعات هنگامی که نیروگاه برای مدت قابل توجهی خاموش است، نیاز به حفاظت در برابر خوردگی دارند.

  تیوب های فولاد کربنی

فولاد کربنی در پالایشگاه

در کاربردهای پالایشگاهی، فولاد کربنی یک ماده قابل قبول برای محصولات خام تا دمای 260 درجه سانتی گراد از نظر مقاومت در برابر حمله هیدروژنی و خوردگی سولفیدی است. در دماهای بالا، نرخ خوردگی افزایش یافته و فولادهای آلیاژی، فریتی یا زنگ نزن ممکن است استفاده شوند.

مقاومت در برابر خوردگی فولاد کربنی

مقاومت در برابر خوردگی فولادهای کربنی تا حدی محدود بوده و به تشکیل لایه اکسیدی روی سطح بستگی دارد. فولاد کربنی نباید در معرض تماس با اسیدهای رقیق قرار گیرد.

فولادهای کربنی در تماس با محلول های آبی، محلول های آمینی، کربنات ها، سیانیدهای اسیدی، هیدروکسیدها، نیترات آمونیوم، آمونیاک و مایعات حاوی گاز زغال سنگ، مستعد خوردگی SCC و ترک های سولفیدی ناشی از استفاده در حوزه های نفتی آلوده به سولفید هیدروژن هستند. محدودیت های دما و غلظت برای استفاده از فولاد کربنی در سود سوزآور در جداول مورد بررسی قرار گرفته اند. در میان تمام مواد فلزی، فولاد کربنی اقتصادی ترین ماده برای حمل و نقل محلوله هایی با ماکزیمم غلظت 50 درصد و ماکزمیمم دمای 88 درجه سانتی گراد است. اگر آلودگی به آهن قابل قبول باشد، می توان از فولاد به عنوان مخزن سود سوزآور تا غلظت 75 درصد و تا دمای 100 درجه سانتی گراد استفاده کرد. تنش زدایی برای کاهش پدیده تردی ناشی از سود باید انجام گیرد.

آب شور و آب دریا به آهستگی منجر به خوردگی فولاد می شود. فولاد معمولا توسط آب با pH خنثی و بسیاری از مواد آلی خورده نمی شود. به طور کلی حضور اکسیژن و یا شرایط اسیدی خوردگی فولاد کربنی را افزایش می دهد در حالی که شرایط قلیایی از خوردگی فولاد کربنی جلوگیری می کند.

خوردگی عمومی در محیط آبی:

فاکتورهای اساسی کنترل خوردگی عمومی در فولادهای کربنی شامل pH محلول، اکسیژن حل شده در محلول، دما، نمک های محلول و محلول است.

اثر pH : محلول های اسیدی (pH های کمتر از 5 (، برای فولاد کربنی خورنده هستند. لایه اکسیدی محافظ در مقادیر pH کمتر از 5 و بالاتر از 13 حل می شود. اما خوردگی در محدوده وسیعی از pH کم است.

تاثیر اکسیژن محلول:

در دمای محیط برای یک محلول با pH تقریبا خنثی، نرخ عمومی خوردگی با غلظت اکسیژن رابطه مستقیم دارد.

اثر دما: دمای بالا با افزایش دادن میزان نفوذ اکسیژن در لایه های کاتدی از اکسید آهن هیدراته منجر به شتاب گرفتن فرآیند خوردگی می شود.

تاثیر نمک های محلول: حضور اسید یا نمک های خنثی ممکن است نرخ خوردگی را افزایش دهد در صورتی که حضور نمک های قلیایی نرخ خوردگی را کاهش می دهد.

اثر سرعت: به طور کلی افزایش سرعت محلول سرعت خوردگی را افزایش می دهد، به خصوص اگر NaCl حضور داشته باشد. برای جلوگیری از برخورد آب با بدنه تجهیزات ماکزیمم سرعت نباید از 2.5 متر در ثانیه یا 8 فوت بر ثانیه تجاوز کند.

فولاد کربنی در محیط های قلیایی رفتار پسیو از خود نشان می دهد و نرخ خوردگی کمی دارد. از این ویژگی در فسفاته کردن استفاده می شود. در زمینه جلوگیری از خوردگی در فولادهای کربنی باید به این موارد توجه داشت: پوشش های فلزی، رنگ زدن، حفاظت کاتدی، افزودن ممانعت کننده ها، افزودن عناصر آلیاژی، حذف اکسیژن از محیط، ممانعت از تشکیل زوج گالوانیک و پوشش های آلی.

فرآیند ساخت با فولاد کربنی

برش ورق ها

ورق های فولاد کربنی با استفاده از جوش بری یا ماشین کاری به ابعاد دلخواه بریده می شود. تمامی لبه ها پس از برش باید برای لایه لایه شدن مورد بررسی قرار گیرد تا اطمینان حاصل شود که لبه های بریده شده ترک نخورده اند. تست نفوذ رنگ و التراسونیک برای لبه هایی که درز جوش را تشکیل می دهند، به خصوص برای ورق های با ضخامت بالا و کاربرد در دمای پایین و در معرض هیدروژن توصیه می شود.

درجه جوش پذیری:

قابلیت جوش پذیری یک فولاد برای بررسی استعداد به ترک با استفاده از CE (کربن معادل) تخمین زده می شود.

ملاحظات جوش پذیری:

در هنگام جوش دادن فولاد کربنی باید عوامل زیر را در نظر داشت:

1- ترک سرد ناشی از هیدروژن

2- ترک ناشی از انجماد

3- لایه لایه شدن

4- محدودیت های سختی در کاربردهای پالایشگاهی و گاز ترش

محدودیت سختی در کاربردهای پالایشگاهی

جلوگیری از ایجاد ترک جوش در حین کار در پالایشگاه از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا فولاد کربنی به طور گسترده در مخازن تحت فشار پالایشگاه مانند مبدل ها، تانک ها و لوله ها مورد استفاده قرار می گیرد. گمان می رود که سه عامل در ایجاد ترک جوش در حین کار دخیل باشند: محیط خورنده، تنش کل و سختی، استاندارد NACE به شماره RP-04-72 یک محدوده سختی برابر با 200 برینل را روی جوش های تمام شده P-I اعلام کرده است.

فرآیند جوشکاری

بسیاری از فولادهای کربنی را می توان با استفاده از الکترود روکش دار و فرآیند مطلوب جوشکاری مانند پیش گرمایش جوش داد. فرآیندهای جوشکاری که برای فولادهای کربنی مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از جوشکاری قوس فلزی (GMAW)، جوشکاری با سیم مغزه پودری (FCAWجوشکاری قوس زیرپودری (SAW)، جوشکاری الکترواسلگ و الکتروگاز و جوشکاری اکسی استیلن (OAW)

جوشکاری قوسی فولاد های کربنی

انتخاب الکترود جوشکاری بر اساس سازگاری بین فلزات پایه و شرایط کاری قطعات جوش تعیین می شود. عامل اصلی در انتخاب الکترود برای فولادهای کربنی عبارت است از

1- خواص مکانیکی

2- ترکیب مواد

3- جریان جوشکاری

4- موقعیت جوش

5- هزینه

باید توجه شود که الکترودها در محیط خشک نگه داری شود.

مینیمم ضخامت فولادهای کم کربن که می تواند با روش قوس تحت گاز محافظ جوش داده شود به مهارت جوشکار، موقعیت جوش، ویژگی های جریان، نوع اتصال، فیت کاری، کلاس و اندازه الکترودها، آمپراژ، طول قوس و سرعت جوشکاری بستگی دارد. فولادی به ضخامت 0.036 اینچ می تواند با موفقیت با الکترودهای تو پودری جوش داده شود.

در ضخامت های بالا، می توان تمام ضخامت های تجاری را با روش SMAW جوش داد.

عیوب جوش

از آنجایی که فو لادهای کربنی به شکل گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، عیوبی که در روش های مختلف جوشکاری قوس ایجاد می شوند در جدول زیر آمده است.

عیوب جوش فولادهای کربنی با روش های مختلف جوشکاری قوس
GMAW ,GTAW SAW FCAW SMAW

GMAW

ترک خوردگی:
ترک فلز جوش
تخلخل
ناخالصی
ذوب ناقص
عدم نفوذ
سوختگی کناره جوش
مذاب میانی بیش از حد
توقف سیم تغذیه

عدم حفاظت کامل

تخلخل جوش

آلودگی فلاکس

پوشش ناکافی فلاکس

فلاکس های به شدت ویسکوز

وزش قوس

به دلیل ولتاژ بالای قوس:
تخلخل
قطره جوش زیاد
سوختگی کناره جوش
ناخالصی سرباره ای
تخلخل
کرم خوردگی
سوختگی کناره جوش
ترک گرم
ترک سرد
ترک مرکزی
ترک زیرپوستی
ترک فلز پایه
ریز ترک ها
حفره جوش
قوس اتفاقی
اکسیداسیون
فاصله ناشی از ذوب ناکافی
تورفتگی یا تقعر
سررفتگی
قطره جوش زیاد
به دلیل جریان زیاد:
گرده جوش محدب
قطره های بزرگ
GTAW
آلودگی الکترود تنگستن
ناخالصی تنگستن

 
ترک خوردگی:
ترک انجماد
ترک هیدروژنی
ترک سهمی
ترک زیرپوستی
به دلیل سرعت حرکت بالا:
مخلوط شدن سرباره
گرده جوش محدب

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

Heat Exchanger Design Handbook 2nd edition, Kuppan Thulukkanam, CRC Press, 2013

صفحه مهندسی مواد و متالورژی

مجله علمی ویکی پی جی

 

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

فولادهای کربنی و مبدل حرارتی
Carbon Steel for Heat Exchanger Construction
فولاد کربنی در ساخت مبدل حرارتی چیست
برچسب ها: مبدلمبدل حرارتیخوردگیفولاد
راه اندازی سایت مشعل شرکت پاکمن
سایت مشعل شرکت پاکمن با هدف بهبود در شیوه ی انتخاب مشعل، راه اندازی شد . جهت کسب ...بیشتر
حضور شرکت پاکمن در نمایشگاه بین‌المللی معدن، ساختمان و صنایع وابسته با حضور 10 هیات تجاری از کشورهای اسلامی
عنوان: نمایشگاه بین‌المللی معدن، ساختمان و صنایع وابسته با حضور 10 هیات تجا ...بیشتر
بیست و یکمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان اصفهان 97
بیست و یکمین نمایشگاه تخصصی ساختمان اصفهان 97   عنوا ...بیشتر
نمایشگاه صنعت ساختمان البرز 97
نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان البرز 97   عنوان: نمایشگ ...بیشتر
اولین نمایشگاه تخصصی سونا و جکوزی قزوین 97
نمایشگاه تخصصی سونا، استخر و جکوزی قزوین 97   عنوان: ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه ساختمان، سیستم های گرمایشی و سرمایشی اراک 97
هفدهمین نمایشگاه تخصصی ساختمان، سیستم های گرمایشی و سرمایشی اراک 97   ...بیشتر
هجدهمین نمایشگاه ساختمان و تاسیسات سرمایشی گرمایشی همدان 97
نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان،آسانسور، درب و پنجره، تجهیزات و تاسیسات سرمایشی و گر ...بیشتر
دوازدهمین نمایشگاه بین المللی ایران پلاست تهران 97
نمایشگاه بین المللی ایران پلاست تهران 97   عنوان: نم ...بیشتر
نمایشگاه ساختمان، درب، پنجره، یراق آلات، لوازم، تجهیزات و ماشین آلات ساختمان سنندج 97
نمایشگاه ساختمان، درب، پنجره، یراق آلات، لوازم، تجهیزات و ماشین آلات ساختمان سنن ...بیشتر
اولین نمایشگاه بین المللی صنعت گاز شهر آفتاب تهران 97
اولین نمایشگاه بین المللی صنعت گاز تهران 97   عنوان: ...بیشتر
شانزدهمین نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان کرمان 97
شانزدهمین نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان کرمان 97   عنو ...بیشتر
راندمان بویلر
شاخص های مؤثر در محاسبات راندمان بویلر، یکی از اساسی ترین ضوابط مؤثر در ارتقا سط ...بیشتر
کتاب موتورخانه بخار شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: موتورخانه بخار/ ق ...بیشتر
مقررات ملّي ساختمان ايران مبحث نوزدهم
دانلود فایل PDF مقررات ملی ساختمان ایران-مبحث نوزدهم-صرفه جویی در مصرف انرژی ...بیشتر
راه اندازی سختی گیر نیمه اتوماتیک رزینی
دستور العمل راه اندازی سختی گیر های نیمه اتوماتیک رزینی سختی گیرهای رزینی از ...بیشتر
جانمایی بویلر در موتورخانه
براي عملکرد مناسب بويلرها و تجهيزات وابسته بايد فضاي کافي را در موتورخانه به آن ...بیشتر
کتاب انتخاب بویلر شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: انتخاب بویلر/ قرب ...بیشتر
مراحل آموزش و نگهداری دیگ های بخار سیار
مقدمه از دیرباز استفاده از تجهیزات مولد بخار در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت ...بیشتر
معرفی کتابچه دیگ آبگرم شرکت پاکمن
راه اندازی آموزش و بهره برداری از   Hot Water Boilers   ...بیشتر
معرفی کتابچه موتور خانه استخر
نام مقاله: کتابچه موتور خانه استخر نام نویسنده: دپارتمان پژوهش شرکت پاکمن ...بیشتر
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار براي استفاده بهينه از بویلر ...بیشتر