انتخاب مواد برای ساخت مبدل های حرارتی

در دماهای بالای 800 درجه فارنهایت یا 425 درجه سانتی گراد مواد باید در برابر حرارت مقاوم بوده و خواص مقاومت در برابر خوردگی، استحکام مکانیکی، پایداری متالورژیکی، مقاومت خزشی، مقاومت به اکسیداسیون، استحکام تنش گسیختگی، و پایداری سطحی خود را در مقابل گازهای احتراق و مواد شیمیایی حفظ کنند.

عناصر آلیاژی برای مواد مقاوم به حرارت:

فولادها باید برای مقاومت در برابر اکسیداسیون حاوی کروم باشد. کبالت، آلومینیم، سیلیسیم و عناصر کمیاب خاکی تشکیل، پایداری و چسبندگی لایه اکسیدی سطحی را بهبود می بخشند. نیکل، منجر به افزایش استحکام، پایداری، چقرمگی و مقاومت به کربوریزاسیون می شود. تنگستن و مولیبدن نیز استحکام دمای بالا را افزایش می دهند.

مواد و دمای کاری آن ها:

برای دماهای بالای 600 درجه سانتی گراد از مواد زیر استفاده می شود:

1- فولادهای فریتی با 17 تا 27 درصد کروم و مولیبدن

2- فولادهای آستنیتی پر استحکام و دما بالا (فولادهای کروم - نیکل - مولیبدن با مقدار نیکل بالای 8 %)  مانند فولادهای 321، 347، 316 و 310

3- فولادهای زنگ نزن ریخته گری شده و مقاوم در برابر حرارت: HC، HK، HT، HP، HX

4- آلیاژهای پایه نیکل رسوب سختی شده حاوی کروم، مانند X-718 و X-750

6- آلیاژهای پایه کبالت:  N-155، 188، L605، 25

7- سرامیک های پیشرفته و سایر مواد دیرگداز (دمای بالا 1200 درجه سانتی گراد)

معمولا به مواد رده 4 تا 6 سوپر آلیاژ گفته می شود.

فولادهایی برای کاربردهای دما بالا

1- فولادهای کم آلیاژ برای کار در دمای بالا

فولادهای آلیاژی C-Mo، فولادهای آلیاژی کروم-مولیبدن و فولادهای آلیاژی منگنز - مولیبدن - (نیکل)برای کاربرهای دما بالا مورد استفاده قرار می گیرند. هنگامی که استحکام دما بالا (استحکام خزشی)مد نظر باشد، معمولا میزان مولیبدن در ترکیب فولاد افزایش می یابد اما اگر مقاومت به خوردگی در دمای بالا مد نظر باشد مقدار کروم افزایش می یابد. به عنوان مثال در مورد تجهیزات پالایش نفت خام که در معرض حمله هیدروژنی هستند، کروم و مولیبدن را برای افزایش مفاومت در برابر حمله هیدروژنی استفاده می کنند.

2- فولادهای زنگ نزن برای دمای بالا

می توان از فولادهای کربنی تا دمای 400 درجه سانتی گراد و از فولادهای کم آلیاژ تا دمای 600 - 650 درجه سانتی گراد استفاده کرد. اما نمی توان از این مواد در بالای این محدوده دمایی به علت  وقوع خزش استفاده کرد. اگرچه سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت می توانند دماهای بالا را بدون افت خواص مکانیکی تحمل کنند اما به علت قیمت بالا و در دسترس نبودن، برای کاربردهای عمومی مانند نیروگاه های فسیلی با دمای کاری 600 تا 650 درجه سانتی گراد استفاده نمی شوند. برای این محدوده دمایی فولاد زنگ نزن آستنیتی ترجیح داده می شود. در حالی که فولاد زنگ نزن برای این محدوده انتخاب می شود علاوه بر استحکام خزشی باید خوردگی دما بالا، اکسیداسیون، پوسته شدن و کربوراسیون و رسوب فاز ثانویه را نیز در نظر داشت. در این مورد استفاده از E-Brite 26-1 یا (Allegheny Ludlum)بسیاری از مشکلات مرتبط با استفاده از 316 را نخواهد داشت.

3- توسعه تکنولوژی آلیاژهای آهنی برای کاربردهای دما بالا

در طی 25 سال گذشته آلیاژهای جدید با استحکام و مقاومت به خوردگی بالاتر برای استفاده در صنایع هسته ای، فسیلی و پیتروشیمیایی توسعه پیدا کرده اند. گروه های خاصی از آلیاژها شامل فولادهای کم آلیاژ حاوی وانادیم، فولاد 9Cr-1Mo-V، فولادهای زنگ نزن با مقادیر کم نیوبیوم و آلیاژهای کرم-نیکل- آهن. افزودن عناصر آلیاژی وانادیم، نیوبیوم، تیتانیم و نیتروژن در افزایش استحکام فولادهای فریتی و آستنیتی نقش موثری داشته اند.

مواد مقاوم در برابر حرارت بر پایه نیکل:

اینکونل (آلیاژهای نیکل-کروم)و اینکو در برابر اکسیداسیون و کربوریزاسیون و سایر تخریب های دمای بالا مقاوم است. آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت متداول عبارتند از:

1- آلیاژ اینکونل 600، 601، 617، 625، 718 و X-750، آلیاز اینکو HX

2- آلیاژهای نیکل-آهن- کروم و آلیاژ اینکو نیکل-آهن- کروم مانند اینکولوی 800، 800HT، 825

3- سایر آلیاژهای جدید مانند 253MA، 556، HR-120، HR-160، 45ASTM230 و 214.

جدول زیر گروه های مواد و دماهای کاری آن ها را نشان می دهد.

تست هایی برای ارزیابی فولادها در دمای بالا: انواع تست های مورد استفاده برای ارزیابی خواص فولاد در دمای بالا شامل موارد زیر می شود:

 تست های دما بالا کوتاه مدت

 تست های دما بالا بلند مدت

 تست های کوتاه مدت و بلند مدت که پس از قرار گرفتن در معرض حرارت به مدت طولانی انجام می شود.

 تست های خستگی (شامل خستگی حرارتی و آزمون های شوک حرارتی)

 تست های خستگی وابسته به زمان

 تست های داکتیلیته و چقرمگی