الغلايات والمبادلات الحرارية: دليل اختيار الأنابيب غير الملحومة

مقدمة

في الصناعات مثل توليد الطاقة والنفط والغاز والبتروكيماويات ومصافي التكرير، تعد الأنابيب الملحومة مكونات أساسية، وخاصة في المعدات التي يجب أن تتحمل درجات الحرارة الشديدة والضغوط العالية والبيئات القاسية المسببة للتآكل. تستخدم الغلايات والمبادلات الحرارية والمكثفات والمسخنات الفائقة ومسخنات الهواء المسبقة والموفرات هذه الأنابيب. تتطلب كل من هذه التطبيقات خصائص مادية محددة لضمان الأداء والسلامة وطول العمر. يعتمد اختيار الأنابيب الملحومة للغلاية والمبادل الحراري على درجة الحرارة والضغط ومقاومة التآكل والقوة الميكانيكية المحددة.

يقدم هذا الدليل نظرة متعمقة على المواد المختلفة المستخدمة في الأنابيب غير الملحومة، بما في ذلك الفولاذ الكربوني، والفولاذ السبائكي، والفولاذ المقاوم للصدأ، وسبائك التيتانيوم، والسبائك القائمة على النيكل، وسبائك النحاس، وسبائك الزركونيوم. وسوف نستكشف أيضًا المعايير والدرجات ذات الصلة، وبالتالي نساعدك على اتخاذ قرارات أكثر استنارة لمشاريع الغلايات والمبادلات الحرارية الخاصة بك.

نظرة عامة على سبائك CS وAS وSS وسبائك النيكل وسبائك التيتانيوم والزركونيوم والنحاس وسبائك النحاس

1. خصائص مقاومة التآكل

تتمتع كل مادة تستخدم في الأنابيب غير الملحومة بخصائص مقاومة للتآكل محددة تحدد مدى ملاءمتها لبيئات مختلفة.

الصلب الكربوني: مقاومة محدودة للتآكل، تستخدم عادة مع الطلاءات أو البطانات الواقية. معرضة للصدأ في وجود الماء والأكسجين ما لم تتم معالجتها.
خليط معدني: مقاومة معتدلة للأكسدة والتآكل. تعمل الإضافات إلى السبائك مثل الكروم والموليبدينوم على تحسين مقاومة التآكل في درجات الحرارة العالية.
الفولاذ المقاوم للصدأ: مقاومة ممتازة للتآكل العام، والتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي، والتآكل النقطي بسبب محتواه من الكروم. تتمتع الدرجات الأعلى، مثل 316L، بمقاومة محسنة للتآكل الناتج عن الكلوريد.
سبائك أساسها النيكل: مقاومة ممتازة للبيئات العدوانية مثل البيئات الحمضية والقلوية والغنية بالكلوريد. تستخدم التطبيقات شديدة التآكل سبائك مثل Inconel 625 وHastelloy C276 وAlloy 825.
التيتانيوم والزركونيوم: تتمتع بمقاومة فائقة لمحلول ملحي من مياه البحر وغيرها من الوسائط شديدة التآكل. يتمتع التيتانيوم بمقاومة خاصة للكلوريد والبيئات الحمضية، في حين تتفوق سبائك الزركونيوم في الظروف شديدة الحموضة.
النحاس وسبائك النحاس: مقاومة ممتازة للتآكل في المياه العذبة ومياه البحر، حيث تظهر سبائك النحاس والنيكل مقاومة استثنائية في البيئات البحرية.

2. الخصائص الفيزيائية والحرارية

الصلب الكربوني:
الكثافة: 7.85 جم/سم3
نقطة الانصهار: 1,425-1,500 درجة مئوية
الموصلية الحرارية: ~50 واط/م·ك
خليط معدني:
الكثافة: تختلف قليلاً حسب عناصر السبائك، وعادةً ما تكون حوالي 7.85 جم/سم³
نقطة الانصهار: 1,450-1,530 درجة مئوية
الموصلية الحرارية: أقل من الفولاذ الكربوني بسبب عناصر السبائك.
الفولاذ المقاوم للصدأ:
الكثافة: 7.75-8.0 جم/سم3
نقطة الانصهار: ~1,400-1,530 درجة مئوية
الموصلية الحرارية: ~16 واط/متر·كلفن (أقل من الفولاذ الكربوني).
سبائك أساسها النيكل:
الكثافة: 8.4-8.9 جم/سم3 (حسب السبائك)
نقطة الانصهار: 1,300-1,400 درجة مئوية
الموصلية الحرارية: منخفضة عادةً، ~10-16 واط/متر·كلفن.
التيتانيوم:
الكثافة: 4.51 جم/سم3
نقطة الانصهار: 1,668 درجة مئوية
الموصلية الحرارية: ~22 واط/متر·كلفن (منخفضة نسبيًا).
نحاس:
الكثافة: 8.94 جم/سم3
نقطة الانصهار: 1,084 درجة مئوية
الموصلية الحرارية: ~390 واط/متر·ك (موصلية حرارية ممتازة).

3. التركيب الكيميائي

الصلب الكربوني: يتكون بشكل أساسي من الحديد مع 0.3%-1.2% الكربون وكميات صغيرة من المنغنيز والسيليكون والكبريت.
خليط معدني: يحتوي على عناصر مثل الكروم والموليبدينوم والفاناديوم والتنجستن لتحسين القوة ومقاومة درجات الحرارة.
الفولاذ المقاوم للصدأ: يحتوي عادة على 10.5%-30% من الكروم، إلى جانب النيكل والموليبدينوم وعناصر أخرى حسب الدرجة.
سبائك أساسها النيكل: يتكون بشكل أساسي من النيكل (40%-70%) مع الكروم والموليبدينوم وعناصر السبائك الأخرى لتعزيز مقاومة التآكل.
التيتانيوم: الدرجة 1 و 2 هي عبارة عن التيتانيوم النقي تجاريا، في حين أن الدرجة 5 (Ti-6Al-4V) تشمل الألومنيوم 6% والفاناديوم 4%.
سبائك النحاس: تحتوي سبائك النحاس على عناصر مختلفة مثل النيكل (10%-30%) لمقاومة التآكل (على سبيل المثال، Cu-Ni 90/10).

4. الخصائص الميكانيكية

الصلب الكربوني: قوة الشد: 400-500 ميجا باسكال، قوة الخضوع: 250-350 ميجا باسكال، الاستطالة: 15%-25%
خليط معدني: قوة الشد: 500-900 ميجا باسكال، قوة الخضوع: 300-700 ميجا باسكال، الاستطالة: 10%-25%
الفولاذ المقاوم للصدأ: قوة الشد: 485-690 ميجا باسكال (304/316)، قوة الخضوع: 170-300 ميجا باسكال، الاستطالة: 35%-40%
سبائك أساسها النيكل: قوة الشد: 550-1000 ميجا باسكال (Inconel 625)، قوة الخضوع: 300-600 ميجا باسكال، الاستطالة: 25%-50%
التيتانيوم: قوة الشد: 240-900 ميجا باسكال (تختلف حسب الدرجة)، قوة الخضوع: 170-880 ميجا باسكال، الاستطالة: 15%-30%
سبائك النحاس: قوة الشد: 200-500 ميجا باسكال (تعتمد على السبائك)، قوة الخضوع: 100-300 ميجا باسكال، الاستطالة: 20%-35%

5. المعالجة الحرارية (حالة التسليم)

الكربون والفولاذ السبائكي: يتم تسليمها في حالة مُحَمَّضة أو طبيعية. تشمل المعالجات الحرارية التبريد والتصلب لتحسين القوة والصلابة.
الفولاذ المقاوم للصدأ: يتم تسليمها في حالة ملدّنة لإزالة الضغوط الداخلية وتحسين اللدونة.
سبائك أساسها النيكل: محلول مملوء بالملح لتحسين الخواص الميكانيكية ومقاومة التآكل.
التيتانيوم والزركونيوم: يتم تسليمها عادة في حالة مُلدَّنة لتحقيق أقصى قدر من اللدونة والصلابة.
سبائك النحاس: يتم تسليمها في حالة ملدّنة ناعمة، خاصة لتطبيقات التشكيل.

6. التشكيل

الكربون والفولاذ السبائكي: يمكن تشكيلها ساخنًا أو باردًا، لكن الفولاذ السبائكي يتطلب جهدًا أكبر بسبب قوته العالية.
الفولاذ المقاوم للصدأ: يعد التشكيل البارد أمرًا شائعًا، على الرغم من أن معدلات التصلب بالعمل أعلى من الفولاذ الكربوني.
سبائك أساسها النيكل: أكثر تحديًا في التشكيل بسبب ارتفاع معدلات القوة والتصلب أثناء العمل؛ وغالبًا ما يتطلب العمل الساخن.
التيتانيوم: يتم إجراء التشكيل بشكل أفضل في درجات حرارة مرتفعة بسبب قوته العالية في درجة حرارة الغرفة.
سبائك النحاس: سهلة التشكيل بسبب قابليتها للسحب الجيدة.

7. اللحام

الكربون والفولاذ السبائكي: من السهل عمومًا اللحام باستخدام التقنيات التقليدية، ولكن قد تكون هناك حاجة إلى التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT).
الفولاذ المقاوم للصدأ: تشمل طرق اللحام الشائعة اللحام باستخدام TIG وMIG واللحام بالقوس الكهربائي. من الضروري التحكم الدقيق في مدخلات الحرارة لتجنب التحسس.
سبائك أساسها النيكل: صعب اللحام بسبب التمدد الحراري العالي والقابلية للتشقق.
التيتانيوم: يتم اللحام في بيئة محمية (غاز خامل) لتجنب التلوث. هناك حاجة إلى اتخاذ الاحتياطات اللازمة بسبب تفاعل التيتانيوم في درجات الحرارة المرتفعة.
سبائك النحاس: من السهل اللحام، وخاصة سبائك النحاس والنيكل، ولكن قد يكون التسخين المسبق ضروريًا لمنع التشقق.

8. تآكل اللحامات

الفولاذ المقاوم للصدأ: يمكن أن تعاني من التآكل الموضعي (على سبيل المثال، التآكل الحفري، تآكل الشقوق) في منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة إذا لم يتم التحكم فيها بشكل صحيح.
سبائك أساسها النيكل: عرضة للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي عند تعرضها للكلوريدات في درجات حرارة عالية.
التيتانيوم: يجب حماية اللحامات من الأكسجين بشكل صحيح لتجنب هشاشة اللحامات.

9. إزالة الترسبات الكلسية والتخليل والتنظيف

الكربون والفولاذ السبائكي: تعمل عملية التخليل على إزالة الأكاسيد السطحية بعد المعالجة الحرارية. وتشمل الأحماض الشائعة حمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك.
الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النيكل: يتم استخدام التخليل باستخدام حمض النيتريك/الهيدروفلوريك لإزالة الصبغة الحرارية واستعادة مقاومة التآكل بعد اللحام.
التيتانيوم: يتم استخدام محاليل التخليل الحمضية الخفيفة لتنظيف السطح وإزالة الأكاسيد دون إتلاف المعدن.
سبائك النحاس: يتم استخدام التنظيف الحمضي لإزالة الشوائب والأكاسيد السطحية.

10. عملية السطح (AP، BA، MP، EP، إلخ.)

AP (مُلَطَّف ومخلل): تشطيب قياسي لمعظم سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ والنيكل بعد التلدين والتخليل.
BA (التلدين اللامع): يتم تحقيق ذلك عن طريق التلدين في جو خاضع للرقابة لإنتاج سطح أملس وعاكس.
MP (مصقول ميكانيكيًا): يعمل التلميع الميكانيكي على تحسين نعومة السطح، مما يقلل من خطر التلوث وبدء التآكل.
EP (مصقول كهربائيًا): عملية كهروكيميائية تزيل المواد السطحية لإنشاء طبقة نهائية فائقة النعومة، مما يقلل من خشونة السطح ويحسن مقاومة التآكل.

أولا: فهم الأنابيب غير الملحومة

تختلف الأنابيب غير الملحومة عن الأنابيب الملحومة في أنها لا تحتوي على خط لحام، والذي يمكن أن يكون نقطة ضعف في بعض التطبيقات ذات الضغط العالي. يتم تشكيل الأنابيب غير الملحومة في البداية من كتلة صلبة، والتي يتم تسخينها بعد ذلك، ثم يتم بثقها أو سحبها فوق عمود لتشكيل شكل الأنبوب. يمنحها غياب الخط اللحامي قوة وموثوقية فائقتين، مما يجعلها مثالية للبيئات ذات الضغط العالي ودرجات الحرارة العالية.

التطبيقات الشائعة:

الغلايات: تعتبر الأنابيب الخالية من اللحامات ضرورية في بناء غلايات أنابيب المياه وأنابيب النار، حيث توجد درجات حرارة وضغوط عالية.
المبادلات الحرارية: تُستخدم الأنابيب الملحومة في المبادلات الحرارية لنقل الحرارة بين سائلين، ويجب أن تقاوم التآكل وتحافظ على الكفاءة الحرارية.
المكثفات: تساعد الأنابيب الخالية من اللحامات على تكثيف البخار وتحويله إلى ماء في أنظمة توليد الطاقة والتبريد.
السخانات الفائقة: يتم استخدام الأنابيب غير الملحومة لتسخين البخار في الغلايات، مما يعزز كفاءة التوربينات في محطات الطاقة.
سخانات الهواء: تنقل هذه الأنابيب الحرارة من غازات المداخن إلى الهواء، مما يحسن كفاءة الغلاية.
الاقتصاديون: تستخدم الأنابيب الخالية من اللحامات في الموفرات الطاقة لتسخين مياه التغذية باستخدام الحرارة المهدرة من عادم الغلاية، مما يعزز الكفاءة الحرارية.

الغلايات والمبادلات الحرارية والمكثفات والمسخنات الفائقة ومسخنات الهواء المسبقة والموفرات هي مكونات أساسية في العديد من الصناعات، وخاصة تلك التي تشارك في نقل الحرارة وإنتاج الطاقة وإدارة السوائل. على وجه التحديد، تجد هذه المكونات استخدامًا أساسيًا في الصناعات التالية:

1. صناعة توليد الطاقة

الغلايات: تستخدم في محطات الطاقة لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية، وغالبًا لتوليد البخار.
أجهزة تسخين الهواء الفائقة والموفرات وسخانات الهواء المسبقة: تعمل هذه المكونات على تحسين الكفاءة عن طريق تسخين هواء الاحتراق مسبقًا، واستعادة الحرارة من غازات العادم، وتسخين البخار بشكل أكبر.
المبادلات الحرارية والمكثفات: تستخدم للتبريد واستعادة الحرارة في محطات الطاقة الحرارية، وخاصة في التوربينات التي تعمل بالبخار ودورات التبريد.

2. صناعة النفط والغاز

المبادلات الحرارية: ضرورية في عمليات التكرير، حيث يتم نقل الحرارة بين السوائل، كما هو الحال في تقطير النفط الخام أو في المنصات البحرية لمعالجة الغاز.
الغلايات والموفرات: توجد في المصافي ومصانع البتروكيماويات لتوليد البخار واستعادة الطاقة.
المكثفات: تستخدم لتكثيف الغازات إلى سوائل أثناء عمليات التقطير.

3. الصناعة الكيميائية

المبادلات الحرارية: تستخدم على نطاق واسع لتسخين أو تبريد التفاعلات الكيميائية، واستعادة الحرارة من التفاعلات الطاردة للحرارة.
الغلايات والمسخنات الفائقة: تستخدم لإنتاج البخار اللازم للعمليات الكيميائية المختلفة، وتوفير الطاقة لخطوات التقطير والتفاعل.
أجهزة تسخين الهواء وتوفيره: تحسين الكفاءة في العمليات الكيميائية كثيفة الطاقة من خلال استعادة الحرارة من غازات العادم وتقليل استهلاك الوقود.

4. الصناعة البحرية

الغلايات والمبادلات الحرارية: ضرورية في السفن البحرية لتوليد البخار وأنظمة التدفئة والتبريد. غالبًا ما تُستخدم المبادلات الحرارية البحرية لتبريد محركات السفن وتوليد الطاقة.
المكثفات: تستخدم لتحويل بخار العادم إلى ماء لإعادة استخدامه في أنظمة الغلايات في السفينة.

5. صناعة الأغذية والمشروبات

المبادلات الحرارية: تستخدم عادة في عمليات البسترة والتعقيم والتبخير.
الغلايات والموفرات: تستخدم لإنتاج البخار لعمليات معالجة الأغذية واستعادة الحرارة من العادم لتوفير استهلاك الوقود.

6. التدفئة والتهوية وتكييف الهواء

المبادلات الحرارية ومسخنات الهواء: تستخدم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء لنقل الحرارة بكفاءة بين السوائل أو الغازات، وتوفير التدفئة أو التبريد للمباني والمرافق الصناعية.
المكثفات: تستخدم في أنظمة تكييف الهواء لطرد الحرارة من المبرد.

7. صناعة اللب والورق

الغلايات والمبادلات الحرارية والموفرات: توفر استعادة البخار والحرارة في عمليات مثل صناعة اللب وتجفيف الورق والاستعادة الكيميائية.
أجهزة تسخين الهواء الفائق وأجهزة تسخين الهواء المسبق: تعمل على تعزيز كفاءة الطاقة في غلايات الاسترداد والتوازن الحراري العام لمصانع الورق.

8. صناعة المعادن والصلب

المبادلات الحرارية: تستخدم لتبريد الغازات والسوائل الساخنة في إنتاج الصلب والعمليات المعدنية.
الغلايات والموفرات: توفر الحرارة لمختلف العمليات مثل تشغيل فرن الصهر والمعالجة الحرارية والدرفلة.

9. صناعة الأدوية

المبادلات الحرارية: تستخدم للتحكم في درجة الحرارة أثناء إنتاج الأدوية وعمليات التخمير والبيئات المعقمة.
الغلايات: توليد البخار اللازم لتعقيم وتسخين المعدات الصيدلانية.

10. محطات تحويل النفايات إلى طاقة

الغلايات والمكثفات والموفرات: تستخدم لتحويل النفايات إلى طاقة من خلال الاحتراق، مع استعادة الحرارة لتحسين الكفاءة.

الآن، دعونا نتعمق في المواد التي تجعل الأنابيب غير الملحومة مناسبة لهذه التطبيقات الصعبة.

II. أنابيب الفولاذ الكربوني للغلايات والمبادلات الحرارية

يُعد الفولاذ الكربوني أحد أكثر المواد استخدامًا على نطاق واسع في صناعة الأنابيب الملحومة في التطبيقات الصناعية، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى قوته الممتازة، فضلاً عن إمكانية تحمل تكاليفه وتوافره على نطاق واسع. توفر أنابيب الفولاذ الكربوني مقاومة معتدلة للحرارة والضغط، مما يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات.

خصائص الفولاذ الكربوني:
قوة عالية: يمكن لأنابيب الفولاذ الكربوني أن تتحمل الضغط والإجهاد الكبيرين، مما يجعلها مثالية للاستخدام في الغلايات والمبادلات الحرارية.
فعّال من حيث التكلفة: مقارنة بالمواد الأخرى، يعتبر الفولاذ الكربوني غير مكلف نسبيًا، مما يجعله خيارًا شائعًا في التطبيقات الصناعية واسعة النطاق.
مقاومة معتدلة للتآكل: في حين أن الفولاذ الكربوني ليس مقاومًا للتآكل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، إلا أنه يمكن معالجته بالطلاءات أو البطانات لتحسين عمره في البيئات المسببة للتآكل.

المعايير والدرجات الرئيسية:

أستم A179:تغطي هذه المواصفة الأنابيب الفولاذية منخفضة الكربون المسحوبة على البارد والمستخدمة في تطبيقات المبادلات الحرارية والمكثفات. تتمتع هذه الأنابيب بخصائص نقل حرارة ممتازة وتستخدم عادة في التطبيقات ذات درجات الحرارة والضغط المنخفضة إلى المتوسطة.
أستم A192:أنابيب الغلايات المصنوعة من الفولاذ الكربوني بدون لحامات والمصممة للخدمة تحت الضغط العالي. تُستخدم هذه الأنابيب في توليد البخار وغيرها من البيئات ذات الضغط العالي.
أستم A210:يغطي هذا المعيار الأنابيب الفولاذية متوسطة الكربون غير الملحومة لتطبيقات الغلايات والسخانات الفائقة. توفر الدرجات A-1 وC مستويات متفاوتة من القوة ومقاومة درجات الحرارة.
معايير ASTM A334 (الدرجات 1 و3 و6): أنابيب فولاذية كربونية ملحومة وغير ملحومة مصممة للخدمة في درجات حرارة منخفضة. تُستخدم هذه الدرجات في المبادلات الحرارية والمكثفات وغيرها من التطبيقات في درجات الحرارة المنخفضة.
EN 10216-2 (P235GH، P265GH TC1/TC2): المعيار الأوروبي لأنابيب الصلب غير الملحومة المستخدمة في تطبيقات الضغط، وخاصة في الغلايات والخدمة ذات درجات الحرارة العالية.

تُعد أنابيب الفولاذ الكربوني خيارًا ممتازًا لتطبيقات الغلايات والمبادلات الحرارية حيث تكون هناك حاجة إلى قوة عالية ومقاومة معتدلة للتآكل. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات التي لا تنطوي فقط على درجات حرارة عالية للغاية ولكن أيضًا على بيئات تآكلية قاسية، غالبًا ما تكون أنابيب السبائك أو الفولاذ المقاوم للصدأ مفضلة بسبب مقاومتها ومتانتها الفائقة.

ثالثا. أنابيب الفولاذ السبائكي للغلايات والمبادلات الحرارية

تم تصميم أنابيب الفولاذ السبائكي لتطبيقات الغلايات والمبادلات الحرارية عالية الضغط ودرجة الحرارة. يتم خلط هذه الأنابيب بعناصر مثل الكروم والموليبدينوم والفاناديوم لتعزيز قوتها وصلابتها ومقاومتها للتآكل والحرارة. تُستخدم أنابيب الفولاذ السبائكي على نطاق واسع في التطبيقات الحرجة، مثل سخانات المياه الفائقة والموفرات والمبادلات الحرارية عالية الحرارة، نظرًا لقوتها الاستثنائية ومقاومتها للحرارة والضغط.

خصائص الفولاذ السبائكي:
مقاومة الحرارة العالية: تعمل عناصر السبائك مثل الكروم والموليبدينوم على تحسين أداء هذه الأنابيب في درجات الحرارة العالية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
مقاومة محسنة للتآكل: توفر أنابيب الفولاذ السبائكي مقاومة أفضل للأكسدة والتآكل مقارنة بالفولاذ الكربوني، وخاصة في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.
قوة معززة: تعمل عناصر السبائك أيضًا على زيادة قوة هذه الأنابيب، مما يسمح لها بتحمل الضغوط العالية في الغلايات وغيرها من المعدات الحيوية.

المعايير والدرجات الرئيسية:

معايير ASTM A213 (الدرجات T5، T9، T11، T22، T91، T92): تغطي هذه المواصفة أنابيب الفولاذ السبائكي الفريتية والأوستنيتية غير الملحومة للاستخدام في الغلايات، ومسخنات الحرارة الفائقة، والمبادلات الحرارية. تختلف الدرجات في تركيب السبائك الخاصة بها ويتم اختيارها بناءً على متطلبات درجة الحرارة والضغط المحددة.
T5 وT9: مناسب للخدمة في درجات الحرارة المتوسطة إلى العالية.
T11 وT22: يستخدمان بشكل شائع في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، حيث يوفران مقاومة محسنة للحرارة.
T91 وT92: سبائك متطورة عالية القوة مصممة للخدمة في درجات الحرارة العالية للغاية في محطات الطاقة.
EN 10216-2 (16Mo3، 13CrMo4-5، 10CrMo9-10، 15NiCuMoNb5-6-4، X20CrMoV11-1): المعايير الأوروبية لأنابيب الفولاذ السبائكي الملحومة المستخدمة في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. تُستخدم هذه الأنابيب عادةً في الغلايات، ومسخنات الحرارة الفائقة، وموفرات الطاقة في محطات الطاقة.
16Mo3: فولاذ سبائكي ذو خصائص جيدة في درجات الحرارة المرتفعة، مناسب للاستخدام في الغلايات وأوعية الضغط.
13CrMo4-5 و10CrMo9-10: سبائك الكروم والموليبدينوم التي توفر مقاومة ممتازة للحرارة والتآكل للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

تعتبر أنابيب الفولاذ السبائكي الخيار الأمثل للبيئات ذات درجات الحرارة العالية والضغط العالي حيث قد لا يوفر الفولاذ الكربوني أداءً كافياً للغلاية والمبادل الحراري.

رابعا - أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ للغلايات والمبادلات الحرارية

تتميز أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ بمقاومة استثنائية للتآكل، مما يجعلها مثالية لتطبيقات الغلايات والمبادلات الحرارية التي تنطوي على سوائل تآكلية ودرجات حرارة عالية وبيئات قاسية. تُستخدم على نطاق واسع في المبادلات الحرارية والمسخنات الفائقة والغلايات، حيث تكون مقاومة التآكل مطلوبة أيضًا في درجات الحرارة العالية للحصول على الأداء الأمثل.

خصائص الفولاذ المقاوم للصدأ:
مقاومة التآكل: تأتي مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل من محتواه من الكروم، والذي يشكل طبقة أكسيد واقية على السطح.
قوة عالية في درجات الحرارة المرتفعة: يحافظ الفولاذ المقاوم للصدأ على خصائصه الميكانيكية حتى في درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعله مناسبًا لأجهزة التسخين الفائقة وغيرها من التطبيقات التي تتطلب حرارة عالية.
متانة طويلة الأمد: تضمن مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل والأكسدة عمر خدمة طويل، حتى في البيئات القاسية.

المعايير والدرجات الرئيسية:

معايير ASTM A213 / معايير ASTM A249:تغطي هذه المعايير الأنابيب الفولاذية المقاومة للصدأ الملحومة وغير الملحومة للاستخدام في الغلايات وأجهزة التسخين الفائقة والمبادلات الحرارية. تشمل الدرجات الشائعة ما يلي:
TP304 / TP304L (EN 1.4301 / 1.4307): تُستخدم درجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي على نطاق واسع لمقاومتها للتآكل وقوتها.
TP310S / TP310MoLN (EN 1.4845 / 1.4466): درجات من الفولاذ المقاوم للصدأ ذات درجات الحرارة العالية مع مقاومة ممتازة للأكسدة.
TP316 / TP316L (EN 1.4401 / 1.4404): درجات تحتوي على الموليبدينوم مع مقاومة متزايدة للتآكل، وخاصة في بيئات الكلوريد.
TP321 (EN 1.4541): درجة مستقرة من الفولاذ المقاوم للصدأ تستخدم في البيئات ذات درجات الحرارة العالية لمنع التآكل بين الحبيبات.
TP347H / TP347HFG (EN 1.4550 / 1.4961): درجات مستقرة عالية الكربون للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية مثل أجهزة التسخين الفائقة والغلايات.
UNS N08904 (904L) (EN 1.4539): فولاذ مقاوم للصدأ فائق الأوستنيتي يتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل، وخاصة في البيئات الحمضية.
معايير ASTM A269:يغطي أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الملحومة وغير الملحومة للحصول على خدمة مقاومة للتآكل بشكل عام.
ASTM A789:معيار لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوجة، يوفر مزيجًا من مقاومة التآكل الممتازة والقوة العالية.
UNS S31803، S32205، S32750، S32760: درجات الفولاذ المقاوم للصدأ دوبلكس وفائق دوبلكس، توفر مقاومة فائقة للتآكل، وخاصة في البيئات التي تحتوي على الكلوريد.
EN 10216-5:المعيار الأوروبي الذي يغطي أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ بدون اللحامات، بما في ذلك الدرجات التالية:
1.4301 / 1.4307 (TP304 / TP304L)
1.4401 / 1.4404 (TP316 / TP316L)
1.4845 (TP310S)
1.4466 (TP310MoLN)
1.4539 (UNS N08904 / 904L)

تعتبر أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ متعددة الاستخدامات للغاية وتُستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك المبادلات الحرارية والغلايات وأجهزة التسخين الفائقة، حيث لا تكون مقاومة التآكل والقوة في درجات الحرارة العالية مطلوبة فحسب، بل إنها ضرورية أيضًا للأداء الأمثل.

V. سبائك النيكل المستخدمة في الغلايات والمبادلات الحرارية

تعد السبائك القائمة على النيكل من أكثر المواد المتاحة مقاومة للتآكل، وتُستخدم عادةً في تطبيقات الغلايات والمبادلات الحرارية التي تنطوي على درجات حرارة شديدة وبيئات تآكلية وظروف ضغط عالية. توفر سبائك النيكل مقاومة ممتازة للأكسدة والكبريتيد والتكرير، مما يجعلها مثالية للمبادلات الحرارية والغلايات وأجهزة التسخين الفائقة في البيئات القاسية.

خصائص السبائك المعتمدة على النيكل:
مقاومة استثنائية للتآكل: تتمتع سبائك النيكل بمقاومة التآكل في البيئات الحمضية والقلوية والكلوريدية.
الاستقرار في درجات الحرارة العالية: تحافظ سبائك النيكل على قوتها ومقاومتها للتآكل حتى في درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
مقاومة الأكسدة والكبريتيد: تتمتع سبائك النيكل بمقاومة للأكسدة والكبريتيد، والتي يمكن أن تحدث في البيئات ذات درجات الحرارة العالية التي تتضمن مركبات تحتوي على الكبريت.

المعايير والدرجات الرئيسية:

معايير ASTM B163 / معايير ASTM B407 / معايير ASTM B444:تغطي هذه المعايير السبائك القائمة على النيكل المستخدمة في الأنابيب غير الملحومة في الغلايات والمبادلات الحرارية وأجهزة التسخين الفائقة. تشمل الدرجات الشائعة ما يلي:
Inconel 600 / 601: مقاومة ممتازة للأكسدة والتآكل الناتج عن درجات الحرارة العالية، مما يجعل هذه السبائك مثالية للسخانات الفائقة والمبادلات الحرارية عالية الحرارة.
Inconel 625: يوفر مقاومة فائقة لمجموعة واسعة من البيئات المسببة للتآكل، بما في ذلك البيئات الحمضية والغنية بالكلوريد.
Incoloy 800 / 800H / 800HT: يستخدم في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية بسبب مقاومته الممتازة للأكسدة والتكرير.
Hastelloy C276 / C22: تشتهر سبائك النيكل والموليبدينوم والكروم هذه بمقاومتها المتميزة للتآكل في البيئات شديدة التآكل، بما في ذلك الوسائط الحمضية والمحتوية على الكلوريد.
معايير ASTM B423:يغطي الأنابيب غير الملحومة المصنوعة من سبائك النيكل والحديد والكروم والموليبدينوم مثل السبائك 825، والتي توفر مقاومة ممتازة للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي والتآكل العام في بيئات مختلفة.
EN 10216-5: المعيار الأوروبي للسبائك القائمة على النيكل المستخدمة في الأنابيب غير الملحومة للتطبيقات عالية الحرارة والتآكل، بما في ذلك الدرجات مثل:
2.4816 (إنكونيل 600)
2.4851 (إنكونيل 601)
2.4856 (إنكونيل 625)
2.4858 (سبيكة 825)

غالبًا ما يتم اختيار السبائك القائمة على النيكل للتطبيقات الحرجة حيث تكون مقاومة التآكل والأداء في درجات الحرارة العالية ضرورية، مثل محطات الطاقة والمعالجة الكيميائية ومصافي النفط والغاز والغلايات والمبادلات الحرارية.

6. سبائك التيتانيوم والزركونيوم للغلايات والمبادلات الحرارية

توفر سبائك التيتانيوم والزركونيوم مزيجًا فريدًا من القوة ومقاومة التآكل وخصائص خفيفة الوزن، مما يجعلها مثالية لتطبيقات محددة في المبادلات الحرارية والمكثفات والغلايات.

خصائص سبائك التيتانيوم:
نسبة عالية من القوة إلى الوزن: التيتانيوم قوي مثل الفولاذ ولكنه أخف وزناً بشكل كبير، مما يجعله مناسباً للتطبيقات الحساسة للوزن.
مقاومة ممتازة للتآكل: تتمتع سبائك التيتانيوم بمقاومة عالية للتآكل في مياه البحر والبيئات الحمضية والوسائط المحتوية على الكلوريد.
مقاومة جيدة للحرارة: تحافظ سبائك التيتانيوم على خصائصها الميكانيكية في درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها مناسبة لأنابيب المبادل الحراري في محطات الطاقة والمعالجة الكيميائية.
خصائص سبائك الزركونيوم:
مقاومة ممتازة للتآكل: تتمتع سبائك الزركونيوم بمقاومة عالية للتآكل في البيئات الحمضية، بما في ذلك حمض الكبريتيك وحمض النيتريك وحمض الهيدروكلوريك.
الاستقرار في درجات الحرارة العالية: تحافظ سبائك الزركونيوم على قوتها ومقاومتها للتآكل في درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها مثالية لتطبيقات المبادلات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية.

المعايير والدرجات الرئيسية:

معايير ASTM B338:تغطي هذه المواصفة الأنابيب المصنوعة من سبائك التيتانيوم الملحومة وغير الملحومة للاستخدام في المبادلات الحرارية والمكثفات. تشمل الدرجات الشائعة ما يلي:
الصف 1 / الصف 2: درجات التيتانيوم النقية تجارياً ذات مقاومة ممتازة للتآكل.
الدرجة 5 (Ti-6Al-4V): سبيكة تيتانيوم ذات قوة معززة وأداء عالي في درجات الحرارة العالية.
معايير ASTM B523:يغطي أنابيب سبيكة الزركونيوم الملحومة وغير الملحومة للاستخدام في المبادلات الحرارية والمكثفات. تشمل الدرجات الشائعة ما يلي:
الزركونيوم 702: سبيكة زركونيوم نقية تجارياً تتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل.
الزركونيوم 705: درجة من الزركونيوم المخلوط مع خصائص ميكانيكية محسنة واستقرار في درجات الحرارة العالية.

تُستخدم سبائك التيتانيوم والزركونيوم بشكل شائع في البيئات شديدة التآكل مثل محطات تحلية مياه البحر وصناعات المعالجة الكيميائية ومحطات الطاقة النووية والغلايات والمبادلات الحرارية بسبب مقاومتها الفائقة للتآكل وخصائصها خفيفة الوزن.

7. النحاس وسبائك النحاس المستخدمة في الغلايات والمبادلات الحرارية

يتم استخدام النحاس وسبائكه، بما في ذلك النحاس الأصفر والبرونز والنحاس والنيكل، على نطاق واسع في المبادلات الحرارية والمكثفات والغلايات بسبب التوصيل الحراري الممتاز ومقاومته للتآكل.

خصائص سبائك النحاس:
موصلية حرارية ممتازة: تشتهر سبائك النحاس بموصليتها الحرارية العالية، مما يجعلها مثالية للمبادلات الحرارية والمكثفات.
مقاومة التآكل: تتمتع سبائك النحاس بمقاومتها للتآكل في الماء، بما في ذلك مياه البحر، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات البحرية وتحلية المياه.
الخصائص المضادة للميكروبات: تتمتع سبائك النحاس بخصائص طبيعية مضادة للميكروبات، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في الرعاية الصحية ومعالجة المياه.

المعايير والدرجات الرئيسية:

معايير ASTM B111:تغطي هذه المواصفة الأنابيب النحاسية وأنابيب سبائك النحاس غير الملحومة للاستخدام في المبادلات الحرارية والمكثفات والمبخرات. تشمل الدرجات الشائعة ما يلي:
C44300 (نحاس الأميرالية): سبيكة من النحاس والزنك ذات مقاومة جيدة للتآكل، وخاصة في تطبيقات مياه البحر.
C70600 (نحاس - نيكل 90/10): سبيكة نحاس - نيكل تتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل في مياه البحر والبيئات البحرية.
C71500 (نحاس - نيكل 70/30): سبيكة أخرى من النحاس - النيكل ذات محتوى نيكل أعلى لتعزيز مقاومة التآكل.

يتم استخدام النحاس وسبائك النحاس على نطاق واسع في تطبيقات الغلايات البحرية والمبادلات الحرارية ومحطات الطاقة وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء بسبب الموصلية الحرارية الممتازة ومقاومتها للتآكل بمياه البحر.

بالإضافة إلى الغلاية والمبادل الحراري، فإن المكثفات، والسخانات الفائقة، وسخانات الهواء الأولية، والموفرات هي أيضًا مكونات حيوية تعمل على تحسين كفاءة الطاقة بشكل كبير. على سبيل المثال، يعمل المكثف على تبريد غازات العادم من كل من الغلاية والمبادل الحراري، بينما يعمل السخان الفائق، من ناحية أخرى، على زيادة درجة حرارة البخار لتحسين الأداء. وفي الوقت نفسه، يستخدم سخان الهواء الأولي غازات العادم لتسخين الهواء الوارد، وبالتالي تعزيز الكفاءة الإجمالية لنظام الغلاية والمبادل الحراري. أخيرًا، تلعب الموفرات دورًا حاسمًا من خلال استعادة الحرارة المهدرة من غازات المداخن لتسخين المياه مسبقًا، مما يقلل في النهاية من استهلاك الطاقة ويعزز كفاءة كل من الغلاية والمبادل الحراري.

ثامناً: الخاتمة: اختيار المواد المناسبة للغلاية والمبادل الحراري

تشكل الأنابيب غير الملحومة جزءًا لا يتجزأ من أداء الغلايات والمبادلات الحرارية والمكثفات وأجهزة التسخين الفائق وأجهزة التسخين المسبق للهواء والموفرات في الصناعات مثل توليد الطاقة والنفط والغاز والمعالجة الكيميائية. يعتمد اختيار المواد للأنابيب غير الملحومة على متطلبات التطبيق المحددة، بما في ذلك درجة الحرارة والضغط ومقاومة التآكل والقوة الميكانيكية.

الفولاذ الكربوني تقدم القدرة على تحمل التكاليف والقوة لتطبيقات درجات الحرارة والضغط المعتدلة.
سبائك الصلب يوفر أداءً وقوة فائقة في درجات الحرارة العالية في الغلايات وأجهزة السخان الفائق.
الفولاذ المقاوم للصدأ يوفر مقاومة ممتازة للتآكل والمتانة في المبادلات الحرارية وأجهزة تسخين الحرارة الفائقة.
سبائك أساسها النيكل هي الخيار الأفضل للبيئات شديدة التآكل ودرجات الحرارة العالية.
سبائك التيتانيوم والزركونيوم مثالية للتطبيقات خفيفة الوزن والقابلة للتآكل بدرجة عالية.
النحاس وسبائك النحاس يتم تفضيلها لتوصيلها الحراري ومقاومتها للتآكل في المبادلات الحرارية والمكثفات.

تلعب أنظمة الغلايات والمبادلات الحرارية دورًا حاسمًا في العديد من الصناعات من خلال نقل الحرارة بكفاءة من وسط إلى آخر. تعمل الغلايات والمبادلات الحرارية معًا لتوليد الحرارة ونقلها، مما يوفر الحرارة الأساسية لإنتاج البخار في محطات الطاقة وعمليات التصنيع.

من خلال فهم خصائص وتطبيقات هذه المواد، يمكن للمهندسين والمصممين اتخاذ قرارات مستنيرة، مما يضمن التشغيل الآمن والفعال لمعداتهم. عند اختيار المواد للغلاية والمبادل الحراري، من الأهمية بمكان مراعاة المتطلبات المحددة لتطبيقك. بالإضافة إلى ذلك، يجب عليك استشارة المعايير ذات الصلة لضمان التوافق والأداء الأمثل.