افزایش عمر مفید دستگاه ها و مقابله با خوردگی با انتخاب فولاد ضد زنگ

از: مهندس فرشید مومنی فراهانی

مقدمه

امروزه تنوع فولادها، امر انتخاب را برای مهندسان مشکل نموده است و از آنجا که هر مهندسی خواهان آن است که بهترین جنس و ماده را برای ساخت قطعات مورد نظرش انتخاب نماید تا طرح و انتخابش زیر سوال نرود، اهمیت شناخت فولادها و خواص آنها و دانش انتخاب مواد بیش از پیش مشخص می‌گردد.
ممکن است با انتخاب یک نوع فولاد برای ساخت دستگاه مورد نظرتان عمر دستگاه شما عملاً بیش از چند سال هم نباشد در حالیکه با انتخاب فولادی دیگر دستگاه شما سی تا چهل سال هم عمر کند.

این مقاله که حاصل ترجمه بخش‌های مهمی از کتاب Stainless Steel and Chemical Industry متعلق به «انستیتوی فولاد و آهن آمریکا» می‌باشد، سعی دارد تا خوانندگان محترم را با مهمترین خواص و کاربردهای فولادهای ضدزنگ آشنا نماید.
فولادهای ضدزنگ با خواص بی‌نظیرشان در سال‌های اخیر بسیار بکار گرفته شده‌اند و امروزه بیش از ۷۰ نوع فولاد ضدزنگ تولید و عرضه می‌شود.
این مقاله ضمن مقایسه فولادهای ضدزنگ و فولادهای معمولی (Carbon Steel) از جهات مختلف، به معرفی برخی از مهمترین و پرکاربردترین فولادهای ضدزنگ در صنعت و خواص و ویژگی‌های آنها پرداخته و به نکاتی در باره مزیت بکارگیری تیوب‌های فولادی ضد زنگ در مبدل‌های حرارتی اشاره خواهد داشت.
بطور کلی در برخی موارد و در ساخت و سازهای صنعتی، در صورتی که بخواهیم هزینه‌های ثانویه (هزینه‌های تعمیر و نگهداری، بهره‌برداری و…) دستگاه‌ها را کاهش دهیم، فولادهای ضدزنگ تنها مواد قابل استفاده می‌باشند.

چند توصیه مهم در طراحی برای کنترل و کاهش نرخ خوردگی

برای افزایش عمر مفید دستگاه‌ها و مقابله اصولی با خوردگی تنها انتخاب بهترین فولاد کافی نیست و مهندسان طراح باید به نکته‌های ظریفی در طرح‌های خود دقت نمایند که از آن جمله می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد.

1. کلیه سطوح (به ویژه سطوح داخلی) باید صاف و صیقلی بوده و از ایجاد لبه‌های تیز یا تغییر جهت‌های ناگهانی که دارای مقاومت زیاد در برابر جریان سیال می‌باشند و جریان را مغشوش (Turbulent) می‌کنند خودداری نمایید.
2. از امکان تخلیه سریع و آسان و راحت بودن تمیزکاری و شستشوی ظروف صنعتی اطمینان حاصل کنید.
3. همواره در طراحی سطوح در تماس با سیال نسبت سطح تماس به حجم سیال را در پایین‌ترین حدود ممکن در نظر بگیرید.
4. از بهترین طرح و روش برای اتصالات استفاده نمایید.
5. امکان سیرکولاسیون و جریان طبیعی هوا را در اطراف تجهیزات (به ویژه آنهایی که از فولاد ضدزنگ ساخته شده‌اند) فراهم آورید.
6. طراحی باید به گونه‌ای باشد تا داخل ظروف و مبدل‌های حرارتی بطور کامل از مایع پرشود.
7. برای جلوگیری از تشکیل رسوب گذاری سیال بر روی سطوح فولادی ضدزنگ سرعت سیال عبوری از روی این سطوح باید حداقل ft/sec 5 در نظر گرفته شود.
8. تمام قسمت‌های فلزی که در تماس با سیالات هادی جریان الکتریکی قرار می گیرند باید حتی الامکان از یک جنس انتخاب شوند و در صورتی که به دلایلی مجبور به بکارگیری دو جنس مختلف در کنار هم و در تماس با سیال هادی جریان الکتریکی باشید، باید حتی الامکان دو فلزی را که در جدول سری‌های گالوانیک به یکدیگر نزدیکترند انتخاب نمائید.

شایان ذکر است که در جدول سری‌های گالوانیک فلزات مختلف به صورت ستونی بر مبنای الکترونگاتیویته و پتانسیل الکتریکی به ترتیب فهرست می‌شوند و به عنوان یکی قاعده کلی هر دو فلزی را که در این جدول انتخاب کنیم، آن فلزی که نسبت به دیگری در ردیف بالاتری قرار می‌گیرد کاتد و فلز دیگر آند می‌شود. یعنی فلز بالائی (درجدول) سالم می‌ماند و فلز پائینی فنا می‌شود.

به خاطر داشته باشید که هر چه سطح آند نسبت به سطح کاتد کوچکتر باشد نرخ خوردگی بیشتر خواهد بود در صورت امکان باید با بکارگیری واشرها و فاصله اندازی‌های غیرفلزی بین دو فلز غیر هم جنس یک لایه عایق الکتریکی ایجاد نموده و از تماس آند و کاتد جلوگیری کرد.

تیوب های فولادی ضدزنگ انتخابی مناسب برای مبدل های حرارتی

بسیاری از صنعتگران با استفاده از تیوب‌های فولاد ضدزنگ برای مبدل‌های حرارتی مخالف اند و استدلال آنها این است که چون قابلیت هدایت حرارتی فولاد ضدزنگ بااین است نرخ انتقال حرارت کاهش خواهد یافت.
اما این نظریه به هیچ عنوان درست نیست چرا که قابلیت هدایت حرارتی فلز تنها یک تاثیر جزئی بر روی ضریب انتقال حرارت کل (U) خواهد داشت اما مهم تر از آن مقاومت ایجاد شونده توسط فیلم سیال و رسوب تشکیل شونده در دو سوی تیوب است.

مقاومت ایجاد شونده توسط فیلم سیال به نوع سیال و سرعت آن بستگی دارد.

اما مقاومت رسوب ناشی از خوردگی فلز یا رسوب انباشته شده بر سطح تیوب است و آنجا که فولاد ضدزنگ حداقل میزان خوردگی و نیاز به تمیزکاری را داراست مقاومت حرارتی ناشی از رسوب در مورد فولادهای ضدزنگ به مراتب کمتر از جنس‌های دیگر خواهد بود.
با توجه به مقاومت مکانیکی بالای فولادهای ضدزنگ در مقایسه با سه نوع فلز متداول دیگر برای تیوب‌های مبدل‌های حرارتی (مس – آلومینیوم و فولاد کربنی معمولی) مسلم است که در یک حد مقاومت مکانیکی مطلوب و مورد نظر در صورت استفاده از تیوب‌های فولادی ضدزنگ می‌توان از ضخامت‌های پائین‌تر استفاده کرد این موضوع باعث خواهد شد که کاهش ضریب انتقال حرارت کل تا حدودی جبران شود.

انتخاب مواد و فلزات

برای انتخاب درست مواد و فلزات در صنعت باید درباره خواص فلزات مختلف و همچنین سرویسی که قرار است فلز در آن قرار بگیرد اطلاعات کافی داشته باشیم. منظور از سرویس شرایط بهره‌برداری و پروسه‌ای است که فلز مورد نظر قرار است در آن بکار گرفته شود. بنابراین نوع سیال، مواد همراه آن، درجه حرارت، فشار کارکرد و فرایند بیانگر نوع سرویس و شرایط آن می‌باشند.
در صورتیکه انتخاب شما به منظور جایگزین نمودن یک دستگاه یا تعمیر قسمتی از خط لوله باشد سوابق موجود و تجربیات گذشته بسیار کارآمد و مفید خواهند بود و انتخاب را ساده‌تر می‌نمایند. اما انتخاب مواد برای اولین بار و برای دستگاه و سرویسی که هیچ سابقه یا تجربه قبل در مورد آن وجود ندارد مشکل تر خواهد بود.
تجربیات و آزمایشهای به عمل آمده بر روی فلزات مختلف هر دو حاکی از آن است که هر چه درجه حرارت سرویس بالاتر باشد نرخ خوردگی افزایش خواهد یافت.

اما به هر حال باید پس از انتخاب خود حتماً از روشی برای پایش (Monitoring) خوردگی استفاده نمایید برای پایش خوردگی شما می توانید انتخاب خود را بعدها و به هنگام بهره برداری ارزیابی نمایید، عمر فلز انتخاب شده و عمر دستگاه هایتان را محاسبه کرده و تخمین بزنید و انتخاب بهتری را برای جایگزینی در تعمیرات اساسی آینده داشته باشید. ضمناً با پایش منظم و صحیح خوردگی شما می توانید مواد کاهش دهنده نرخ خوردگی (Corrosion Inhibitors) را مورد ارزیابی قرار داده و در صورت لزوم نوع آن را عوض نموده و از انواع کارایی بالاتر استفاده نمایید.

از کدام نوع فولاد ضدزنگ استفاده کنیم؟

فراموش نکنید همواره فلزات مقاوم در برابر خوردگی گرانتر هستند اما هزینه های ثانویه (ناشی از بهره برداری و تعمیرات) کمتر خواهد بود و عمر آنها بیشتر است. البته ناگفته نماند که حتی در صورت انتخاب بهترین و گرانترین نوع فلز، در صورتی که طراحی، ساخت یا اجرا ضعیف باشد باید منتظر بروز خرابی ها و اشکالات زودتر از موعد مورد انتظار باشیم.

به خاطر داشته باشید که بهترین زمان برای کنترل خوردگی و مقابله اصولی با آن زمانی است که شما در حال طراحی دستگاه ها و تجهیزات مورد نظرتان هستید. هر چه امروز و در مرحله طراحی به مسئله خوردگی بهتر و اصولی تر فکر کنید و تدابیر بهتری را اتخاذ نمایید فردا به هنگام بهره برداری از دستگاه و تجهیزات مورد نظر، هزینه کمتری را متحمل خواهید شد و عمر مفید دستگاه با شما طولانی تر خواهد بود.

معمول ترین و پرکاربردترین فولاد های ضدزنگ در صنعت عبارت اند از:

• انواع 304,304L: مناسب برای مقابله با خوردگی یکنواخت.
• انواع 308,309,309S,310,310S: مقاومت بسیار خوب در برابر حرارت های بالا.
• انواع 316,316L: مناسب برای مقابله با خوردگی یکنواخت به ویژه مواقعی که انواع 304 و 304L در معرض خوردگی حفره ای (pitting) قرار دارند با شدت خوردگی خیلی بالاست.
• نوع 317 : در صورتی که مقاومت بهتری در برابر خوردگی نسبت به انواع 316 یا 316L مورد نیاز باشد.
• نوع 430 : دارای مقاومت خوب در برابر محیط های حاوی اسید نیتریک و همچنین برای استفاده در مجاورت آب حاوی کلر (جائیکه 304 و 316 در صورت استفاده در معرض خوردگی تنشی باشند).
• نوع 405 : قابلیت جوشکاری آن نسبت به نوع 410 به مراتب بهتر است. در بسیاری موارد از این نوع فولاد ضدزنگ به عنوان تیوب مبدل های حرارتی استفاده میشود چرا که قابلیت انعطاف و شکل پذیری خوب آن باعث میشود که عمل رول کردن انتهای تیوب ها در تیوب شیت براحتی انجام گیرد (در مقایسه با نوع 410)
• نوع 410 : برای تیوب هایی که قرار است در سرویس های بسیار پرفشار

مهم ترین ویژگی های فولاد های ضد زنگ

1. در برابر اکثر مواد شیمیایی خورنده مقاومت خوبی دارند.
2. عمر مفید بالائی دارند.
3. قابلیت بسیار خوب برای تحمل درجه حرارتهای بالا و نیز درجه حرارتهای بسیار پائین همچنین شوک‌های حرارتی (تغییرات ناگهانی درجه حرارت) را به خوبی تحمل می‌کند (بیشتر در سری 300).
4. سطوح فولادی ضدزنگ را به راحتی می‌توان تمیز نمود این موضوع به ویژه در مورد سطوح داخلی و خارجی تیوب‌های مبدل‌های حرارتی حائز اهمیت است.
5. به واسطه صیقلی و براق بودن سطوح فولادی ضدزنگ نرخ تشکیل رسوب بر روی سطوح مذکور نسبت به فولادهای کربنی معمولی به مراتب پائین تر است.
6. مقاومت خوبی در برابر سایش دارند این موضوع بیشتر در ساخت توری صافی ها قطعات داخلی شیرها پروانه پمپها و… حائز اهمیت است.
7. از مقاومت مکانیکی بالایی برخوردارند.
8. سیالات به واسطه تماس با سطوح فولادی ضدزنگ یا جریان داشتن بر روی این سطوح آلوده نمیشوند این مطلب به ویژه در صنایع غذایی و داروسازی حائز اهمیت است و درست به همین دلیل است که تمام تجهیزات و ظروف مورد استفاده در کارخانجات صنایع غذایی از جنس فولاد ضدزنگ ساخته میشوند در صنایع داروسازی به عنوان مثال میتوان به پین های فولادی ضدزنگ مخصوص ساخت کپسول ها اشاره نمود این پینها که سر آنها همان انحنای سر کپسول های
   روکش دار دارویی را دارد به ظرف حاوی مواد روکش وارد شده و شکل مورد نظر را به کپسول ها میدهد.
9. عدم محدودیت در روش های ساخت و ابعاد اندازه و شکل هندسی قطعات فولادی ضدزنگ.
10. مقاومت خوبی در برابر پدیده خزش (Creep) و آتش دارند.

فولادهای ضدزنگ به دلیل دارا بودن مقادیری از عنصر نیکل که خاصیت مقاوم سازی در برابر خزش را داراست در برابر این پدیده مقاومت خوبی دارند همچنین مقاومت فولادهای ضدزنگ در برابر آتش بسیار بهتر از فولادهای معمولی یا آلومینیوم است درست به همین دلیل است که جنس روکش های فلزی عایق های لوله ها ظرف و برج ها اغلب از فولاد ضدزنگ میباشد.

چند سال پیش آزمایشگاه آتش شرکت یونیون کار باید در غرب ایالت ویرجینیا یک سلسله از آزمایشات را بر روی پوشش های مختلف ظروف و لوله ها از نظر مقاومت آنها در برابر آتش انجام داد این پوشش ها از انواع مختلف شامل پوشش های فولادی معمولی پوشش های فولادی ضدزنگ پوشش های پلی وینیل استات و دو نوع پوشش آلومینیومی بود که در یک مورد بر روی پوشش آلومینیومی رنگ مقاوم در برابر حرارت و آتش اعمال گردیده بود فقط پوشش فولادی ضدزنگ توانست یک ساعت تمام در برابر آتش دوام بیاورد شایان ذکر است که پوشش های فولادی ضدزنگ همچنین ایمنی پرسنل را نیز تامین مینمایند.
برای جلوگیری از سوختگی پرسنل به واسطه تماس با سطوح داغ درجه حرارت سطوح قابل دسترسی باید زیر (۱۵۰°F) ۶۵°C نگه داشته شود درجه حرارت سطحی پوشش های فولادی ضدزنگ بطور چشمگیری از درجه حرارت سطحی پوشش های آلومینیومی پائین تر است چرا که قابلیت تشعشع (تابندگی) فولاد ضدزنگ بیشتر از آلومینیوم و قابلیت هدایت حرارتی اش به مراتب پائین تر از آلومینیوم است.

منبع: مجله تهویه مطبوع شماره 3

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره های تاسیسات مکانیکی شرکت کنید.