يعد اختيار السبيكة المناسبة لأنابيب مياه البحر والمبادلات الحرارية أحد أهم القرارات في الهندسة البحرية. هناك سبائك تهيمن على هذه المناقشة:مونيل 400 (UNS N04400)، وسبائك النحاس والنيكل-، والنحاس والنيكل 90/10 (UNS C70600)، وهي سبيكة النيكل والنحاس-. كلاهما أثبتا كفاءتهما في مقاومة التآكل-بفضل عقود من الخدمة في محيطات العالم - ولكن تم تصميمهما لوظائف مختلفة ويحملان علامات أسعار مختلفة جدًا.
Cupronickel 90/10 هو المعيار الافتراضي -الفعال من حيث التكلفة، والمعيار الصناعي- لمعظم أنابيب مياه البحر وأنابيب المبادلات الحرارية-، مع ضعف التوصيل الحراري لمونيل 400 تقريبًا وأفضل مقاومة طبيعية للحشف الحيوي لأي سبيكة هندسية. يعد Monel 400 هو الخيار المتميز عندما تكون سرعات التدفق عالية، أو تكون مياه البحر ملوثة أو متغيرة، أو عندما تكون القوة والموثوقية على المدى الطويل-في ظل الظروف المضطربة تبرر تكلفة أولية تكون عادةً أعلى بعدة مرات.
يقارن هذا الدليل السبائكتين عبر التركيب، ومقاومة التآكل، وسرعة التدفق، والحشف الحيوي، ونقل الحرارة، والخواص الميكانيكية، والتكلفة، والتصنيع، وملاءمة التطبيق. يبدأ كل قسم بخاتمة مباشرة حتى يمكن استخلاص الإجابة والاستشهاد بها بسرعة، يليها الأساس المنطقي الهندسي وراءها.
ما ستتعلمه في هذا المقال:
- تآكل:ما هي السبائك التي تقاوم التآكل بمياه البحر بشكل أفضل، وتحت أي ظروف
- سرعة التدفق:كيف تغير سرعة التدفق معادلة اختيار المادة-.
- نقل الحرارة:لماذا تهيمن مادة cupronickel 90/10 على خدمة المبادلات الحرارية-.
- يكلف:كيف تقارن التكلفة الأولية مع تكلفة دورة الحياة
- اختيار:قائمة مراجعة عملية للقرارات المتعلقة بالأنابيب والمبادلات الحرارية
ما هي مونيل 400 و كوبرونيكل 90/10؟
المونيل 400 عبارة عن سبيكة قائمة على النيكل- وتحتوي على 63-70% نيكل و28-34% نحاس تقريبًا، في حين أن كوبرونيكل 90/10 عبارة عن سبيكة أساسها النحاس -تحتوي على 88-90% نحاس و9-11% نيكل تقريبًا. إن المعدن الذي يهيمن على كل سبيكة - نيكل في مونيل 400، والنحاس في كوبرونيكل 90/10 - يؤدي تقريبًا إلى كل الاختلافات في الأداء والسعر التالي.
من السهل الخلط بين أسماء السبيكتين، لكن كيميائهما مختلفة تمامًا. "Monel 400" هو الاسم التجاري لسبائك النحاس والنيكل- UNS N04400؛ "cupronickel 90/10" (مكتوب أيضًا Cu-Ni 90/10 أو CuNi10Fe1Mn) هو الاسم الشائع لسبائك النحاس- والنيكل UNS C70600. وتظهر التراكيب الاسمية في الجدول 1.
|
العنصر (بالوزن%) |
مونيل 400 (UNS N04400) |
كوبرونيكل 90/10 (UNS C70600) |
|
النيكل (ني) |
63.0 دقيقة |
9.0–11.0 |
|
النحاس (النحاس) |
28.0–34.0 |
الرصيد (حوالي . 88.6 دقيقة) |
|
الحديد (الحديد) |
2.5 كحد أقصى |
1.0–1.8 |
|
المنغنيز (من) |
2.0 كحد أقصى |
0.5–1.0 |
|
الكربون (ج) |
0.30 كحد أقصى |
0.05 كحد أقصى |
|
السيليكون (سي) |
0.50 كحد أقصى |
- |
|
الكبريت (S) |
0.024 كحد أقصى |
0.02 كحد أقصى |
الجدول 1. التركيب الكيميائي الاسمي للمونيل 400 (UNS N04400) والكوبرونيكل 90/10 (UNS C70600). المصادر: ASTM B164/B466 وأوراق بيانات السبائك المنشورة.
كلتا السبيكتين عبارة عن سبائك محلول-صلبة أحادية الطور-: لا يمكن تصليدهما بالمعالجة الحرارية، بل بالعمل على البارد فقط، ويمكن لحامهما وتصنيعهما بشكل موثوق. يمنح محتوى النيكل العالي في Monel 400 قوة أعلى ومقاومة فائقة للمواد الكيميائية العدوانية وسعرًا أعلى بكثير. Cupronickel 90/10 هو في الأساس "نحاس من الدرجة البحرية-": توفر مصفوفته الغنية بالنحاس- توصيلًا حراريًا ممتازًا، ومضادًا طبيعيًا رائعًا للحشف على السفن، وتكلفة مواد أقل بكثير. إن فهم هذا الاختلاف الأساسي يجعل بقية المقارنة بديهية.
أي سبيكة تتمتع بمقاومة أفضل للتآكل في مياه البحر؟
في مياه البحر النظيفة المتدفقة، تعمل كلتا السبيكتين بشكل ممتاز ويتم تصنيفهما لعقود من الخدمة - ولكن Monel 400 هي السبيكة الأكثر تسامحًا عندما تصبح الظروف قاسية. إنه يقاوم التنقر، وتآكل الشقوق، والإجهاد الناتج عن الكلوريد-تشقق التآكل (SCC) عبر نطاق أوسع من سرعات التدفق، ودرجات الحرارة، ونوعية المياه، بما في ذلك مياه البحر الملوثة والكبريتيد-. يعتبر Cupronickel 90/10 ممتازًا في مياه البحر النظيفة ولكنه أكثر حساسية للركود أو التدفق المنخفض- أو الظروف الملوثة.
تحمي كلتا السبائك نفسها بطبقات رقيقة من الأكسيد-ذاتية الشفاء، كما أنها محصنة بشكل فعال ضد الكلوريد-الإجهاد الناجم عن-تكسير التآكل - وهو وضع الفشل الذي يحد من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مثل 316L في مياه البحر. معدلات التآكل الموحدة المُبلغ عنها منخفضة جدًا لكلا المادتين. عادة ما يكون معدل مونيل 400 أقل من 0.025 ملم/سنة في مياه البحر المتدفقة، مع القيم المنشورة عادة في حدود 0.002-0.013 ملم/سنة. يظهر Cupronickel 90/10 معدلات تآكل عامة تبلغ حوالي 0.002-0.008 مم/سنة في مياه البحر الطبيعية الهادئة. بالنسبة لواجب مياه البحر-النظيف المتماثل، فإن الاثنين متساويان تقريبًا.
ويظهر الفرق عندما تصبح البيئة أقل مثالية. يتحمل Monel 400 مياه البحر الدافئة والتدفق السريع، ويقاوم أحماض الهيدروفلوريك والكبريتيك في ظل ظروف مخففة، ويتعامل مع التلوث بالكبريتيد بشكل أفضل بكثير من السبائك القائمة على النحاس-. يعتبر Cupronickel 90/10 حساسًا للأمونيا ويمكن أن يعاني من الحفر الناجم عن الكبريتيد - في المياه الراكدة الملوثة أو المنزوعة الهواء-؛ يمكن أن تتعرض كلا السبائك لتنقر موضعي، أو هجوم شقوق، أو تآكل متأثر ميكروبيولوجيًا (MIC) تحت الرواسب في مناطق التدفق المنخفضة -. التصميم من أجل التدفق والنظافة مهم بقدر أهمية اختيار السبائك.
ما هي السبائك التي تتعامل مع سرعات تدفق مياه البحر الأعلى؟
يتفوق Monel 400 بشكل حاسم في سرعات التدفق العالية. يقاوم الغشاء الواقي التآكل-التآكل إلى ما هو أبعد من الحدود العملية للكوبرونيكل: يجب أن يقتصر الكوبرونيكل 90/10 بشكل متحفظ على حوالي 3.5 م/ث في مياه البحر النظيفة (مع نطاق التصميم الموصى به من 1.8 إلى 2.5 م/ث)، في حين يتم تحديد مونيل 400 بشكل روتيني حيث تكون السرعات أعلى بعدة مرات، وتشير البيانات المنشورة إلى وجود تآكل لا يذكر حتى عند معدلات التدفق العالية جدًا.
تتمتع كل سبيكة في مياه البحر المتدفقة "بسرعة انفصالية": ففوق السرعة الحرجة، تتم إزالة الطبقة الواقية بشكل أسرع مما يمكن إصلاحه، ويبدأ التآكل-التآكل (هجوم الاصطدام). بالنسبة لـ cupronickel 90/10، توصي إرشادات الصناعة بسرعات تصميم تبلغ حوالي 1.8-2.5 م/ث وحد أقصى محافظ يبلغ حوالي 3.5 م/ث في مياه البحر النظيفة، مع بعض الرموز التي تسمح بما يصل إلى حوالي 4.5 م/ث في الخدمة المتقطعة. تحت حوالي 1 م/ث، يحتاج النحاس والنيكل إلى الحماية من ترسب الرواسب والتآكل الناجم عن الرواسب.
ليس لدى Monel 400 حد سرعة عملي مماثل في مياه البحر النظيفة. إنه اختيار قياسي لخطوط تفريغ المضخة، والدفاعات، وحواف الصمام، ومداخل الأنابيب حيث تكون السرعات والاضطراب عالية. يُظهر اختبار الاصطدام السائل - (ASTM G73) أن المونيل 400 يفقد مادة أقل بنسبة 60-75% من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L في ظل ظروف الاصطدام المكافئة، وتشير البيانات المنشورة إلى وجود تآكل لا يذكر في مياه البحر حتى عند سرعات التدفق التي تقترب من 30 م/ث. عندما تتجاوز سرعات التصميم حوالي 3.5 م/ث، فإن مونيل 400 هو الحل المعدني الأكثر أمانًا.
أي سبيكة تقاوم الحشف الحيوي البحري بشكل أفضل؟
Cupronickel 90/10 هي السبيكة القياسية لمقاومة الحشف الحيوي. يقوم سطحه الغني بالنحاس- بإطلاق أيونات النحاس بشكل مستمر في الطبقة الحدودية، مما يمنع البرنقيل وبلح البحر والطحالب بشكل طبيعي بدون جرعات كيميائية. يستفيد Monel 400 أيضًا من محتواه من النحاس بنسبة 28-34% ويتفوق بشكل واضح على الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم، ولكن يظل cupronickel 90/10 هو الخيار الأقوى والأكثر اقتصادًا عندما يكون التحكم في القاذورات أولوية.
الحشف الحيوي - تجمع الكائنات البحرية على الأسطح المبللة - يسد الأنابيب، ويعزل الأسطح الناقلة للحرارة-، ويخلق الرواسب التي يبدأ تحتها التآكل الموضعي. تقاوم سبائك النحاس التلوث لأنها تطلق كميات صغيرة من أيونات النحاس الحيوية (Cu⁺ وCu²⁺) في طبقة الماء المجاورة للمعدن. كوبرونيكل 90/10، الذي يحتوي على ما يقرب من 88-90٪ من النحاس، هو أقوى سبيكة طبيعية مضادة للحشف على السفن في الاستخدام البحري الشائع؛ إنه مخصص لأنابيب الحريق وأنابيب المكثف على وجه التحديد لأن التجاويف تظل نظيفة ويظل التدفق ونقل الحرارة مستقرين لعقود من الزمن.
يمنح النحاس بنسبة 28-34% من Monel 400 قدرة مقاومة للحشف على السفن قابلة للقياس - أفضل من الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم - ولكن أقل من النحاس والنيكل. في المياه الدافئة أو الراكدة أو الغنية بالمواد المغذية-، تزداد مخاطر الحشف الحيوي وMIC على المونيل، ولا تزال هناك حاجة إلى سرعة التدفق أو الكلورة أو التنظيف. لا تلغي أي من السبائك الحاجة إلى تصميم جيد للنظام؛ كلاهما يستفيد من التدفق المستمر فوق الحد الأدنى للسرعة.
ما هي السبيكة التي توفر نقلًا أفضل للحرارة في المبادلات الحرارية؟
Cupronickel 90/10 يفوز بشكل حاسم في نقل الحرارة. تبلغ الموصلية الحرارية حوالي 40-50 واط/(م·ك) تقريبًا ضعف موصلية المونيل 400 ~22 واط/(م·ك)، لذلك بالنسبة لنفس واجب التبادل الحراري-، تتطلب أنابيب النحاس والنيكل مساحة سطح أقل - أو تنقل حرارة أكثر - من أنابيب المونيل ذات نفس الهندسة.
تقيس الموصلية الحرارية مدى سهولة انتقال الحرارة عبر جدار معدني، وهي الخاصية الأكثر أهمية لاختيار أنبوب المبادل الحراري-. ويضع الجدول 2 كلا السبيكتين في السياق: يوصل كوبرونيكل 90/10 حرارة تعادل ضعف حرارة مونيل 400 تقريبًا، وكلاهما يتفوق في الأداء على الفولاذ المقاوم للصدأ.
|
مادة |
الموصلية الحرارية النموذجية (W/(m·K)، ~20–25 درجة) |
|
كوبرونيكل 90/10 (C70600) |
40-50 (نموذجي ~45) |
|
كوبرونيكل 70/30 (C71500) |
~29 |
|
مونيل 400 (N04400) |
~21.8 |
|
الفولاذ المقاوم للصدأ 316 |
~16 |
جدول 2. التوصيل الحراري النموذجي لسبائك المبادل الحراري -المرشحة. المصادر: بيانات CDA (جمعية تطوير النحاس) وصحائف بيانات السبائك المنشورة.
في تصميم المبادل الحراري-، تعني الموصلية الأعلى حزمًا أصغر وأغلفة أخف وتكلفة أقل لنفس المهمة. يضيف مانع التلوث الطبيعي للكوبرونيكل 90/10 فائدة ثانية: الأسطح النظيفة تحافظ على انتقال الحرارة بمرور الوقت، مما يحافظ على انخفاض عامل التلوث. ولهذا السبب تهيمن أنابيب كوبرونيكل 90/10 على مكثفات محطات الطاقة الساحلية، والمبردات البحرية، ومحطات تحلية المياه.
هناك تحذير واحد مهم. عندما تكون مياه التبريد ذات سرعة عالية جدًا، أو محملة بالطمي-، أو ملوثة، فإن مقاومة التآكل الفائقة لمونيل 400-والقوة الأعلى (مما يسمح بجدران أنابيب أرق) يمكن أن تعوض موصليتها المنخفضة. في الخدمة القصوى، يمكن أن يبرر اكتساب الموثوقية عقوبة منطقة السطح - - ولكن بالنسبة للتيار الاقتصادي السائد للمبادلات الحرارية لمياه البحر، فإن كوبرونيكل 90/10 هو الإجابة القياسية.
كيف يمكن مقارنة خصائصها الميكانيكية؟
المونيل 400 أقوى بحوالي 1.5-2 مرة من النحاس الملدن 90/10، مما يسمح بجدران أرق، وأنابيب أخف وزنًا، وضغوط تصميمية أعلى. يعتبر Cupronickel 90/10 أكثر ليونة وأكثر ليونة، مما يجعل من السهل تشكيله وثنيه وتصنيعه.
|
خاصية (نموذجية، ملدنة) |
مونيل 400 (N04400) |
كوبرونيكل 90/10 (C70600) |
|
قوة الشد (ميغاباسكال) |
483–655 |
~276–380 |
|
قوة الخضوع، إزاحة 0.2% (MPa) |
172–345 |
~100–140 |
|
استطالة (٪) |
35–50 |
30–40 |
|
معامل المرونة (GPa) |
~179 |
~124 |
|
الكثافة (جم/سم³) |
8.80 |
8.94 |
|
نطاق الانصهار (درجة) |
1300–1350 |
1170–1240 |
الجدول 3. الخواص الميكانيكية والفيزيائية الملدنة النموذجية. المصادر: ASTM B164، ASTM B466، وأوراق بيانات السبائك المنشورة.
يمكن أيضًا تقوية Monel 400 بشكل كبير عن طريق العمل البارد، وهذا هو السبب في تفضيله لأعمدة المضخة، والدفاعات، وسيقان الصمامات التي يجب أن تحمل تفاوتات الأبعاد تحت الحمل. نادرًا ما تمثل القوة المنخفضة لـ Cupronickel 90/10 قيدًا على الأنابيب عند الضغوط المعتدلة - تتعامل جداول الأنابيب القياسية مع ضغوط التصميم النموذجية بشكل مريح - ولكن التصميمات الحرجة-الجدران الرقيقة أو الضغط العالي- أو الوزن- تحول التوازن نحو Monel 400. وتظل كلتا السبيكتين قويتين في درجات الحرارة المنخفضة، وهو أمر مهم لخدمة المياه المبردة والباردة-.
ما هي السبائك الأكثر فعالية من حيث التكلفة-على مدار دورة حياة الأصل؟
يعتبر Cupronickel 90/10 أرخص مقدمًا بشكل كبير - عادةً أقل بعدة مرات للكيلوغرام الواحد من Monel 400 - لأن النيكل، الذي يشكل 63-70% من Monel 400، تم تداوله تاريخيًا بحوالي 3-4 أضعاف سعر النحاس. بالنسبة للواجبات الروتينية المتعلقة بمياه البحر، يعتبر الكوبرونيكل هو الفائز الاقتصادي الواضح. تقوم شركة Monel 400 بسداد أقساطها فقط في الخدمات الحرجة أو{12}}العالية السرعة أو القوية حيث قد يكلف الفشل المبكر أكثر بكثير من تكلفة المادة نفسها.
سعر المواد يتتبع المحتوى المعدني. يتكون المونيل 400 من 65% تقريبًا من النيكل، وقد تم تداول النيكل تاريخيًا بحوالي 3-4 أضعاف سعر النحاس؛ يتكون كوبرونيكل 90/10 تقريبًا من 10% نيكل و88-90% نحاس. ونتيجة لذلك، تعرض قوائم السوق باستمرار ألواح وأنبوب Monel 400 بعدة أضعاف سعر الكيلوجرام الواحد-من النحاس النيكل 90/10. تتحرك المضاعفات الدقيقة مع أسعار بورصة لندن للمعادن (LME)، لذلك يجب أن يستند أي قرار شراء إلى عروض الأسعار الحالية.
لكن سعر الشراء لا يمثل القصة بأكملها. في الخدمة الشديدة - سرعة عالية، مياه ملوثة، اضطرابات متكررة - توفر Monel 400 فترات فحص أطول، وحالات فشل أقل، وتكاليف أقل للتنظيف ووقت التوقف عن العمل، الأمر الذي يمكن أن يجعل التكلفة الإجمالية للملكية تنافسية أو أقل على مدى 20-30{10}}عمر الأصول. في الخدمة الخفيفة، يفي cupronickel 90/10 بالفعل بالعمر المطلوب بجزء صغير من تكلفة التركيب. الواقع الهندسي: أرخص سبيكة هي تلك التي تلبي متطلبات عمر الخدمة بأقل تكلفة إجمالية للملكية، وليس تلك التي لها أقل سعر شراء.
كيف يمكن مقارنتها في التصنيع واللحام والتصنيع؟
يتم لحام كلا السبائك وتصنيعها جيدًا باستخدام الإجراءات المناسبة ومعادن الحشو المطابقة. Cupronickel 90/10 هي المادة الأسهل في التصنيع والشكل البارد واللحام لأنها أكثر ليونة؛ يتطلب Monel 400 أدوات أكثر قوة وتحكمًا أكثر إحكامًا في إدخال الحرارة-، ولكنه مادة قياسية ومفهومة جيدًا-في التصنيع البحري.
- لحام - مونيل 400:يتم لحام Monel 400 بمواد مستهلكة من النحاس والنيكل - متطابقة - AWS ERNiCu-7 سلك لـ GTAW/GMAW وأقطاب AWS ENiCu-7 لـ SMAW - مع أسطح نظيفة وإدخال حرارة يمكن التحكم فيه.
- اللحام - كوبرونيكل 90/10:Cupronickel 90/10 ملحوم بالنحاس-مواد مستهلكة من النيكل - سلك AWS ERCuNi لـ GTAW/GMAW وأقطاب AWS ECuNi لـ SMAW - باستخدام مدخلات حرارة منخفضة وغاز داعم لحماية جذر اللحام.
- بالقطع:Cupronickel 90/10 ناعم ويمكن أن يكون "لزجًا" تحت الأداة؛ الأدوات الحادة وزوايا أشعل النار الإيجابية تعطي نتائج نظيفة. عمل Monel 400-يتصلب بسرعة ويحتاج إلى إعدادات صارمة وسرعات أبطأ ومبرد.
- تشكيل الباردة:يتمتع Cupronickel 90/10 بقابلية انحناء ممتازة ويتم توفيره بشكل روتيني على شكل أنابيب رفيعة منحنية على الحائط. يتشكل Monel 400 جيدًا ولكنه يحتاج إلى مزيد من القوة ونصف قطر انحناء أكبر.
- معايير نموذج المنتج-:مونيل 400: ASTM B127 (لوحة/ورقة)، B164 (قضيب/قضيب/سلك)، B165 (أنبوب/أنبوب غير ملحوم)، B564 (المطروقات). كوبرونيكل 90/10: ASTM B466/B466M (أنبوب/أنبوب غير ملحوم)، B467 (أنبوب ملحوم)، B111 (أنبوب مكثف ومبادل حراري)، B171 (لوحة)، B151 (قضيب)، B552 (أنبوب تحلية المياه).
ما هي السبائك الأفضل لأنابيب مياه البحر؟
بالنسبة لغالبية أنابيب مياه البحر على متن السفن والمحطات - مياه التبريد، والصابورة، والآسن، وأنابيب إطفاء الحريق بالسرعات العادية - cupronickel 90/10 هو معيار الصناعة-وفعال من حيث التكلفة-الافتراضي مع سجل خدمة متعدد-عقود. حدد Monel 400 عندما تتجاوز سرعات التصميم حدود الكوبرونيكل، أو عندما تكون جودة المياه رديئة أو متغيرة، أو عندما يكون تصميم الضغط الرفيع-عالي الضغط-عاليًا يوفر الوزن، أو عندما تكون تكاليف التوقف عن العمل شديدة.
Cupronickel 90/10 هو النوع الأكثر تحديدًا على نطاق واسع لأنابيب مياه البحر في جميع أنحاء العالم. يحافظ مانعه الطبيعي للحشف على نظافة أنابيب الحريق وخطوط التبريد، كما أن معدل التآكل الخاص به لا يكاد يذكر في مياه البحر المتدفقة النظيفة، كما أن تكلفة تركيبه تمثل جزءًا صغيرًا من تكلفة تركيب Monel 400. إنها الإجابة الصحيحة عندما تصف مياه البحر النظيفة والسرعات التي تصل إلى 3.5 م/ث تقريبًا المهمة.
يتم اختيار Monel 400 حيث يكون النحاس والنيكل معرضًا للخطر:-خطوط التفريغ عالية السرعة والأجزاء الداخلية للمضخة، والدفاعات، وحواف الصمامات، والأعمدة، والمثبتات في الأنظمة الحيوية. إنه يتحمل المياه الملوثة والمحتوية على الكبريتيد-، وهو غير مغناطيسي (ذو قيمة بالقرب من الملاحة والأجهزة)، كما أن قوته العالية تسمح بجدران أرق وأنظمة أخف وزنًا. ويلخص الجدول 4 منطق القرار.
|
سائق الاختيار |
اختر كوبرونيكل 90/10 |
اختر مونيل 400 |
|
نوعية المياه |
مياه البحر النظيفة والغازية |
ملوث، محمل بالكبريتيد-، جودة متغيرة |
|
سرعة التصميم |
أقل من أو يساوي ~3.5 م/ث |
السرعة العالية، الاصطدام، خطر التجويف |
|
الضغط والوزن |
جداول قياسية، ضغط معتدل |
جدار رقيق-، ضغط عالي-، وزن-حرج |
|
السيطرة على الحشف |
المياه المعرضة للحشف الحيوي-(أفضل مانع للحشف) |
جيد أيضًا؛ MIC-الأنظمة المهمة |
|
الحرجية |
الأنظمة الروتينية،-حساسة للميزانية |
السلامة-حرجة، وقت التوقف عن العمل-حرج |
|
ميزانية |
انخفاض تكلفة التثبيت |
تكلفة أعلى حياة أطول في واجب شديد |
الجدول 4. إرشادات القرار لتطبيقات أنابيب مياه البحر.
ما هي السبائك الأفضل لأنابيب المبادلات الحرارية؟
يعد Cupronickel 90/10 هو الخيار الافتراضي والأكثر اقتصادًا لمبادل حرارة مياه البحر وأنابيب المكثف-: فهو يجمع تقريبًا ضعف التوصيل الحراري لـ Monel 400 مع أفضل مضاد طبيعي للحشف، لذا تظل المبادلات أصغر حجمًا وأكثر نظافة وأكثر كفاءة. يتم تحديد أنابيب Monel 400 عندما تتجاوز -سرعة مياه التبريد أو قوتها حدود النحاس والنيكل، أو عندما تكون قوة الجدار الرقيقة- وهامش التآكل تبرر التكلفة.
تعتمد اقتصاديات المبادل الحراري- على التوصيل الحراري وعامل التلوث. يسجل Cupronickel 90/10 أعلى النتائج في كليهما: فهو يوصل الحرارة بمقدار الضعف تقريبًا مقارنة بـ Monel 400 ويقاوم الأوساخ بشكل طبيعي، لذلك تظل الحزم مضغوطة وفعالة على مدار عقود. إنها مادة الأنابيب القياسية لمكثفات محطات الطاقة الساحلية، والمبردات البحرية، ومحطات تحلية المياه، المحددة بموجب ASTM B111 وB552.
تظهر أنابيب المونيل 400 في عدد قليل من المبادلات حيث يتجاوز الواجب غلاف كوبرونيكل: مياه تبريد ذات سرعة عالية جدًا- عند مداخل الأنابيب، أو مياه ملوثة أو غرينية-محملة، أو تصميمات ذات ضغط عالي- حيث تسمح قوة المونيل بجدران أرق وهوامش أعلى. ويتم اختياره أيضًا في مبادلات الخدمة الكيميائية-حيث قد يوجد حمض الهيدروفلوريك أو الكبريتيك. كقاعدة عامة: إذا كانت مياه البحر النظيفة بسرعات أقل من 3.5 م/ث تقريبًا تصف واجبك، فإن كوبرونيكل 90/10 هو دائمًا مادة الأنبوب المناسبة؛ انتقل إلى Monel 400 فقط عندما تستبعده السرعة أو التلوث أو الضغط.
مونيل 400 ضد كوبرونيكل 90/10
يدمج الجدول 5 كل مقارنة في هذا الدليل في مرجع واحد قابل للاستخراج.
|
ملكية |
مونيل 400 (UNS N04400) |
كوبرونيكل 90/10 (UNS C70600) |
ميزة |
|
تسمية UNS |
N04400 |
C70600 |
- |
|
عائلة سبائك |
نيكل-نحاس |
نحاس-نيكل |
- |
|
المعدن الأساسي |
النيكل (63-70%) |
النحاس (~88–90%) |
- |
|
الموصلية الحرارية |
~22 W/(m·K) |
~40–50 W/(m·K) |
كوبرونيكل 90/10 |
|
قوة الشد (ملدن) |
483-655 ميجا باسكال |
~276-380 ميجا باسكال |
مونيل 400 |
|
قوة الخضوع (ملدن) |
172-345 ميجا باسكال |
~100-140 ميجا باسكال |
مونيل 400 |
|
استطالة |
35–50% |
30–40% |
مونيل 400 |
|
التآكل في مياه البحر المتدفقة النظيفة |
<0.025 mm/yr |
~0.002-0.008 ملم/ سنة |
مقابل |
|
مقاومة كلوريد SCC |
منيع |
منيع |
مقابل |
|
أقصى سرعة لتدفق مياه البحر |
عالية جدًا؛ لا يوجد حد عملي للمياه النظيفة-في معظم المراجع |
~3.5 م/ث متواصل |
مونيل 400 |
|
مقاومة الحشف الحيوي |
جيد (محامل-النحاس) |
ممتاز (الأفضل في فئته) |
كوبرونيكل 90/10 |
|
مياه ملوثة / كبريتيدية-محملة |
التسامح الجيد |
حساس |
مونيل 400 |
|
نقل الحرارة |
معتدل |
ممتاز |
كوبرونيكل 90/10 |
|
تكلفة المواد النسبية |
عالية (عدة × كوبرونيكل) |
منخفض-متوسط |
كوبرونيكل 90/10 |
|
منتجات نموذجية |
الأعمدة، والدفاعات، وحواف الصمامات، وخطوط السرعة العالية-. |
الأنابيب، وأنابيب إطفاء الحرائق الرئيسية، وأنابيب المكثفات والمبادلات الحرارية-، وتحلية المياه |
- |
جدول 5. المقارنة الموحدة بين المونيل 400 والكوبرونيكل 90/10 -. القيم هي بيانات منشورة نموذجية للمواد الملدنة؛ التحقق من تقارير اختبار المطحنة الحالية لمنتجات محددة.
الأسئلة المتداولة
س1. هل المونيل 400 هو نفس الكوبرونيكل؟
رقم Monel 400 (UNS N04400) عبارة عن سبيكة من النيكل-والنحاس تحتوي على ما يقرب من 63-70% نيكل و28-34% نحاس. Cupronickel 90/10 (UNS C70600) عبارة عن سبيكة من النحاس-والنيكل تحتوي على ما يقرب من 88-90% من النحاس و9-11% من النيكل. يختلف المعدن الأساسي، وكذلك القوة، والتوصيل الحراري، والتكلفة، والتطبيقات النموذجية.
س2. أيهما أفضل لمياه البحر: مونيل 400 أم كوبرونيكل 90/10؟
ذلك يعتمد على الواجب. بالنسبة لمياه البحر النظيفة بسرعات التدفق العادية، عادة ما تكون قيمة كوبرونيكل 90/10 هي القيمة الأفضل: تكلفة أقل، وضعف التوصيل الحراري تقريبًا، ومقاومة فائقة للحشف الحيوي. يعد Monel 400 أفضل عندما تكون السرعات عالية، أو تكون المياه ملوثة، أو تكون القوة والموثوقية في ظل الظروف المضطربة أمرًا بالغ الأهمية.
س3. لماذا يعتبر Monel 400 باهظ الثمن؟
يحتوي المونيل 400 على 63-70% من النيكل، ويتم تداول النيكل عادةً بحوالي 3-4 أضعاف سعر النحاس. نظرًا لأن الكوبرونيكل 90/10 يتكون في معظمه من النحاس، فإن تكلفة المواد الخام-تكون أقل بكثير. على أساس-الكيلوجرام الواحد، تبلغ تكلفة المونيل 400 عادةً عدة مرات أكثر من الكوبرونيكل 90/10.
س 4. هل يمكن استخدام cupronickel 90/10 عند السرعات العالية لمياه البحر؟
نعم، في حدود. تبلغ سرعات التصميم الموصى بها حوالي 1.8-2.5 م/ث، مع حد أقصى محافظ يبلغ حوالي 3.5 م/ث في مياه البحر النظيفة. علاوة على ذلك، يمكن للتآكل-التآكل (هجوم الاصطدام) أن يؤدي إلى تجريد الطبقة الواقية والتسبب في فقدان المعدن بسرعة.
س5. هل يتآكل المونيل 400 في مياه البحر؟
بالكاد، في ظل الظروف العادية. عادة ما تكون معدلات التآكل المنتظمة في مياه البحر المتدفقة أقل من 0.025 ملم/سنة، وغالبًا ما تكون 0.002-0.013 ملم/سنة. ومع ذلك، مثل النحاس والنيكل، يمكن أن يتعرض لهجوم موضعي من الحفر أو الشقوق في المياه الراكدة أو الملوثة أو الكبريتيدية-؛ التدفق الجيد وتصميم النظام يمنع ذلك.
س6. ما هي السبيكة المستخدمة في أنابيب مبادل حرارة مياه البحر-؟
يعتبر Cupronickel 90/10 هو الخيار الأكثر شيوعًا لمكثف مياه البحر وأنابيب المبادل الحراري-بسبب موصليتها الحرارية العالية ومقاومتها الطبيعية للحشف. يتم حجز Monel 400 لمهام-السرعة العالية أو الملوثة أو العالية الضغط- التي تتجاوز حدود cupronickel.
