فولادهای زنگ نزن دوپلکس برای مبدل های حرارتی

فولادهای زنگ نزن دوپلکس برای مبدل های حرارتی

تعداد بازدید: 1916
چهارشنبه 03 دي 1393

فولادهای زنگ نزن دوپلکس برای مبدل های حرارتی

فولادهای زنگ نزن دوپلکس برای مبدل حرارتی (Duplex stainless steels for Heat Exchangers) همانطور که از نامشان برمی آید ریز ساختاری مخلوط از فریت و آستنیت به نسبت تقریبی 50/50 دارند. مقاومت به خوردگی آلیاژهای دوپلکس نخست به ترکیب آن ها بستگی دارد به خصوص به مقدار کروم، مولیبدن و نیتروژن. برای این فولادها، مقدار کروم می تواند از 22 تا 27 درصد و مولیبدن از 2 تا 4 درصد بسته به خوردگی مورد نظر تغییر کند. بسیاری از گریدهای فولادهای زنگ نزن دوپلکس با عددی شناخته شده اند که نشان دهنده مقدار کروم و نیکل آن هاست. به عنوان مثال گرید 2205، 22 درصد کروم و 5 درصد نیکل دارد. این اسامی ترکیب محور، توسط بسیاری از سازندگان استفاده می شوند و اخیرا به ASTM A240 اضافه شده اند. انواع جدیدتر فولادهای زنگ نزن دوپلکس شامل آلیاژ  2205 یا Code Plus Two، 44LN یا فرالیوم 255(S32550)،7 Mo-PLUS (UNS S32950)، Atlas 948 و 253 ME می شود. از میان تمامی این فولادها، فرالیوم 225 تنها فولاد زنگ نزن دوپلکس مناسب برای آب دریاست. فولاد 7Mo-PLUS به شکل موفقیت آمیزی در کندانسورهای خنک کننده برای تولید اسید نیتریک مورد استفاده قرار می گیرد. فولادهای دوپلکس امروزه به دلیل استحکام بالاتر و مقاومت بیشتر به خوردگی شیاری نسبت به فولادهای زنگ نزن آستنیتی، مورد استفاده قرار می گیرند.

ترکیب فولادهای زنگ نزن دوپلکس

فولادهای زنگ نزن دوپلکس مقدار بالایی کروم (22 تا 27 درصد) و مولیبدن (2 تا 4 درصد) دارند. ترکیب این فولادها به دقت کنترل می شود تا تعادل مناسب بین آستنیت و فریت برقرار شود. مقدار بالای کروم، مقاومت به اکسیداسیون بالا را ایجاد می کند. مقدار نیکل از 4 تا 7 درصد تغییر می کند. به دلیل مقدار کمتر نیکل، قیمت فولاد های دوپلکس کمتر است. افزودن 0.15 تا 0.25 درصد نیتروژن استحکام و چقرمگی  را افزایش داده و مقاومت در برابر خوردگی تنشی و حفره دار شدن را افزایش می دهد. درصد کربن این آلیاژها کم است. ترکیب برخی از فولادهای دوپلکس زنگ نزن در جدول زیر نمایش داده شده است.

ترکیب اسمی برخی از فولادهای زنگ نزن سوپر/دوپلکس
عدد UNS آلیاژ ماکزیمم مقدار کربن کروم نیکل مولیبدن نیتروژن سایر عناصر آلیاژ
S31803 2205™ 0.03 21–23 4.5–6.5 2.5–3.5 0.15 0.7Mn (2 max.)
S32520 UR52N+™ 0.03 24–26 5.5–8.0 3–5 0.2–0.35 1.5Mn
S32550 Ferralium 255™ 0.03 24–27 4.5–6.5 2.9–3.9 0.20 2Cu, 1.5Mn
S32760 Zeron 100™ 0.03 25 7.5 3.5 0.23 -
S32950 7-Mo plus™ 0.03 26–29 3.5–5.2 1.0–2.5 0.20 2Mn
S32750 2507™ 0.03 24–26 6–8 3–5 0.28 1.2Mn, 0.50Cu

 

مقاومت به خوردگی آلیاژهای منتخب در جدول زیر نمایش داده شده است.

عدد مقاومت به حفره دار شدن در آلیاژهای دوپلکس
    ترکیبات لازم برای محاسبه PREN  
نامگذاری UNS آلیاژ Cr Mo N2 PREN
S31803 2205™ 22 3.0 0.15 33.7
S32520 UR52N+™ 25 4 0.28 41.68
S32550 Ferralium 255™ 25 3.5 0.20 39.7
S32900 7 Mo™ 25     25
S32950 7-Mo plus™ 27.5 1.8 0.20 34.64
S32750 2507™ 25 4.0 0.28 42.84
S32760 Zeron 100™ 25 3.5 0.23 40.23

ویژگی ها فولاد زنگ نزن دوپلکس

- مغناطیسی هستند.

- شامل هر دو فاز آستنیت و فریت هستند.

- استحکام بالایی دارند.

- حتی در دمای 315 درجه سانتی گراد در معرض تردی 475 درجه سانتی گراد قرار می گیرند.

- در معرض خوردگی هیدروژنی قرار می گیرند.

- در معرض انتقال نرمی به تردی قرار می گیرند.

مقایسه با فولادهای زنگ نزن فریتی و آستنیتی

به دلیل اینکه فولادهای زنگ نزن به طور تقریبا مساوی از فازهای آستنیت و فریت تشکیل شده اند، خواص فیزیکی آن ها در محدوده مابین خواص فولادهای زنگ نزن فریتی و آستنیتی قرار می گیرد. ویژگی های برجسته این فولاد نسبت به فولادهای زنگ نزن آستنیتی و فریتی به شرح زیر است:

1- فولادهای دوپلکس استحکام و چقرمگی بیشتر، مقاومت خوب به خوردگی و مقاومت بیشتر نسبت به خوردگی تنشی را نسبت به فولادهای آستنیتی داشته و اغلب قیمت نسبتا پایینی هم دارند.

2- فولادهای دوپلکس نسبت به فولادهای آستنیتی تنش تسلیم بیشتری داشته و به دلیل سبک تر بودن نسبت به فولاد زنگ نزن آستنیتی استفاده از آن ها از نظر اقتصادی به صرفه تر است.  اما فولادهای دوپلکس برای کاربردهای برودتی مناسب نیستند.

3- در دماهای بالا، تغییراتی در بالانس فازها رخ می دهد و استفاده از این فولادها در دمای بالا توصیه نمی شود.

4- مقدار زیاد فاز فریت در فولادهای دوپلکس باعث می شود تا رفتار مغناطیسی داشته باشند.

5- به دلیل جدایش فازهای فریت و آستنیت، آلیاژ های دوپلکس مقاومت به خوردگی شیاری و حفره دار شدن متفاوتی را از خود نشان می دهند.

6- فولادهای دوپلکس نسبت به گرید های فریتی چقرمگی بیشتری دارند. در مقایسه با فولادهای زنگ نزن فریتی دمای انتقال نرمی به تردی در آلیاژ دوپلکس تدریجی تر بوده و در دماهای کمتر از دمای محیط رخ می دهد. بنابراین اجازه ساخت ورق های ضخیم و تولید صفحه لوله گیر را می دهد.

7- هدایت حرارتی این فولادها کمتر از نصف هدایت حرارتی فولاد است اما 25 درصد بیشتر از فولاد زنگ نزن آستنیتی است.

8- ضریب انبساط حرارتی 40 درصد کمتر از فولاد زنگ نزن آستنیتی است اما با مقدار ضریب انبساط حرارتی فولاد کربنی برابر است.

مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ نزن دوپلکس

اگر چه مقدار نیکل این فولادها 4 تا 7.5 درصد است بوده و از مقدار نیکل فولادهای زنگ نزن آستنیتی کمتر است، مقاومت به خوردگی تنشی آن ها بهتر از آن چیزی است که از درصد نیکل آن ها استنباط می شود. فولادهای زنگ نزن دوپلکس دو مزیت مهم بر تیپ های 304 و 316 دارند که عبارتند از:

1- مقاومت خوب به خوردگی تنشی کلریدی

2- خواص مکانیکی بالاتر به همراه شکل پذیری خوب

به دلیل اینکه فولادهای دوپلکس استحکام تسلیم بیشتر از فولادهای آستنیتی است، مقاومت به خوردگی شیاری می تواند با ریزساختار 50/50 به ماکزیمم مقدار خود برسد. به دلیل اینکه نیکل عاملی برای ایجاد مقاومت به خوردگی در محیط های کاهنده است، فولادهای دوپلکس مقاومت کمتری را در این محیط ها نسبت به فولادهای آستنیتی نشان می دهند. درصد کروم و مولیبدن بالای فولادهای زنگ نزن دوپلکس به ویژه در تامین مقاومت به محیط های اکسیدکننده مهم هستند و مسئول مقاومت به خوردگی شیاری و حفره دار شدن به خصوص در محیط های کلریدی هستند. عدد PREN با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود.

PREN=%Cr+3.3(%Mo)+16(%N)

برخی آلیاژها حاوی تنگستن هستند که مقاومت در برابر حفره دار شدن فولادهای دوپلکس را افزایش می دهد. برای این آلیاژها، مقاومت به حفره دار شدن با PREw نمایش داده می شود:

PREW=%Cr+3.3%Mo+1.65W+16%N

عدد PREN و PREw معمولا برای دسته بندی کردن خانواده ای که آلیاژ به آن تعلق دارد، استفاده می شود. در کل، موادی که عدد مقاومت به حفره دار شدن آن ها برابر با 30 است مانند آلیاژ دوپلکس 2205 در دسته دوپلکس های استاندارد قرار می گیرند و فولادهایی که عدد PRE آن ها برابر با 40 یا بیشتر است به عنوان آلیاژهای سوپردوپلکس شناخته می شوند.

فولادهای دوپلکس با مقدار کربن کم  (کمتر از 0.03%) تولید می شوند و بنابراین خوردگی بین دانه ای که به دلیل حساس شدن فلز جوش در نتیجه رسوب کاربیدها ایجاد می شود، مشکل مهمی ایجاد نمی کند. ترک ناشی از هیدروژن زمانی رخ می دهد که فریت از 55 FN فرارتر رود. (درصد فاز فریت بیشتر از 55 درصد باشد.)

آزمایشات خوردگی شامل تست CPT براساس ASTM G-48A و ASTM A262-C (تست هیویی) برای IGC، ASTM G30 و G36 برای SCC می شود.

کاربردهای فولادهای زنگ نزن دوپلکس

آلیاژهای دوپلکس مقاومت عالی به اکسیداسیون، اسیدهای کاهنده، اسید سولفوریک با غلظت کمتر از 25 درصد، مخلوط اسیدها و مواد آلی، آب دریا، نفت خام ترش، چاه های گاز و محلول های قلیایی دارند. فولادهای دوپلکس به طور موفقیت آمیزی در مخازن و مبدل های حرارتی محتوی کلریدهای خورنده به کار گرفته شده اند، در کاربردهایی مانند پالایشگاه های نفت و گاز، کارخانجات پالپ و کاغذ، مبدل های حرارتی پالایشگاه نفت، مبدل های حرارتی فرآیندهای شیمیایی، تانک ها، مخازن تحت فشار، لوله های بویلر، پیش گرمکن دایجستور، اواپراتورها و غیره به کار گرفته شده اند.

جوشکاری فولادهای زنگ نزن فریتی

روش های جوشکاری که برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی استفاده می شود را می توان در جوشکار این فولادها به کار برد به جز استفاده از گاز محافظ آرگون خالص در هنگام جوشکاری زیرا به این وسیله از اضافع شدن سریم جلوگیری می شود.فرآیندهای جوشکاری که باید می توان مورد استفاده قرار داد عبارتند از:  GTAW، GMAW، PAW، SMAW و SAW.

- جوشپذیری

هدف از جوشکاری در فولادهای زنگ نزن دوپلکس بدست آوردن فلز جوش و منطقه HAZ با مقاومت به خوردگی، چقرمگی یکسان و بدون حضور مواد بین فلزی است. نکته جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوپلکس از تشکیل مقدار بیش از حد فریت جلوگیری می کند. مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی می تواند زمانی در اتصالات جوش بدست آید که ساختار 50/50 فریتی - آستنیتی در فلز جوش و منطقه HAZ حاصل شود. معمولا در هنگام جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوپلکس مشکلات زیر به وجود می آید:

- افزایش فاز فریت و در نتیجه کاهش چقرمگی

- ترک خوردگی در اثر ذوب انتخابی

- رشد دانه در منطقه HAZ

- کاهش مقاومت به خوردگی به دلیل فاز سیگما و رسوب کربونیترات ها

- رسوب نیترات کروم که منجر به کاهش مقاومت به خوردگی می شود.

- گرمایش به مدت طولانی در محدوده دمای 350 تا 550 درجه سانتی گراد که می تواند تردی تمپر در دمای 475 دریجه سانتی گراد را به وجود آورد و در نتیجه کاربرد آن ها به دماهای زیر 300 درجه سانتی گراد محدود شده است.

 

برای غلبه بر این مشکلات باید اقدامات زیر انجام داد:

- استفاده از فلز پر کننده با مقدار نیکل بیشتر که تضمین می کند مقدار PRE کمتر از 40 نباشد.

- کنترل حرارت ورودی

- کنترل دمای بین پاس ها (باید به 200 درجه سانتی گراد محدود شود.)

 

- بالانس فازهای آستنیت و فریت

بالانس فازها می توان تنها زمانی ایجاد شود که نرخ سرمایش به اندازه کافی آهسته باشد تا به آستنیت اجازه تشکیل مجدد را با سرمایش جوش بدهد. اگر این نرخ خیلی آهسته باشد، فازهای ترد امکان ظهور می یابند؛ از طرف دیگر، اگر سرعت بسیار بالا باشد، ترکیبات بین فلزی می توانند تشکیل شوند. جوشکاری خودکار فاز فریت را در قطعه جوش و نواحی مجاور فلز پایه افزایش می دهد. عملیات آنیل بعدی تمایل به ایجاد تعادل بین فازها در فلز پایه دارد.

- جوشپذیری

هدف از جوشکاری در فولادهای زنگ نزن دوپلکس بدست آوردن فلز جوش و منطقه HAZ با مقاومت به خوردگی، چقرمگی یکسان و بدون حضور مواد بین فلزی است. نکته جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوپلکس از تشکیل مقدار بیش از حد فریت جلوگیری می کند. مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی می تواند زمانی در اتصالات جوش بدست آید که ساختار 50/50 فریتی - آستنیتی در فلز جوش و منطقه HAZ حاصل شود. معمولا در هنگام جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوپلکس مشکلات زیر به وجود می آید:

- افزایش فاز فریت و در نتیجه کاهش چقرمگی

- ترک خوردگی در اثر ذوب انتخابی

- رشد دانه در منطقه HAZ

- کاهش مقاومت به خوردگی به دلیل فاز سیگما و رسوب کربونیترات ها

- رسوب نیترات کروم که منجر به کاهش مقاومت به خوردگی می شود.

- گرمایش به مدت طولانی در محدوده دمای 350 تا 550 درجه سانتی گراد که می تواند تردی تمپر در دمای 475 دریجه سانتی گراد را به وجود آورد و در نتیجه کاربرد آن ها به دماهای زیر 300 درجه سانتی گراد محدود شده است.

برای غلبه بر این مشکلات باید اقدامات زیر انجام داد:

- استفاده از فلز پر کننده با مقدار نیکل بیشتر که تضمین می کند مقدار PRE کمتر از 40 نباشد.

- کنترل حرارت ورودی

- کنترل دمای بین پاس ها (باید به 200 درجه سانتی گراد محدود شود.)

 

- بالانس فازهای آستنیت و فریت

بالانس فازها می توان تنها زمانی ایجاد شود که نرخ سرمایش به اندازه کافی آهسته باشد تا به آستنیت اجازه تشکیل مجدد را با سرمایش جوش بدهد. اگر این نرخ خیلی آهسته باشد، فازهای ترد امکان ظهور می یابند؛ از طرف دیگر، اگر سرعت بسیار بالا باشد، ترکیبات بین فلزی می توانند تشکیل شوند. جوشکاری خودکار فاز فریت را در قطعه جوش و نواحی مجاور فلز پایه افزایش می دهد. عملیات آنیل بعدی تمایل به ایجاد تعادل بین فازها در فلز پایه دارد.

 

- حرارت ورودی

افزایش حرارت ورودی جوشکاری، پیش گرمایش و دماهای بین پاس ها منجر به جوش های درشت دانه شده و تمایل به رسوب افزایش می یابد. حرارت جوشکاری باید مقدار فریت را محدود کند. البته باید توجه داشت که حرارت ورودی بسیار کم نیز فریت بسیار زیادی تولید می کند و پیشنهاد می شود که ورودی حرارت باید بیشتر از 1.5 kJ/mm باشد.

 

- ترک ناشی از ذوب انتخابی

فولادهای زنگ نزن دوفازی به ترک ناشی از ذوب انتخابی در منطقه HAZ حساس هستند زیرا لایه های نازکی از S و P نقاط ذوب پایین در طول مرزدانه ها ایجاد می شود و این اثر با وجود تنش های باقی مانده کاهش می یابد.

 

- رسوب فاز ثانویه

فولادهای دوپلکس به رسوب فاز سیگما در حضور عناصر آلیاژی فریت ساز، حساس هستند. فلز پایه با کربن کم، تعادل فازهای فریت و آستنیت و مقدار کافی نیتروژن، سرعت تشکیل آستنیت را در هنگام سرمایش افزایش داده و از ایجاد فاز ثانویه سیگما جلوگیری می کند.

 

- رسوب نیترید کروم

به دلیل افزایش مقدار نیتروژن که برای تقویت آستنیت مورد استفاده قرار می گیرد، نیتریدهای کروم (Cr2N) معمولا در مرزدانه های اتصال جوش به همراه فاز سیگما استفاده می شوند. این پدیده منجر به رسوب آستنیت ثانویه در ناحیه اطراف ماده به دلیل کاهش عناصر فریت ساز می شود. آستنیت ثانویه سبب می شود تا کاهش موضعی مقاومت به خوردگی به دلیل مقدار کم کروم در این ناحیه رخ دهد.  

 

-مواد مصرفی جوشکاری

هنگامی که مواد مصرفی مناسب با ماده اصلی مورد استفاده قرار گیرند، ساختار نهایی فلز جوش ممکن است آستنیت کم و فریت زیادی داشته باشد و منجر به کاهش چقرمگی شود، اگرچه نرخ سرمایش کم در نظر گرفته شده باشد. تعادل فازی مطلوب با استفاده از مواد مصرفی با 2 الی 3 درصد نیکل بیشتر بدست می آید.

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

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

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

فولادهای زنگ نزن دوفازی برای مبدل های حرارتی
فولادهای زنگ نزن آستنیتی - فریتی برای مبدل های حرارتی
فولادهای زنگ نزن آستنیتی فریتی برای مبدل های حرارتی
Duplex stainless steels for Heat Exchangers
برچسب ها: زنگ نزنمبدل حرارتیفولاد زنگ نزنخوردگیفولاد
سمينار آموزشی مزايای استفاده از تجهيزات گرمايشی نوين
عنوان : سمينار آموزشی مزايای استفاده از تجهيزات گرمايشی نوين شرکت پاکمن شه ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه بین المللی تجهیزات و تاسیسات سرمایشی و گرمایشی اصفهان -آبان 97
عنوان:هفدهمین نمایشگاه بین المللی تجهیزات و تاسیسات سرمایشی و گرمایشی شهر: ...بیشتر
گزارش اولین روز برگذاری هفدهمین نمایشگاه بین المللی تاسیسات ساختمان و سیستم های سرمایشی و گرمایشی تهران 97
هفدهمین  نمایشگاه بین المللی تاسیسات ساختمان و سیستم های سرمایشی و گرمایشی ...بیشتر
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
عنوان: نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان،آسانسور، درب و پنجره، تجهیزات و تاسیسات سرمای ...بیشتر
دوازدهمین نمایشگاه بین المللی ایران پلاست تهران 97
نمایشگاه بین المللی ایران پلاست تهران 97   عنوان: نم ...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