فولادهای کربنی آلیاژ مقاوم در ساخت مبدل حرارتی

•  فولادهای کربنی در ساخت مبدل حرارتی

ترکیب های شیمیایی متفاوتی درگریدهای مختلف فولاد و آهن خالص مورد استفاده قرار می‎گیرد. خواص و کیفیت متفاوت از ترکیب های شیمیایی ناشی از تفاوت در هر گرید می‎باشد. به منظور انتخاب مناسب ترین ترکیب شیمیایی، در هر گرید باید به کاربرد نهایی و روش ساخت نیز توجه نمود. در تمامی مراحل ساخت یک فولاد تکنیک های مختلفی استفاده می‎شود که بر نوع و کیفیت محصول نهایی تاثیرگذار می‎باشد.

در رابطه با ترکیب شیمایی فولاد کربنی هیچ مینیممی برای عناصر آلیاژی از قبیل مولیبدن، کروم، کبالت، نیوبیوم، نیکل، تیتانیم، تنگستن، وانادیم، زیرکونیم ذکر نشده است. هر گاه مینیمم درصد مس در فولاد از 0.4 درصد بیشتر نشود و یا ماکزیمم مقدار عناصر آلیاژی آن بدین صورت باشد: سیلیسیم 0.60، منگنز 1.65، مس 0.60 به آن فولاد کربنی گفته می‎شود. فولاد کربنی نیازمند وجود کربن و منگنز بطور همزمان جهت فرآیند تولید مناسب و بهبود خواص مکانیکی می‎باشد.

فولادهای کم آلیاژ با مقاومت و استحکام بالا (HSLA) گروهی هستند که ترکیب آن ها انحصارا به منظور افزایش خواص مکانیکی بهینه شده است. برخی از فولادهای این گروه در مقابل خوردگی اتمسفری نسبت به فولادهای کربنی ساختمانی مقاومت بیشتری دارند. مینیمم نقطه تسلیم برای این نوع آلیاژها 290 تا 550 مگا پاسکال و مینیمم نقطه تسلیم آن ها بین 415 تا 620 مگا پاسکال می‎باشد. این فولادها از شکل پذیری و جوش پذیری و استحکام و چقرمگی بالا برخوردار هستند.

•  کاربرد فولادهای کربنی آلیاژ مقاوم در ساخت مبدل حرارتی

فولادهای کم آلیاژ مطابق با ترکیب شیمیایی به چندین دسته تقسیم بندی می‎شوند که عبارتند از: فولاد آلیاژی مولیبدن دار، فولاد آلیاژی منگنز، مولیبدن، نیکل، فولاد آلیاژی کروم و مولیبدن. هر کدام از این دسته بندی ها بر اساس میزان مقاومت استحکام دسته بندی می‎شوند. فولادهای آلیاژی می‎توانند از مجموعه متنوعی عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی برای بدست آوردن مطلوب ترین ترکیب از خواص را به کار ببرند. فولادها از نظر تجاری زمانی در دسته بندی کم آلیاژ قرار می‎گیرند که از شرایط زیر برخوردار باشند:

1. میزان مس آن ها بیشتر از 0.6 % باشد.
2. میزان منگنز آن ها بیشتر از 1.65 % باشد.
3. مقدار سیلیسیم آن ها بیش تر از 0.6 % باشد.
4. محدوده یا حداقل مقداری از  عناصر آلیاژی از قبیل ، مولیبدن، وانادیم، نیکل، کروم و ...  جهت ایجاد اثر عنصر آلیاژی به آن ها اضافه شده باشد.

• بهبود فرآیندهای ساخت فولادهای کربنی آلیاژ مقاوم

فولادسازی در طی 25 سال گذشته توسعه زیادی کرده بطوری که فولادهای متنوعی با تغییر در خواص محصول نهایی به وجود آمده است. بهبود روش های فولاد سازی با گوگرد کم، ذوب القایی در خلا (VIM)، تکنیک های تصفیه، فرآیندهای پالایش از قبیل دی کربوریزاسیون آرگون - اکسیژن (AOD فرآیندی است که ابتدا در تولید فولاد زنگ نزن و دیگر آلیاژهای با گرید بالا حاوی عناصر اکسید شونده مانند کرم و آلومینیم مورد استفاده قرار می‎گرفت و دی کربوریزاسیون با اکسیژن در خلا (VOD)، ذوب مجدد الکترواسلگ، ریخته گری مداوم، نورد کنترل شده، گاززدایی در خلا، ریخته گری تحت فشار و ... برای تولید فولادهای تمیز با کربن معادل کم استفاده می‎شد چرا که استحکام بالا، مقاومت به خوردگی بهبود یافته، چوش‎پذیری مناسب و چقرمگی بالایی دارند.

• انواع فولادهای

در فولادسازی واکنش اصلی، ترکیب شدن کربن و اکسیژن و تشکیل گاز می‎باشد. چنانچه اکسیژن از مذاب حذف نگردد، این گاز در حین تبدیل فولاد از حالت به مایع به جامد، ایجاد می‎شود. برای حذف اکسیژن سیلیسیم و یا آلومینیم اضافه می‎شود. کنترل میزان گازی که در هنگام انجماد تولید می‎شود، نوع فولاد را تعیین می‎نماید. در صورتی که در این مرحله گاز تولید نگردد، فولاد اکسیژن زدایی می‎شود که به این حالت «کشته» گفته می‎شود زیرا بدون ایجاد صدا در قالب قرار می‎گیرد. افزایش میزان گاز به ترتیب موجب ایجاد فولادهای درپوشیده، نیمه کشته و ناآرام می‎شود.

فولادهای کشته بطور کامل اکسیژن زدایی شده اند و ترکیب شیمایی و خواص مکانیکی یکنواختی نسبت به سایر انواع فولاد دارند. بطور کلی فولاد کشته زمانی استفاده می‎شود که ساختار یکنواخت و بدون عیب مورد نیاز باشد. ممکن است دانه های این فولاد ریز یا درشت باشد. زمانی که ضخامت ورق بیش از 38 میلیمتر باشد، باید از فولاد کشته استفاده کرد.

فولادهای نیمه کشته مطابق با درجه یکنواختی ترکیب که حد وسط فولادهای کشته و ناآرام می‎باشد و فولادهای در بسته و ناآرام بر اساس تغییر ترکیب شیمیایی در طول سطح مقطع از ایتدا تا انتهای شمش، مشخص می‎شوند. آن ها در ابتدا برای تولید محصولاتی که به سطح خیلی خوب نیاز داشتند، مورد استفاده قرار می‎گرفتند.

• فولادهای کربنی آلیاژ مقاوم

فولادهای کربنی آلیاژ مقاوم متشکل از آهن و کربن می‎باشند که عموما منگنز آن ها از 1 تا 1.6 درصد بوده و مقدار مس و اکسیژن آن ها از 0.6 درصد بیشتر نمی شود. خواص و جوش‏پذیری این فولاد ها به درصد کربن آن ها بستگی دارد. فولاد کربنی می‎تواند بر حسب روش اکسیژن زدایی به ناآرام، درپوشیده (capped)، نیمه کشته و کشته تقسیم شود. تغییر در میزان کربن بر خواص مکانیکی تاثیرگذار می‎باشد. فولادهای کربنی معمولا به شکل نورد شده کاربرد دارند اما گاهی نیز بصورت آنیل یا نرماله مورد استفاده قرار می‎گیرند.

•  اشکال فولادهای کربنی

فولاد بشکل تیوب، ورق، لوله و فورجینگ و شکل های دیگر تهیه می‎شود. فولادهای کربنی برای مخازن تحت فشار عبارتند از A285، 60، 65، 70؛ A516، گرید 55، 60، 65، 70؛ A537، گرید 1 و گررید 2 تحت شرایط نرماله و تمپر شده. این نوع  فولادها 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، کاربرد دارند. همچنین خواص دیگر فولاد کربنی منجر به استفاده گسترده از آنها شده است. از جمله این خواص می‎توان به دسترسی آسان و  استفاده از آن ها در فرآیند ساخت با روش های معمول آسان، اشاره نمود.

• تیوب های فولاد کربنی برای آب ورودی

تولید کنندگان و صنعتگران در سال‎های اخیر مجبور شده اند تا از استفاده تیوب های مس آلیاژی جهت گرمکن آب ورودی پر فشار خودداری نمایند. در چرخه های جدید نیروگاهی که دمای آب ورودی بالاست، خوردگی تیوب مسی با آب ورودی اندک می‎باشد اما احتمال انتقال مس به مولد بخار را بالا رفته که ممکن است منجر به انسداد در قسمت توربین گردد. گاهی نیز  فولاد آلیاژی با درصد مولیبدن کم استفاده می‎شود. عواملی که موجب شده تا فولاد کربنی بر فولاد آلیاژی با مولیبدن کم رجحان داده شود عبارتند از: استحکام بالاتر، جوش‏پذیری بهتر و هزینه مقرون به صرفه.

 هدایت حرارتی فولادهای کربنی آلیاژ مقاوم نسبت به آلیاژ مس ـ نیکل کمتر است اما این اختلاف در تیوب های جدا نازک با قطر کم که برای آب ورودی پرفشار مورد استفاده قرار می‎گیرند، عملا ناچیز است. مهمترین ضعف استفاده از تیوب های فولاد کربنی مقاومت پایین آن ها در مقابل خوردگی می‎باشد. البته مشکلات ناشی از خوردگی و حفره دار شدن این تیوب ها را می‎توان با کنترل فرآیند ساخت، شرایط آب و خاموشی های مناسب کاهش داد. این قطعات هنگامی که نیروگاه برای مدت قابل توجهی خاموش است، به حفاظت در برابر خوردگی نیاز دارند.

•  فولاد کربنی در پالایشگاه

در کاربردهای پالایشگاهی، فولاد کربنی از نظر مقاومت در برابر حمله هیدروژنی و خوردگی سولفیدی، یک ماده قابل قبول برای محصولات خام تا دمای 260 درجه سانتیگراد به شمار می‎رود. در دماهای بالا، نرخ خوردگی فولاد کربنی افزایش یافته و ممکن است بجای آنها از فولادهای آلیاژی، فریتی یا زنگ نزن مورد استفاده قرار بگیرند.

• مقاومت در برابر خوردگی فولاد کربنی

مقاومت در برابر خوردگی فولادهای کربنی آلیاژ مقاوم تا حدی محدود بوده و به تشکیل لایه اکسیدی روی سطح بستگی دارد. فولاد کربنی نباید در معرض تماس با اسیدهای رقیق قرار بگیرد. این فولادها در تماس با محلول های آبی، کربنات ها، هیدروکسیدها، نیترات آمونیوم، محلول های آمینی، آمونیاک و مایعات حاوی گاز زغال سنگ،  سیانیدهای اسیدی، مستعد خوردگی SCC و ترک های سولفیدی ناشی از استفاده در حوزه های نفتی آلوده به سولفید هیدروژن می‎باشند.

فولاد کربنی در میان تمام مواد فلزی،  از نظر اقتصادی، مقرون به صرفه ترین ماده برای حمل و نقل محلوله هایی با ماکزیمم غلظت 50 درصد و ماکزمیمم دمای 88 درجه سانتی گراد به شمار می‎رود. در صورتی که آلودگی به آهن قابل قبول باشد، می‎توان از فولاد به عنوان مخزن سود سوزآور تا غلظت 75 درصد و تا دمای 100 درجه سانتی گراد استفاده  نمود. علاوه بر این برای کاهش پدیده تردی ناشی از سود، باید تنش زدایی صورت بگیرد.

آب دریا به شوری به کندی موجب خوردگی فولاد می‎شود. فولاد معمولا توسط آب با pH خنثی و بسیاری از مواد آلی خورده نمی شود. در حالی که شرایط قلیایی از خوردگی فولاد کربنی جلوگیری می‎کند اما حضور اکسیژن و یا شرایط اسیدی، خوردگی فولاد کربنی را افزایش می‎دهد.

• خوردگی عمومی در محیط آبی

فاکتورهای اساسی کنترل خوردگی عمومی در فولادهای کربنی شامل pH محلول، دما، اکسیژن حل شده در محلول، نمک های محلول و محلول می‎باشد. محلول های اسیدی (pH های کمتر از 5 )، برای فولاد کربنی مضر می‎باشند که احتمال خوردگی آن را افزایش می‎دهند. لایه اکسیدی محافظ در مقادیر pH کمتر از 5 و بالاتر از 13 حل می‎گردد اما خوردگی در محدوده وسیعی از pH کمتر است.

در دمای محیط برای یک محلول با pH تقریبا خنثی، نرخ عمومی خوردگی با اکسیژن محلول رابطه مستقیم دارد. در واقع غلظت اکسیژن احتمال خوردگی افزایش می‎دهد. دمای بالا نیز با افزایش دادن میزان نفوذ اکسیژن در لایه های کاتدی از اکسید آهن هیدراته موجب افزایش خوردگی می‎شود.

حضور اسید یا نمک های خنثی ممکن است نرخ خوردگی را افزایش دهد ما وجود نمک های قلیایی نرخ خوردگی را کاهش می‎دهد. علاوه بر مواد گفته شده، افزایش سرعت محلول سرعت خوردگی را افزایش می‎دهد، بویژه اگر NaCl نیز در آن وجود داشته باشد. به منظور جلوگیری از برخورد آب با بدنه تجهیزات ماکزیمم سرعت محلول نباید از 2.5 متر در ثانیه یا 8 فوت بر ثانیه بیشتر شود.

محیط های قلیایی موجب رفتار پسیو در فولاد کربنی می‎شود و نرخ خوردگی را کاهش می‎دهد. این ویژگی در فسفاته کردن کاربرد دارد. به منظور جلوگیری از خوردگی در فولادهای کربنی می‎توان از 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 استفاده کرد.

•  فرآیند ساخت با فولاد کربنی

درجه جوش پذیری

به منظور بررسی استعداد به ترک با استفاده از CE (کربن معادل)، قابلیت جوش پذیری یک فولاد تخمین زده می‎شود.

برش ورق ها

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

ملاحظات جوش پذیری

برای جوش دادن فولاد کربنی باید عوامل زیر توجه نمود:

1. لایه لایه شدن
2. ترک ناشی از انجماد
3. ترک سرد ناشی از هیدروژن
4. محدودیت های سختی در کاربردهای پالایشگاهی و گاز ترش

•  محدودیت سختی در کاربردهای پالایشگاهی

یکی از اموری که در پالایشگاه مورد توجه قرار می‎گیرد، جلوگیری از ایجاد ترک جوش در حین کار می‎باشد چرا که فولاد کربنی بطور گسترده در مخازن تحت فشار پالایشگاه از قبیل مبدل ها، تانک ها و لوله ها استفاده می‎شود. سه عامل در ایجاد ترک جوش در حین کار دخیل می‎باشد که عبارتند از: 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 فولادهای کربنی

جوشکاری فولادهای کربنی می‎تواند با استفاده از الکترود روکش دار و فرآیند مطلوب جوشکاری مانند پیش گرمایش صورت بگیرد. فرآیندهای جوشکاری که برای فولادهای کربنی کاربرد دارند عبارتند از جوشکاری قوس زیرپودری (SAW)، جوشکاری اکسی استیلن (OAW)، جوشکاری قوس فلزی (GMAW)، جوشکاری الکترواسلگ و الکتروگاز و جوشکاری با سیم مغزه پودری (FCAW).

• جوشکاری قوسی فولادهای کربنی

انتخاب الکترود جوشکاری بر اساس سازگاری بین فلزات پایه و شرایط کاری قطعات جوش تعیین می‎شود. عامل اصلی در انتخاب الکترود برای فولادهای کربنی عبارت است از: خواص مکانیکی، جریان جوشکاری، ترکیب مواد، موقعیت جوش و هزینه. لازم به ذکر است که الکترودها باید در محیط خشک نگهداری شوند.

مینیمم ضخامت فولادهای کم کربن که می‎تواند با روش قوس تحت گاز محافظ جوش داده شود به نوع اتصال، فیت کاری، موقعیت جوش، ویژگی های جریان، آمپراژ، طول قوس، کلاس و اندازه الکترودها، سرعت جوشکاری و مهارت جوشکار بستگی دارد. جوشکاری فولادی به ضخامت 0.036 اینچ می‎تواند با موفقیت با الکترودهای تو پودری انجام شود. در ضخامت های بالا نیز می‎توان تمام ضخامت های تجاری را با روش SMAW جوشکاری نمود.