در خیلی از پروژه های صنعتی ، انتخاب مبدل حرارتی از روی ظرفیت و دمای ورودی و خروجی شروع می شود. این کار لازم است ، اما وقتی سیال خاصیت خورندگی دارد ، محاسبه حرارتی فقط بخشی از ماجراست. ممکن است مبدلی از نظر انتقال حرارت کاملا جواب بدهد ولی بعد از چند ماه کارکرد ، اطراف جوش ها دچار خوردگی شود یا از یک نقطه نشتی پیدا کند. آن وقت هزینه تعمیر و توقف خط تولید از اختلاف قیمت اولیه دو مبدل بیشتر می شود.
برای همین در انتخاب مبدل حرارتی برای سیالات خورنده باید جنس قطعات در تماس با سیال ، فشار و دمای واقعی ، سرعت جریان ، نوع اتصال ها و روش تمیزکاری را با هم بررسی کرد. نمی شود تنها به این دلیل که یک مبدل از استیل ساخته شده ، آن را برای هر محلول اسیدی یا قلیایی مناسب دانست.
در این راهنما موضوع را از دید طراحی و کارکرد صنعتی بررسی می کنیم. هدف این نیست که یک آلیاژ را برای تمام پروژه ها پیشنهاد بدهیم ؛ هدف این است که بدانیم پیش از خرید چه اطلاعاتی باید جمع شود و کدام خطاها می توانند عمر تجهیز را کوتاه کنند.
مبدل حرارتی در تماس با سیال خورنده چه شرایطی دارد؟
مبدل حرارتی انرژی را بین دو سیال منتقل می کند و در حالت معمول نباید این دو جریان با هم مخلوط شوند. وقتی یکی از سیالات خورنده است ، سطح فلزی در تماس با آن باید شرایط شیمیایی و مکانیکی فرایند را تحمل کند. این سطح ممکن است لوله ها ، صفحات ، پوسته ، نازل ها ، اتصالات یا حتی بخش هایی از جوش باشد.
خورندگی همیشه به معنی حل شدن یکنواخت فلز نیست. گاهی بخش زیادی از سطح ظاهرا سالم می ماند ولی یک نقطه کوچک به صورت عمیق آسیب می بیند. این نوع خرابی از نظر عملی خطرناک است ، چون ممکن است نشتی ناگهانی ایجاد کند بدون اینکه کاهش ضخامت کلی بدنه خیلی واضح باشد.
برای شروع بررسی ، باید مشخص باشد سیال دقیقا چیست و چه ترکیباتی دارد. نام عمومی مثل «اسید» یا «آب شیمیایی» کافی نیست. غلظت ، دما ، pH ، وجود کلرید یا مواد اکسیدکننده ، ناخالصی ها و تغییرات ترکیب سیال در زمان کار هم باید مشخص شود.
برای شناخت خانواده های مختلف تجهیزات ، ابتدا می توان مبدل حرارتی را بررسی کرد. انتخاب نهایی اما باید بر اساس مشخصات فرایند انجام شود ، نه فقط شکل ظاهری تجهیز.
چه اطلاعاتی پیش از انتخاب متریال لازم است؟
در پروژه واقعی ، اطلاعات ناقص درباره سیال یکی از دلایل اصلی انتخاب اشتباه متریال است. اگر فقط دمای نامی و اسم ماده شیمیایی در دسترس باشد ، طراح ممکن است مجبور شود بر اساس فرضیات محافظه کارانه تصمیم بگیرد و این موضوع روی هزینه تمام شده اثر می گذارد.
موارد مهمی که باید از واحد فرایند یا بهره بردار دریافت شوند عبارت اند از:
نام شیمیایی سیال و ترکیب کامل آن تا حد امکان
غلظت ماده خورنده و محدوده تغییرات آن
دمای عادی ، حداقل و حداکثر دما
فشار طراحی و فشار عملیاتی
دبی سیال و محدوده تغییرات آن
pH و وجود یون هایی مثل کلرید
وجود ذرات جامد ، رسوب یا محصولات واکنش
شرایط راه اندازی ، توقف و شستشوی شیمیایی
عمر مورد انتظار تجهیز و امکان بازرسی دوره ای
نکته مهم این است که شرایط راه اندازی و شستشو گاهی از کارکرد عادی سخت تر است. ممکن است سیال در دمای عادی با یک آلیاژ سازگار باشد ولی هنگام شستشوی شیمیایی ، غلظت یا دمای محلول بالا برود و به سطح آسیب بزند.
برای انتخاب ساختار مناسب ، مبدل حرارتی پوسته و لوله یکی از مسیرهای بررسی است. این ساختار در بسیاری از کاربردهای صنعتی قابل بررسی است، اما مناسب بودن آن برای سیال خورنده باید با انتخاب متریال و طراحی مکانیکی تایید شود.
انتخاب متریال مبدل حرارتی برای سیالات خورنده
در طراحی مبدل ، جنس قطعاتی که با سیال تماس دارند از اهمیت بالایی برخوردار است. ممکن است پوسته از یک جنس و لوله ها از جنس دیگری ساخته شوند. نازل ها ، واشرها ، اتصالات و قطعات جوشکاری شده هم باید جداگانه بررسی شوند. انتخاب جنس پوسته به تنهایی تضمین نمی کند که کل تجهیز در برابر سیال مقاوم است.
استنلس استیل
استنلس استیل در بسیاری از تجهیزات فرایندی استفاده می شود ، اما مقاومت آن به گرید دقیق و شرایط محیط بستگی دارد. بعضی محیط های حاوی کلرید می توانند خطر خوردگی حفره ای یا خوردگی شیاری را افزایش دهند. بنابراین مشخص کردن صرف عبارت «استیل» برای خرید یا طراحی کافی نیست ؛ گرید دقیق باید در مدارک فنی ثبت شود.
فولاد کربنی
فولاد کربنی معمولا از نظر هزینه اولیه اقتصادی است و در بعضی سیالات و شرایط کنترل شده عملکرد قابل قبولی دارد. اما در محیطی که خوردگی شدید است ، ممکن است نیاز به ضخامت اضافه ، پوشش یا راهکار دیگری وجود داشته باشد. پوشش نیز فقط زمانی مفید است که با ماده شیمیایی ، دما ، فشار و روش تعمیر سازگار باشد.
آلیاژهای مقاوم به خوردگی
در شرایط دشوارتر ، ممکن است آلیاژهای پایه نیکل یا گریدهای خاص فولاد زنگ نزن بررسی شوند. انتخاب این مواد باید بر اساس داده های سازگاری شیمیایی و شرایط واقعی انجام شود. قیمت بالاتر به تنهایی دلیل مناسب بودن یک آلیاژ نیست ؛ همان طور که قیمت پایین تر هم به معنی انتخاب اقتصادی در طول عمر تجهیز نیست.
واشرها و قطعات غیرفلزی
در مبدل صفحه ای واشردار ، جنس واشر باید با سیال و دمای کار سازگار باشد. ممکن است صفحات فلزی مقاومت خوبی داشته باشند ولی واشر در اثر تماس شیمیایی متورم شود ، سخت شود یا آب بندی خود را از دست بدهد. در این حالت نشتی می تواند قبل از خوردگی جدی صفحات رخ دهد.
برای بررسی تفاوت مواد سازنده و کاربرد آنها ، مقاله متریال مبدل حرارتی را مشاهده کنید.
طراحی حرارتی کافی نیست ؛ طراحی مکانیکی هم باید بررسی شود
مبدل باید سطح انتقال حرارت لازم را فراهم کند و در عین حال فشار و دمای طراحی را تحمل کند. اگر سطح انتقال حرارت کم باشد ، ممکن است دمای خروجی مورد انتظار تامین نشود. از طرف دیگر ، اگر طراحی جریان مناسب نباشد ، افت فشار بالا می رود یا نقاطی با سرعت بسیار کم به وجود می آیند که احتمال رسوب و خوردگی موضعی را بیشتر می کنند.
در مبدل پوسته و لوله ، قطر و تعداد لوله ها ، تعداد پاس ها ، آرایش بافل ها، جنس تیوب شیت و روش اتصال لوله به تیوب شیت اهمیت دارند. انتخاب اشتباه در هر کدام می تواند تعمیرات را دشوار کند. در محیط های خورنده باید به اختلاف جنس فلزات و احتمال خوردگی گالوانیکی هم توجه کرد.
در مبدل صفحه ای ، شکل کانال ها ، فاصله صفحات ، جنس صفحات و روش آب بندی باید با مشخصات سیال هماهنگ باشد. کانال باریک ممکن است انتقال حرارت مناسبی ایجاد کند ، ولی اگر سیال ذرات جامد دارد یا تمیزکاری دشوار است ، احتمال گرفتگی هم باید بررسی شود.
در محاسبات ، فقط مقدار بار حرارتی کافی نیست. دبی ، خواص فیزیکی سیال ، ضریب انتقال حرارت ، دمای نزدیک شدن دو سیال و افت فشار مجاز باید همزمان در نظر گرفته شوند. راهنمای محاسبه طراحی مبدل حرارتی می تواند برای بررسی مبانی محاسبات به کار برود ؛ طراحی نهایی برای سیال خورنده به بررسی خوردگی و استحکام هم نیاز دارد.
کدام نوع مبدل برای سیال خورنده بهتر است؟
پاسخ یکسانی برای همه سیالات وجود ندارد. مبدل پوسته و لوله ، صفحه ای ، مارپیچ یا چند لوله ای هر کدام در شرایط خاصی قابل بررسی هستند. نوع تجهیز به ویسکوزیته سیال ، وجود ذرات ، فشار ، دما ، قابلیت تمیزکاری ، فضای نصب و متریال قابل استفاده بستگی دارد.
برای سیالاتی که نیاز به مسیرهای لوله ای دارند ، مبدل پوسته و لوله می تواند گزینه ای قابل بررسی باشد. اگر انتقال حرارت بالا در حجم کم اهمیت دارد ، مبدل صفحه ای هم می تواند وارد مقایسه شود ، البته محدودیت فشار ، نوع آب بندی و مقاومت شیمیایی باید بررسی شود.
مبدل های مارپیچ در بعضی کاربردها به دلیل مسیر جریان و ویژگی های هیدرولیکی خود مورد توجه قرار می گیرند. برای شناخت این خانواده می توان مبدل حرارتی مارپیچ را بررسی کرد. با این حال ، شکل مارپیچی به خودی خود تضمین کننده مقاومت در برابر خوردگی نیست ؛ جنس سطح خیس شونده و شرایط فرایند همچنان تعیین کننده هستند.
در کاربردهایی که به مسیرهای لوله ای متعدد نیاز است ، مبدل حرارتی چند لوله ای هم می تواند برای مقایسه اولیه مفید باشد.
کنترل خوردگی از زمان خرید شروع می شود
یکی از اشتباهات رایج این است که کنترل خوردگی را فقط به دوره نگهداری موکول می کنند. در عمل باید از زمان تهیه مشخصات فنی ، جنس تمام قطعات در تماس با سیال ، کیفیت جوشکاری ، روش تست نشتی و برنامه بازرسی تعیین شده باشد.
اگر قرار است مبدل از جنس خاصی ساخته شود ، گرید متریال باید در سفارش و مدارک تحویل مشخص باشد. عبارت کلی مثل «استیل صنعتی» اطلاعات کافی برای ارزیابی مقاومت خوردگی نمی دهد. برای قطعات جوشکاری شده هم روش جوش ، مواد مصرفی ، عملیات تکمیلی و آزمون های مورد نیاز باید متناسب با طراحی انتخاب شوند.
برای سیالات خورنده ، پیشنهاد می شود حداقل این موارد در مشخصات خرید ثبت شود : ترکیب و دمای سیال ، فشار طراحی ، جنس قطعات خیس شونده ، استاندارد طراحی ، نوع تست فشار و نشتی ، الزامات جوشکاری ، محدودیت افت فشار و روش تمیزکاری مجاز.
اگر انتخاب تجهیز به بررسی ساختارهای صفحه ای نیاز دارد ، مبدل حرارتی صفحه ای را هم در صفحه مرتبط قرار بده ؛ اما در متن روشن باشد که سازگاری شیمیایی باید برای مدل و متریال دقیق تایید شود.
خوردگی یکنواخت با خوردگی موضعی چه فرقی دارد؟
در خوردگی یکنواخت ، ضخامت فلز در بخش نسبتا بزرگی از سطح کم می شود. اگر سرعت خوردگی قابل پیش بینی باشد و اطلاعات کافی از شرایط سیال داشته باشیم ، می توان برای عمر تجهیز برنامه ریزی کرد. البته حتی این نوع خوردگی هم باید با داده های معتبر ارزیابی شود و صرفا با یک عدد ثابت برای همه شرایط قابل محاسبه نیست.
خوردگی موضعی داستان دیگری دارد. در این حالت ممکن است بخش زیادی از سطح فلز سالم به نظر برسد اما یک حفره عمیق ، یک ناحیه زیر رسوب یا یک شکاف کوچک به سرعت آسیب ببیند. خوردگی حفره ای و خوردگی شیاری از حالت هایی هستند که در انتخاب متریال باید جدی گرفته شوند. این موضوع به خصوص در نقاطی که سیال راکد می ماند یا رسوب روی سطح تشکیل می شود اهمیت دارد.
نوع دیگری از خرابی ، خوردگی گالوانیکی است. وقتی دو فلز متفاوت از نظر الکتروشیمیایی در حضور یک الکترولیت به هم متصل باشند ، ممکن است یکی از آنها سریع تر دچار خوردگی شود. به همین علت انتخاب متریال برای لوله ها ، پوسته ، اتصالات و پیچ ها نباید جدا از هم انجام شود. ترکیب فلزات ، نسبت سطح آنها و شرایط تماس باید بررسی شود.
خوردگی ناشی از تنش نیز در برخی مواد و محیط ها رخ می دهد. در این حالت تنش کششی همراه با محیط خورنده می تواند به ایجاد ترک کمک کند. فشار کاری، تنش پسماند جوشکاری و شرایط ساخت از عواملی هستند که باید در ارزیابی فنی دیده شوند.
برای مبدل صفحه ای نیز باید علاوه بر جنس صفحه ، وضعیت واشر و نقاط تماس بررسی شود. مقاله خوردگی مبدل حرارتی صفحه ای می تواند برای مطالعه دقیق تر این موضوع استفاده شود.
چرا سرعت جریان در کنترل خوردگی مهم است؟
در انتخاب مبدل ، معمولا تلاش می کنیم انتقال حرارت کافی باشد و سطح مورد نیاز با هزینه منطقی تامین شود. اما افزایش سرعت سیال همیشه راه حل مناسبی نیست. سرعت بسیار پایین می تواند زمینه رسوب گذاری و تشکیل نواحی کم جریان را فراهم کند. در سمت مقابل ، سرعت بالا در شرایط نامناسب ممکن است فرسایش یا خوردگی فرسایشی را تشدید کند.
مقدار مناسب سرعت به نوع سیال ، ذرات همراه ، جنس سطح ، دما و هندسه مسیر بستگی دارد. نمی توان یک سرعت مشخص را برای تمام اسیدها یا محلول های شیمیایی تجویز کرد. طراح باید همزمان افت فشار ، انتقال حرارت و خطر آسیب به سطح را بررسی کند.
در مبدل پوسته و لوله ، آرایش لوله ها و بافل ها روی توزیع جریان اثر می گذارد. اگر جریان در بخشی از مبدل خوب توزیع نشود ، ممکن است ظرفیت واقعی با محاسبه اولیه فاصله پیدا کند. همچنین نقاطی که دسترسی برای شستشو ندارند ، در صورت تشکیل رسوب می توانند مشکل ساز شوند.
در طراحی های حساس ، بررسی جزئیات ساخت و روش اتصال قطعات به اندازه محاسبات حرارتی اهمیت دارد. راهنمای استاندارد TEMA برای مبدل پوسته و لوله می تواند در شناخت چارچوب های طراحی این خانواده مفید باشد. با این حال ، استاندارد طراحی به تنهایی جایگزین ارزیابی سازگاری شیمیایی نیست.
انتخاب مبدل صفحه ای یا پوسته و لوله برای مواد شیمیایی
این سوال زیاد مطرح می شود که برای سیال خورنده ، مبدل صفحه ای بهتر است یا پوسته و لوله. پاسخ به نوع سیال و طراحی دقیق بستگی دارد. هیچ کدام از این دو خانواده به صورت عمومی برای همه مواد شیمیایی برتر نیستند.
مبدل صفحه ای می تواند انتقال حرارت بالایی در فضای کم فراهم کند. اما جنس صفحات ، نوع واشر ، فشار مجاز ، دمای کاری و امکان باز کردن تجهیز برای بازرسی باید مشخص باشند. اگر سیال با واشر سازگار نباشد ، انتخاب صفحات مقاوم به تنهایی مشکل را حل نمی کند. در مدل های لحیم شده نیز باید سازگاری مواد صفحه و ماده اتصال دهنده با شرایط فرایند تایید شود.
در مبدل پوسته و لوله ، امکان انتخاب جنس متفاوت برای پوسته و لوله ها و دسترسی به برخی سطوح برای تمیزکاری می تواند مزیت باشد. با این حال ، این ساختار هم محدودیت های خودش را دارد. جنس تیوب شیت ، اتصال لوله به تیوب شیت ، کیفیت جوشکاری و امکان بازرسی باید در مشخصات پروژه روشن شوند.
اگر قرار است از مبدل صفحه ای واشردار استفاده شود ، انتخاب واشر باید بر اساس سازگاری شیمیایی ، دما و فشار انجام شود. برای بررسی این بخش ، مقاله واشر مبدل صفحه ای و سازگاری شیمیایی آن رامشاهده کنید.
در پروژه ای که تعمیر پذیری و تعویض قطعات اهمیت دارد ، مقایسه قیمت اولیه با هزینه نگهداری ضروری است. مبدلی که ارزان تر خریداری شده ولی برای هر تعمیر نیاز به توقف طولانی خط دارد، ممکن است در مجموع گزینه اقتصادی نباشد.
نقش جوشکاری و کیفیت ساخت در عمر مبدل
در تجهیزاتی که برای سیالات خورنده ساخته می شوند ، فقط خرید ورق یا لوله با آلیاژ مناسب کافی نیست. کیفیت برش ، آماده سازی لبه ها ، روش جوشکاری ، مواد مصرفی و عملیات تکمیلی می توانند روی عملکرد خوردگی اثر بگذارند. بعضی آلیاژها در اثر شرایط نامناسب جوشکاری یا عملیات حرارتی می توانند حساسیت بیشتری به خوردگی پیدا کنند.
مدارک ساخت باید مشخص کنند کدام قطعات از چه متریالی هستند و روش اتصال آنها چگونه است. در پروژه های حساس ، گواهی مواد ، ردیابی قطعات ، بازرسی جوش و آزمون های لازم باید متناسب با استاندارد و سطح ریسک پروژه تعیین شوند. آزمون فشار و تست نشتی نیز باید با روش تایید شده انجام شود. این آزمون ها برای یافتن بعضی عیب ها مفیدند اما به تنهایی مقاومت بلندمدت در برابر خوردگی را ثابت نمی کنند.
برای پروژه های پوسته و لوله ، مقاله پارامترهای فنی مبدل پوسته و لوله می تواند به تهیه فهرست مشخصات فنی کمک کند. در کنار آن ، موضوع کیفیت ساخت و جوشکاری هم باید در قرارداد و مدارک کنترل کیفیت دیده شود.
چطور نشانه های اولیه خوردگی را تشخیص دهیم؟
نشتی قابل مشاهده تنها نشانه خرابی نیست. تغییر غیرعادی افت فشار ، کاهش ظرفیت انتقال حرارت ، تغییر رنگ یا وجود محصولات خوردگی در سیال خروجی هم می توانند نیاز به بررسی را نشان دهند. البته هر کدام از این علائم علت های دیگری هم دارند ؛ برای مثال افت ظرفیت ممکن است از رسوب ، دبی ناکافی یا مشکل کنترلی ناشی شده باشد.
برنامه بازرسی بهتر است بر اساس ریسک و شرایط واقعی کار طراحی شود. در بازدید دوره ای می توان موارد زیر را ثبت کرد:
تغییرات فشار و افت فشار در دو سمت مبدل
دمای ورودی و خروجی هر دو سیال
وجود نشتی در فلنج ها ، اتصالات یا نقاط آب بندی
تغییر رنگ سیال یا مشاهده ذرات غیرعادی
نتایج بازرسی سطح ، ضخامت سنجی یا آزمون های غیرمخرب متناسب با تجهیز
تاریخچه شستشو ، نوع ماده شیمیایی مصرف شده و شرایط پس از شستشو
اگر نشتی بین دو جریان احتمال آلودگی محصول یا خطر ایمنی ایجاد کند ، تجهیز باید طبق دستورالعمل بهره برداری از سرویس خارج شود و علت خرابی مشخص شود. ادامه کار صرفا به دلیل کوچک بودن نشتی تصمیم مناسبی نیست.
تمیزکاری شیمیایی ؛ راه حل همیشگی نیست
وقتی مبدل دچار رسوب یا افت عملکرد می شود ، شستشوی شیمیایی ممکن است کمک کند. اما انتخاب محلول شستشو باید با جنس تمام سطوح در تماس و نوع رسوب هماهنگ باشد. ماده ای که رسوب را به خوبی حل می کند ممکن است به فلز پایه ، پوشش یا واشر هم آسیب بزند.
پیش از شستشو باید مشخص شود رسوب از چه چیزی تشکیل شده است. رسوب معدنی ، محصولات خوردگی ، مواد آلی و ذرات فرایندی رفتار یکسانی ندارند. استفاده از اسید قوی بدون تشخیص رسوب می تواند مشکل را بیشتر کند. دما ، غلظت محلول ، مدت تماس ، سرعت جریان و روش آبکشی هم باید کنترل شوند.
پس از شستشو ، بررسی نشتی و ثبت تغییرات فشار و دما کمک می کند معلوم شود عملکرد مبدل بهتر شده یا خیر. اگر افت عملکرد به دلیل خوردگی ، تغییر شکل صفحات یا آسیب مکانیکی باشد ، تمیزکاری به تنهایی مشکل را حل نمی کند.
هنگام خرید مبدل حرارتی برای سیال خورنده چه چیزهایی را در استعلام قیمت بنویسیم؟
برای اینکه پیشنهادهای سازندگان قابل مقایسه باشند ، اطلاعات یکسانی به همه آنها بدهید. اگر یک سازنده با فرض جنس عمومی و دیگری با آلیاژ مقاوم به خوردگی قیمت بدهد ، مقایسه صرفا بر اساس مبلغ نهایی گمراه کننده خواهد بود.
در درخواست قیمت یا RFQ بهتر است اطلاعات زیر ثبت شوند:
ترکیب شیمیایی و غلظت سیال
دبی، دمای ورودی و خروجی و فشار طراحی
جنس مورد نیاز برای تمام قطعات خیس شونده
بار حرارتی و افت فشار مجاز
استاندارد طراحی و الزامات آزمون
شرایط راه اندازی و توقف
نوع رسوب احتمالی و روش تمیزکاری
عمر مورد انتظار و برنامه بازرسی
مدارک متریال ، کیفیت جوش و تست های تحویل
محدودیت ابعاد ، اتصالات و فضای نصب
اگر اطلاعات شیمیایی کامل نیست ، باید این محدودیت صریحا به سازنده اعلام شود. پیشنهاد متریال در این وضعیت باید مشروط به تایید داده های سیال باشد. این کار از تعهد فنی نادرست و اختلاف بعدی جلوگیری می کند.
در نهایت ، اگر قرار است مبدل پوسته و لوله انتخاب شود ، می توان گزینه های ساختاری مانند مبدل حرارتی پوسته و لوله تک پاس را برای مقایسه اولیه بررسی کرد. این به معنی تایید سازگاری آن محصول با سیال خورنده شما نیست ؛ جنس لوله ها ، پوسته ، اتصالات و شرایط طراحی باید پیش از سفارش از سازنده تایید شود.
