แนวโน้มใหม่ในท่อแลกเปลี่ยนความร้อน: เหตุใดสแตนเลสจึงเข้ามาแทนที่ทองแดง?

อุตสาหกรรมเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทั่วโลกกำลังอยู่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงด้านวัสดุ ท่อทองแดงซึ่งเป็นทางเลือกหลักมาอย่างยาวนาน กำลังเผชิญกับการแข่งขันที่รุนแรงจากเหล็กกล้าไร้สนิม จากการกลั่นปิโตรเคมีไปจนถึงการทำความเย็นในศูนย์ข้อมูล จากการจัดการความร้อนของยานพาหนะพลังงานใหม่ไปจนถึงการทำความร้อนแบบรวมศูนย์ ท่อสแตนเลสกลายเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งรวมถึงคอยล์ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน เนื่องจากมีความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรงสูง และความคุ้มค่า

ทำไมต้องใช้ท่อสแตนเลส?

การเพิ่มขึ้นของท่อสแตนเลสในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนได้รับแรงหนุนจากความสมดุลของปัจจัย 3 ประการ ได้แก่ ความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรง และราคา

ความต้านทานการกัดกร่อนคือการพิจารณาเบื้องต้นสแตนเลสสามารถทนต่อการกัดกร่อนได้หลายรูปแบบต่างจากท่อทองแดง เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์และเหล็กกล้าไร้สนิมซุปเปอร์ออสเทนนิติกผสมผสานความแข็งแรงสูงเข้ากับความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูพรุนและการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นได้ดี ตอบสนองความต้องการของสภาวะการให้บริการที่อุณหภูมิสูง แรงดันสูง และมีการกัดกร่อนสูง ยกตัวอย่าง Alleima (เดิมชื่อ Sandvik) SAF 2707 HD เหล็กกล้าไร้สนิมซูเปอร์ดูเพล็กซ์โลหะผสมสูงนี้ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับสภาวะที่มีการกัดกร่อนสูง: ค่า PRE ขั้นต่ำ (เทียบเท่าความต้านทานแบบหลุม) คือ 48 ความต้านทานการกัดกร่อนในความเข้มข้นของกรดซัลฟิวริกสูงถึง 50% ซึ่งสูงกว่าค่า SAF 2507 และ 316L และหลังจากการทดสอบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเต็มสเกลเต็มเวลาหกเดือนในน้ำทะเลธรรมชาติที่มีคลอรีนที่อุณหภูมิผนังท่อที่ 70°C ก็ไม่มีการเกิดหลุมเกิดขึ้น วัสดุดังกล่าวถูกนำไปใช้ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อในโรงงานกลั่น ปิโตรเคมี และเคมี

ความแข็งแรงทางกลให้ข้อได้เปรียบในการออกแบบภายใต้สภาวะของท่อไร้ตะเข็บที่ผ่านการอบด้วยสารละลายที่อุณหภูมิ 20°C (ความหนาของผนัง ≤4 มม.) SAF 2707 HD มีความแข็งแรงของผลผลิต Rp0.2 ไม่น้อยกว่า 700 MPa ความต้านทานแรงดึง 920–1100 MPa และการยืดตัวไม่ต่ำกว่า 25% ซึ่งหมายความว่าภายใต้ข้อกำหนดการรับแรงกดเดียวกัน ท่อสแตนเลสสามารถใช้ผนังที่บางกว่าได้ ซึ่งให้ข้อได้เปรียบในด้านน้ำหนักและการใช้วัสดุ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบคอยล์ขนาดกะทัดรัดและการใช้งานที่มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง

ความคุ้มทุนไม่สามารถมองข้ามได้เมื่อราคาวัตถุดิบสำหรับทองแดงและไททาเนียมเพิ่มขึ้น ความได้เปรียบด้านต้นทุนและความคุ้มค่าของสแตนเลสก็เด่นชัดมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ในคอนเดนเซอร์ของโรงไฟฟ้า การวิเคราะห์ประสิทธิภาพของเหล็กกล้าไร้สนิมซุปเปอร์เฟอร์ริติก S44660 เทียบกับไทเทเนียม ทองเหลือง และคิวโปรนิกเกิลแสดงให้เห็นว่าวัสดุนี้ผสมผสานความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี ความแข็งแรงสูง ความเหนียวที่แข็งแกร่ง และราคาต่ำ ให้คุณค่าทางเทคโนโลยี-เศรษฐศาสตร์ที่ดีเยี่ยมในการต่อท่อหน่วยเก่า และสามารถเปลี่ยนท่อไทเทเนียมและทองแดงในคอนเดนเซอร์ได้ (การวิเคราะห์เทคโนโลยี-เศรษฐศาสตร์ที่เกี่ยวข้องมีอยู่ในแพลตฟอร์มวารสารวิศวกรรมของสมาคมวิศวกรรมไฟฟ้าแห่งประเทศจีน). ในโครงการจริง หน่วยพี่น้องสองหน่วยขนาด 500 MW ในเขตมิดเวสต์ของสหรัฐอเมริกาได้รับการต่อท่อใหม่ด้วย SEA-CURE® S44660 ตลอดระยะเวลาห้าปี โดยแทนที่หลอด Admiralty ดั้งเดิมและท่อคอนเดนเซอร์ทองแดง-นิกเกิล การตัดสินใจได้รับแรงผลักดันจากข้อจำกัดการปล่อยทองแดงที่เข้มงวดมากขึ้น (NPDES) ซึ่งท่อทองแดงไม่สามารถตอบสนองได้ (กรณีนี้ถูกนำเสนอที่การประชุมพลังงาน ASME 2012)

การเลือกใช้วัสดุ: โซลูชันที่แตกต่างกันสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน

สแตนเลสไม่ใช่วัสดุชนิดเดียวแต่เป็นกลุ่มที่ครอบคลุมหลายเกรด เงื่อนไขการบริการที่แตกต่างกันต้องใช้สแตนเลสประเภทต่างๆ

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก(เช่น 304, 316 และ 316L) เป็นประเภทที่ใช้กันมากที่สุด พวกมันมีความเหนียวและขึ้นรูปได้ดี และเป็นวัสดุต้านทานการกัดกร่อนที่มี PRE สูงที่ต้องการในภาคส่วนตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น อย่างไรก็ตาม สแตนเลส 316L ไม่สามารถตอบสนองความต้องการการทำงานที่มั่นคงในระยะยาวได้อีกต่อไปในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนที่ซับซ้อน เช่น เครื่องทำความเย็นแบบอากาศเหนือศีรษะของโรงกลั่น ซึ่งจำเป็นต้องอัพเกรดเป็นวัสดุเกรดที่สูงขึ้น

สแตนเลสดูเพล็กซ์(เช่น 2205 และ 2507) ผสมผสานข้อดีของออสเทนไนต์และเฟอร์ไรต์ เข้ากับความแข็งแรงและความทนทานต่อการกัดกร่อนจากความเค้นคลอไรด์ ซึ่งเหนือกว่าสเตนเลสออสเทนนิติกทั่วไปอย่างมาก GB/T 21833.1-2020 ระบุข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับท่อสเตนเลสดูเพล็กซ์ออสเทนนิติก-เฟอริติกแบบไม่มีรอยต่อสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน การศึกษาเปรียบเทียบการกัดกร่อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ยืนยันข้อดีนี้เพิ่มเติม: การเปรียบเทียบเหล็กกล้าออสเทนนิติก Cr-Ni และ Cr-Ni-Mo กับท่อเหล็กดูเพล็กซ์ 02Cr22Ni5NMo3 (UNS S31803) แสดงให้เห็นว่าท่อชนิดหลังมีความต้านทานที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญต่อการกัดกร่อนตามขอบเกรน การกัดกร่อนแบบรูพรุน การกัดกร่อนแบบรอยแยก การกัดกร่อนแตกร้าว และการกัดเซาะ การศึกษายังระบุเป็นครั้งแรกในโครงสร้างเหล็กเฟอร์ริติก-ออสเทนนิติก ขอบเขตเกรนพลังงานต่ำพิเศษ γ-γ, α-α และขอบเขตเฟส α-γ พร้อมความต้านทานการกัดกร่อนที่เพิ่มขึ้น (ฐานข้อมูล IAEA INIS).

สเตนเลสซุปเปอร์เฟอริติก(เช่น 444 และ 44660) ช่วยลดต้นทุนวัสดุลงอย่างมากในขณะที่ปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน การพัฒนาในห่วงโซ่อุตสาหกรรมยืนยันแนวโน้มนี้: Tianjin Jinbin Petrochemical ได้ใช้เหล็กกล้าไร้สนิมซุปเปอร์เฟอร์ริติก 444 กับมัดท่อระบายความร้อนด้วยน้ำของปิโตรเคมี Guangdong Xinhui Power Station มีซูเปอร์เฟอร์ริติกสแตนเลส 44660 ที่ใช้เป็นกลุ่มสำหรับท่อคอนเดนเซอร์ ซึ่งถือเป็นการทดแทนหมวดหมู่ผลิตภัณฑ์นี้ในประเทศในภาคการแลกเปลี่ยนความร้อนด้วยพลังงานความร้อน และ Taiyuan Iron & Steel (TISCO) ร่วมกับ CITIC Metal คว้ารางวัลที่หนึ่งในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโลหะวิทยา สำหรับโครงการเหล็กกล้าไร้สนิมซุปเปอร์เฟอร์ริติกประสิทธิภาพสูงสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในสาขาพิเศษ (สาขาเหล็กกล้าไร้สนิมของสมาคมเหล็กและเหล็กกล้าแห่งประเทศจีน).

การเปลี่ยนแปลงวัสดุโดยผ่านเป็นแนวทางที่ละเอียดยิ่งขึ้น เทคโนโลยีที่ได้รับการจดสิทธิบัตรเสนอให้ใช้สเตนเลสสตีล 316/316L ที่ทนต่อการกัดกร่อนสูงในสองสามรอบแรกของชุดท่อหลายชั้น (ที่มีการสัมผัสกับก๊าซทำความเย็นยวดยิ่ง) และใช้สเตนเลสสตีล 304/304L ที่มีต้นทุนต่ำกว่าในชั้นที่เหลือ ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนให้เหมาะสมพร้อมทั้งรับประกันประสิทธิภาพ

ความท้าทาย

ท่อสแตนเลสไม่ได้มีข้อบกพร่อง ในการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรม มีหลายประเด็นที่ต้องได้รับการดูแลอย่างใกล้ชิด

การเปรอะเปื้อนจะเด่นชัดยิ่งขึ้นภายใต้สภาวะคุณภาพน้ำปานกลาง สแตนเลสจะสกปรกเร็วกว่าทองแดง และความสามารถในการถ่ายเทความร้อนจะลดลงอย่างเห็นได้ชัดในระยะหลังของการทำงานการศึกษาปี 2026 ที่เผยแพร่บน ScienceDirect ให้ข้อมูลเฉพาะเจาะจง: ท่อสแตนเลสที่ไม่เคลือบเริ่มแสดงคราบแคลเซียมซัลเฟตที่มองเห็นได้หลังจากผ่านไปประมาณ 400 นาที ในขณะที่ท่อสแตนเลสเคลือบ TiOₓ แสดงคราบสกปรกที่มองเห็นได้หลังจากผ่านไปประมาณ 1,100 นาทีเท่านั้น ซึ่งขยายเวลาเหนี่ยวนำขึ้นอีก 2.75 เท่า ความต้านทานความร้อนในการเปรอะเปื้อนขั้นสุดท้ายของตัวอย่างที่เคลือบนั้นต่ำกว่าตัวอย่างที่ไม่เคลือบผิวเกือบ 44% การศึกษาเปรียบเทียบก่อนหน้านี้ (2010, ScienceDirect) แสดงให้เห็นว่าในบรรดาแคลเซียมซัลเฟตที่เกาะอยู่บนพื้นผิวโลหะสี่ชนิด ได้แก่ ทองแดง อลูมิเนียม ทองเหลือง และเหล็กกล้าไร้สนิม SS316 อัตราการสะสมคือทองแดง > ทองเหลือง > เหล็กกล้าไร้สนิม โดยมีค่าการนำความร้อนที่พื้นผิวโลหะสูงกว่า ส่งผลให้อุณหภูมิสภาวะคงตัวเริ่มต้นสูงขึ้นและการสะสมตัวที่รุนแรงยิ่งขึ้น ซึ่งหมายความว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำจากสเตนเลสสตีลจำเป็นต้องมีตารางการบำรุงรักษาที่เข้มงวดยิ่งขึ้นและการทำความสะอาดบ่อยขึ้น

การขึ้นรูปและการประดิษฐ์ทำได้ยากยิ่งขึ้นสแตนเลสมีความแข็งและเหนียวน้อยกว่าทองแดงหรืออลูมิเนียม ท่อที่มีผนังบางมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวและสปริงกลับได้ ความต้องการในการเชื่อมสูง การกัดกร่อนตามขอบเกรนและการเสียรูปหลังการเชื่อมอาจเกิดขึ้นได้ และพื้นผิวผนังด้านในหยาบและยากต่อการสำเร็จ ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลให้มีความต้องการกระบวนการผลิตมากขึ้น

การกัดกร่อนของคลอไรด์ยังคงเป็นความเสี่ยงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำจากสเตนเลสสตีล 304 ประสบปัญหาการเกิดรูพรุนและการแตกร้าวอย่างรุนแรงในการให้บริการจริง สภาวะที่มีคลอไรด์สูง เช่น น้ำทะเล จำเป็นต้องมีวัสดุเกรด 316L หรือสูงกว่า และบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนจากการเชื่อมก็มีแนวโน้มที่จะเกิดอาการแพ้ได้เช่นกัน

มาตรฐานและข้อมูลจำเพาะ

การผลิตและการใช้งานท่อแลกเปลี่ยนความร้อนสเตนเลสสตีลได้รับการสนับสนุนโดยระบบมาตรฐานที่เป็นที่ยอมรับ

มาตรฐาน ASTM A1098/A1098M-18(2022)ครอบคลุมท่อสเตนเลสออสเทนนิติก เฟอร์ริติก มาร์เทนซิติก และดูเพล็กซ์แบบเชื่อมสำหรับหม้อไอน้ำ เครื่องทำความร้อนยิ่งยวด คอนเดนเซอร์ และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ท่อเหล่านี้อาจมีโครงร่างพื้นผิวด้านในและด้านนอกเพื่อปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนหรือการไหลของของไหล มาตรฐานระบุเส้นผ่านศูนย์กลางท่อสูงสุด 1.5 นิ้ว (38 มม.) และความหนาของผนังสูงสุด 2 มม. โดยมีพื้นผิวที่มีพื้นผิวเกิดจากการขึ้นรูปเย็นบนพื้นผิวของพื้นผิวก่อนการเชื่อม (อย่างเป็นทางการของ ASTM: https://store.astm.org/a1098_a1098m-18r22.html)

GB/T 21833.1-2020เป็นมาตรฐานแห่งชาติของจีนโดยเฉพาะสำหรับท่อสเตนเลสดูเพล็กซ์ออสเทนนิติก-เฟอริติกแบบไม่มีรอยต่อสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน โดยระบุข้อมูลการสั่งซื้อ ขนาด รูปร่าง น้ำหนัก ข้อกำหนดทางเทคนิค วิธีทดสอบ กฎการตรวจสอบ และอื่นๆ

การทำงานร่วมกันในห่วงโซ่อุตสาหกรรมกำลังเร่งตัวขึ้น

ในเดือนมิถุนายน 2569 การประชุมแลกเปลี่ยนทางเทคนิคครั้งที่สองเกี่ยวกับเหล็กกล้าไร้สนิมประสิทธิภาพสูงสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจัดขึ้นที่ไท่หยวน ผู้เชี่ยวชาญมากกว่า 120 รายจากบริษัทต่างๆ เช่น Alfa Laval, Shanghai Lanbin, Yantai Henghui, Zhejiang Yinlun และ CATL เข้าร่วม การประชุมมุ่งเน้นไปที่นวัตกรรมวัสดุ การใช้งานทางวิศวกรรม การลดต้นทุนและการปรับปรุงประสิทธิภาพ และการพัฒนาคาร์บอนต่ำที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม โดยส่งเสริมการใช้งานสแตนเลสในวงกว้างในสถานการณ์การแลกเปลี่ยนความร้อนทุกรูปแบบ (ข่าวทิสโก้).

ผู้เชี่ยวชาญที่เข้าร่วมกล่าวว่าอุตสาหกรรมเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอยู่ในขั้นตอนสำคัญของการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ระบบการจัดการความร้อนของยานพาหนะพลังงานใหม่ต้องใช้วัสดุที่คงความเสถียรภายใต้สภาวะที่รุนแรง ระบบระบายความร้อนของศูนย์ข้อมูลกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับความต้านทานการกัดกร่อนและการนำความร้อน และภาคการจัดเก็บพลังงานใหม่และภาคการทำความร้อนแบบรวมพื้นที่ต้องการโซลูชันอย่างเร่งด่วนที่สร้างสมดุลระหว่างต้นทุนและความน่าเชื่อถือ ความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปเหล่านี้กำลังบังคับให้ภาคส่วนวัสดุแลกเปลี่ยนความร้อนเร่งการเปลี่ยนแปลงไปสู่ประสิทธิภาพสูง การปรับแต่ง และการพัฒนาสีเขียว

สิ่งนี้มีความหมายสำหรับนักออกแบบ

การเลือกท่อสแตนเลสเป็นวัสดุหลักสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจำเป็นต้องมีการประเมินปัจจัยต่อไปนี้อย่างเป็นระบบ:

ข้อดี:

• สเปกตรัมความต้านทานการกัดกร่อนในวงกว้าง โดยมีเกรดที่เหมาะสมให้เลือกตั้งแต่คุณภาพน้ำปกติไปจนถึงสภาวะที่เป็นกรดหรือด่างสูง
• ความแข็งแรงสูงช่วยให้มีการออกแบบผนังบาง ช่วยลดน้ำหนักและต้นทุนวัสดุ
• อายุการใช้งานยาวนาน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสเตนเลสสตีลซุปเปอร์เฟอริติกสามารถทำงานได้อย่างเสถียรมานานกว่า 20 ปี
• ค่าบำรุงรักษาต่ำกว่าโลหะผสมไทเทเนียมและนิกเกิล

• รองรับการออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงและเทคโนโลยีการถ่ายเทความร้อนขั้นสูงเมื่อรวมกับเครื่องมือจำลอง

ข้อเสียที่ต้องพิจารณา:

• แนวโน้มการเปรอะเปื้อนสูงกว่าทองแดง ทำให้ต้องทำความสะอาดและบำรุงรักษาบ่อยกว่า
• ความยากในการขึ้นรูปและการผลิตมากขึ้น โดยมีข้อกำหนดกระบวนการเชื่อมสูง
• การเลือกใช้วัสดุต้องระมัดระวังในสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์เพื่อหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนแบบรูพรุนและความเครียด
• ค่าการนำความร้อนต่ำกว่าทองแดง โดยต้องใช้พื้นที่การถ่ายเทความร้อนเพิ่มเติมเพื่อชดเชย

ดังนั้นการใช้ท่อสเตนเลสในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนจึงประสบความสำเร็จจึงไม่ใช่แค่การเปลี่ยนท่อทองแดงเป็นสเตนเลสเท่านั้น จำเป็นต้องมีการออกแบบระบบแลกเปลี่ยนความร้อนใหม่ทั้งหมดตามคุณลักษณะวัสดุของเหล็กกล้าไร้สนิม รวมถึงเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ ความหนาของผนัง โครงร่างครีบ การออกแบบวงจร และกลยุทธ์การทำความสะอาด

ต้องการโซลูชันตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำจากสเตนเลสแบบกำหนดเองใช่ไหม ติดต่อเรา.

หากคุณกำลังประเมินการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อสแตนเลสหรือต้องการคอยล์เย็นสแตนเลสเครื่องทำความเย็นคอยล์สแตนเลส,คอยล์เย็นแบบเปลือกและแบบท่อ,คอยล์เย็นไทเทเนียมหรือโซลูชั่นผลิตภัณฑ์อื่น ๆ โปรดติดต่อเรา ในฐานะซัพพลายเออร์คอยล์ทำความเย็นที่มีประสบการณ์และผู้ผลิตคอยล์เย็น เราให้การสนับสนุนแบบครบวงจรตั้งแต่การเลือกวัสดุและการจำลองไปจนถึงการสร้างต้นแบบ ช่วยให้คุณค้นหาโซลูชันคอยล์ทำความเย็นแบบกำหนดเองที่สร้างความสมดุลระหว่างความต้านทานการกัดกร่อน ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และต้นทุน

ติดต่อเราเพื่อขอใบเสนอราคาและคำปรึกษาด้านเทคนิค

อ้างอิง

• Incropera, FP, และ DeWitt, DP (2002) พื้นฐานของความร้อนและการถ่ายเทมวล จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์
• โฮลแมน เจพี (2002) การถ่ายเทความร้อน แมคกรอว์ - ฮิลล์