المارينز النحاس مكونات تبادل الحرارة في البحرية Engines

وتواجه المحركات البحرية تعرضا لا هوادة فيه لمياه البحر التآكلية، وارتفاع درجات الحرارة، والكائنات الحية التي تحط من المواد التقليدية، وقد ثبت أن مبادلات الحرارة التي تنظم درجة حرارة المحركات بنقل الحرارة إلى مياه البحر أو منها، ومواد يمكن أن تصمد أمام هذه الظروف المعاقبة مع الحفاظ على الأداء الحراري.

دور مبادلات الحرارة في المحركات البحرية

وتكتسي مبادلات الحرارة أهمية حاسمة في التشغيل الموثوق للمحركات البحرية، وهي تزيل الحرارة الزائدة من مبردات المحرك، وزيوت التشحيم، وتشحن الهواء، وتمنع التسخين المفرط الذي يمكن أن يسبب الفشل في العناصر الأساسية، وتخفض الكفاءة، وتزيد الانبعاثات، وفي النظم التي تُستخدم في مياه البحر، ينقل مبادلات الحرارة الطاقة الحرارية من المياه العذبة أو خليط من الماء إلى مياه البحر الخام، التي تُفرغ بعد ذلك من الخزائن الحفر.

وكثيرا ما تستخدم مبادلات الحرارة البحرية الحديثة تصميمات من نوع القصف والطن أو من نوع اللوحات، مع تدفق مياه البحر عبر الأنابيب أو القنوات، وتداولها المبردة حولها، كما أن مواد الأنابيب وصحائف الأنابيب والراسخ يجب أن تؤدي في بيئة غنية بالكلوريد باستمرار، وتلبي المحار من النيكل هذه المطالب لأنها تشكل طبقة من أكسيدات الواقية التي تقاوم هجوم مياه البحر وتضرر ذاتيا.

Metallurgy of Copper-Nickel Alloys

وتُعد سبائك النيكل الفلفل محاور حلاقة، حيث تحل ذرات النيكل محل ذرات النحاس في البطاطا المكعبة ذات التركيز الوجهي، ويعزز هذا الهيكل القوة دون التضحية بالخصائص، ويحسن النيكل بدرجة كبيرة مقاومة التآكل في بيئات الكلوريد، وأكثر الصفات البحرية شيوعا هي 90/10 (المقاومة الميكانيكية بنسبة 70 في المائة).

90/10 النحاس - نيكل (C70600)

ويحتوي على 88-90% من النحاس، و 9-11 في المائة من النيكل، ونحو 1.5 في المائة من الحديد و 0.5 في المائة من المنغنيز، و 90/10 هي أعلى درجة تستخدم في رصيف مياه البحر وحوض تبديل الحرارة، وهي توفر مقاومة ممتازة للتآكل العام، والحفر، والضغط على التآكل في مياه البحر، إلى جانب وجود قدرة عالية على التصريف الحراري (حوالي 45 دبليو/مبتر) التي هي أفضل بكثير من الفولاذ متعدد الفولاذ.

70/30 النحاس - نيكل (C71500)

وتوفر السبيكة 70/30 (30 في المائة من النيكل و65 في المائة من النحاس بالإضافة إلى الحديد والمنغنيز) قوة أكبر (القوام الصلب: 170-240 من النيكل) بل ومقاومة أفضل لتآكل المياه البحرية، ولا سيما في ظروف التدفق المرتفع السرعة أو المضطربة، وكثيرا ما تستخدم في صفائح الأنابيب، وصناديق الرأس، والتجهيزات التي تكون فيها الحمولات الميكانيكية أعلى، وفي أكثر البيئات عدائية كونا(أ)

فإضافة الحديد (1-2 في المائة) في كلتا السبيكتين تعزز الفيلم السطحي الواقي بتضمين أكاسيد الحديد، بينما تحسن المنغنيز إمكانية الخصائص وتحلل من الأكسدة، وقد صُقلت هذه التكوينات المتوازنة بعناية على مدى عقود من الخدمة البحرية، كما أن السبيكة قابلة لإعادة التدوير بشكل كامل، مما يجعلها خيارات مستدامة بيئيا.

أهم الشركات وعلاماتها في مجال تبادل مياه البحر

المقاومة

وتنشأ مقاومة التآكل المتميزة لمحار النحاس في مياه البحر من تشكيل طبقة من أكسيد الكربون المختلط النحاس والثروة في الماء، وهي تُظهر مقاومة شديدة التآكل في الماء، وهي مقاومة غير مأمونة في الهواء، وهي تُستخدم في إطارها عوامل التآكل الحراري، وتُستخدم في هذا الفيلم، وتُظهر هذه القدرة على نحو طبيعي عند التعرض لمياه البحر، وتحمي من الحرقة العامة.

مقاومة الحراجة الأحيائية

وتخفض الكائنات البحرية مثل الشوارب والطيور والغالب المتراكمة على سطح مبادلات الحرارة، وتخفض الكفاءة الحرارية وتزيد مقاومة التدفق، كما أن أسطح النيكل المحمصة من الناحية الطبيعية، تثبط الحافة الأحيائية لأن أحواض النحاس المفرج عنها بكميات صغيرة هي سمية للكثير من الكائنات الحية، وهذه الممتلكات المضادة للثديث ميزة مميزة على الفولاذ غير الملط، أو مواد التجميل.

السلوك الحراري

وتعاني السواحل النحاسية من الوصلات الحرارية في نطاق يتراوح بين 29 و45 و/م ك، وهو أعلى من الفولاذ اللاصق عدة مرات (نحو 15 دبليو/م/م) وقابلية للبرونزات الألمنيوم، ويعني ارتفاع القدرة على تصريف الحرارة أن ترجم الحرارة يمكن أن يكون أصغر أو يعمل بفارق حراري أقل، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة المحرك والحد من استهلاك الوقود.

القوة الميكانيكية والمقاومة الفاتاغية

رغم أنّه ليس قويّاً مثل الفولاذ، فإنّ سبائك النحاس توفر قوة توتر كافية (300-500 إم بي إي إم بي) وارتفاع جيد (30-40٪) لتطبيقات الأنبوب والصحافة، حيث يُظهر مقاومة شديدة في مياه البحر، ولا سيما 70/30، التي يمكن أن تُعالج ارتفاع سرعة التدفق (حتى 4.5متر/زجاج) دون تداعر.

مقاومة التآكل - الفساد

وفي مبادلات الحرارة، يمكن أن تصل سرعة مياه البحر إلى 2-4 متر/متر في الأنابيب، وتواجه السواحل النحاسية، ولا سيما 70/30، مقاومة ممتازة للتآكل - التآكل، وهو الهجوم الاصطناعي للملابس الميكانيكية والتآكل الكهروكيميائي، ويظل الفيلم الواقي مستقرا تحت التدفق المضطرب، في حين قد تعاني المواد النحاسية المنخفضة مثل هجمات التدفق الحرج.

تطبيقات في مكونات تبادل الحرارة

وتُصنَّف سبائك النيكل الفلفل إلى مجموعة واسعة من قطع تبديل الحرارة، ويُختار كل منها لظروف خدمة محددة.

دبابات توبي وبنديلز

وصحيفة الأنبوب هي العنصر الهيكلي الذي يحمل حزمة الأنبوب ويفصل المبرد عن مياه البحر، وكثيرا ما تكون صحائف التوبي مصنوعة من 70/30 نكهة نحاسية، وأحياناً تُثبت على الفولاذ لأسباب اقتصادية، لمقاومة الحرق الإبداعي في مفاصل الأنابيب، حيث تكون الأنابيب الترابية هي 90/10 في شكل أقل تكلفة وسلوك حراري أعلى، بينما يستخدم 70/30 في خدمات ذات سرعة عالية أو عالية.

المرؤوسون والشلالات

وكثيرا ما تُلقى صناديق وقذائف الرؤوس التي توزع التدفق على حزم الأنابيب أو تُختلق من 70/30 نكهة النحاس بسبب قوتها ومقاومتها للتآكل، ويمكن أن تُصنع قذائف كبيرة من لوحات مبللة، بينما يُستثمر رأسان أصغر حجما، كما تستخدم السبيكة C95800 (برونز النيكل - اللومنيوم) في بعض المضخات الكبيرة، ولكن النيترول تقدم مقاومة.

التليف، والمكونات، والعلامات

تركيبات الأنابيب، وأجهزة الإصطدام، ووصلات في دائرة مياه البحر يتم تصنيعها بشكل شائع من النيكل النحاس أو الصبغ، ويجب أن تصمد هذه المكونات في نفس البيئة التآكلية وتحافظ على مفاصل خالية من التسرب على حياة السفينة، وتتكون 90/10 تركيبة قياسية في نظم الرصيف حتى قطر 300 ملم، وتستفيد الاتصالات المخفوقة من مقاومة الزلاجات.

توسيع نطاق الشركات والبلو

في مبادلات الحرارة الكبيرة، التوسع الحراري بين القنابل وحزم الأنابيب يتم إيواؤه بواسطة الفول أو مفاصل التوسع، قدرة النخبة على النحاس ومقاومة التآكل تجعله مادة مناسبة لهذه المكونات المُشكّلة، التي يجب أن تدور بشكل متكرر دون فشل في الإهدار.

اعتبارات التصنيع والتسعير

وتتطلب مكونات مبادلات حرارة النيكل البير السريعة إجراءات متخصصة للحفاظ على مقاومة التآكل والسلامة الميكانيكية.

اللحام

(ج) إن إلحام الغازات في القطب الشمالي (GTAW) وزراعة القوس الغازي (GMAW) هما الوسيلة الرئيسية، باستخدام معادن ملئ من تركيبة المطابقة (مثلاً، ERCuNi بالنسبة إلى 70/30) ولا يلزم عادة إزالة التسخين، ولكن درجات الحرارة المتقطعة ينبغي أن تظل دون 100 درجة مئوية لتجنب التكسير الساخن.

الاستنباط والإقراض

ويمكن أن تكون التوبيسات والشرايا باردة باستخدام أساليب قياسية، وإن كان 70/30 يتطلب مزيدا من القوة بسبب ارتفاع قوتها، وقد يكون من الضروري أن تكون الأنالينغ (في 750-850 درجة مئوية تليها سرعة الصفائح) بالنسبة للنحلات الشديدة، أما بالنسبة لصحائف الأنابيب، فإن الحفر وإعادة الترميم هي نماذج؛ ويمكن استخدام قطع الليزر في قطع المعادن الورقية، ولكن يجب الحرص على تجنب الإفراط في التسخاء الذي قد يسبب الأكسدة.

معالجة الحرارة

ولا يمكن معالجة محارق النيكل الفلفل الحراري من أجل التصلب؛ فالقوة تأتي من العمل البارد وتعزيز الاغتسال الصلب، ويستخدم أحياناً الإجهاد الطارئ (بنسبة 300-400 درجة مئوية) في الأصابع المعقدة للحد من التوترات المتبقية، وإن لم يكن مطلوباً دائماً، ويجب ألا تسخن السك الحديدية فوق 600 درجة مئوية في الخدمة، لأن التعرض المطول يمكن أن يسبب الاختلاط من نمو الحبوب أو تكوين حديد.

مراقبة الجودة والاختبار

تخضع مكونات مبادلات الحرارة لفحص صارم: اختبارات الهيدروستاتيكات، وقياس السميك فوق الصوتي، والتفتيش الحالي للأنابيب، والتحليل الكيميائي: اختبارات الكوروزون في مياه البحر المحاكاة أو بواسطة رذاذ الملح شائعة في التأهيل، وينبغي أن تُصدر جميع المواد بتقارير اختبار المطاحن المصدقة للتحقق من التركيبة والخواص الميكانيكية لكل مفاعل B111 (tubate)، B173 (plate).

مقارنة بالمواد البديلة

وهناك عدة مواد أخرى تتنافس على تطبيقات مبادلات الحرارة البحرية، ولكن النيكل النحاس يظل الخيار المفضل لمعظم النظم المحتوية على مياه البحر.

Comparison of Common Heat Exchanger Materials for Marine Service

Property	90/10 Cu-Ni	70/30 Cu-Ni	316L Stainless Steel	Titanium Grade 2	Aluminum Brass
Corrosion resistance in seawater	Excellent	Excellent	Good (but crevice corrosion risk)	Excellent	Moderate (dezincification risk)
Biofouling resistance	Good	Good	Poor (requires coating)	Poor	Good
Thermal conductivity (W/m·K)	45	29	15	16	90
Yield strength (MPa)	75-125	170-240	170-310	280-480	110-170
Relative cost per kg	1.0	1.3	0.8	3-5	0.6
Weldability	Excellent	Excellent	Good (requires care)	Good (requires inert gas)	Good
Typical applications	Seawater tubes, piping	Tube sheets, headers	Freshwater side, high-temp zones	High-velocity, high-reliability	Low-velocity, non-critical

أما الفولاذات اللاصقة، التي تعرض قوة عالية وتدني تكلفة المواد، فهي قابلة للحرق في بيئات الكلوريد، ولا سيما عند درجات الحرارة التي تزيد على 40 درجة مئوية. فالتيتانيوم يوفر مقاومة للتآكل غير المستقرة ولكن بتكلفة أعلى بكثير وسلوك حراري أقل، مما يجعله عمليا فقط بالنسبة لقابلية الاحتراق العالية أو لبادلات الحرارة العالية.

الصيانة والطول

ويحتاج مبادلات حرارة النيكل الفلفل إلى تفتيش وصيانة منتظمين من أجل تحقيق حياتهم في الخدمة التي تتراوح بين 20 و 30 سنة، ولكن الطلبات أقل من تلك المتعلقة بالمواد البديلة.

إدارة التنظيف والتعبئة

على الرغم من مقاومة النحاس الحيوي، فإن بعض تراكمات السكاكين أو المقياس أو الأفلام البيولوجية تحدث بمرور الوقت، التنظيف يتم عادة باستخدام الفرشاة اللينة أو نظم الكرات الإسفنجية للأنابيب، وغسل الضغط لجانب القصف، والتنظيف الكيميائي بالأحماض المميتة ممكن ولكن يجب أن يتبعه تطهير دقيق وكلوريد، حيث أن فيلم الأوكسيد هو هجوم من قبل حمضات القوية.

الجدول الزمني للتفتيش

ويكشف الاختبار السنوي الحالي للأنبوب عن ترقيح الجدار أو حفره أو شقه قبل الفشل، وينبغي إجراء اختبارات على أغطية الأنابيب وفحص الرأس للتحات أو التآكل، وينبغي أن يتم بعد التنظيف إجراء أي أنبوب تحدد بأنها أقل من الحد الأدنى لسمك الجدار، وينبغي إجراء تفتيش نظري لفيلم أكسيد الواقي - لونه المظلم - وهو يبيّن حالة جيدة.

الإصلاح وإعادة التدوير

يمكن استبدال الأنابيب المدمرة باستخدام إجراءات سحب وإعادة تدوير موحدة، وعادة ما تُدحرج مفاصل من توبي إلى دبليو، وتُلحم أحياناً، وإذا كانت صحيفة الأنبوب تحتاج إلى إصلاح، فإن تركيب اللحام مع معدن مطابق، ويجب أن تتجنب جميع إجراءات الإصلاح التلوث بالجسيمات الحديدية أو النحاس من الفلزات المتفرقة، التي يمكن أن تسبب ارتطام الفولية المميتة.

المنافع البيئية والاقتصادية

وتعاد تدوير جميع المحار التي تستخدمها النيكل الفلفل، وتحتفظ المواد المعاد تدويرها بممتلكاتها، وتخفض الطلب على التعدين الأولي، وتخفض مدة خدمتها الطويلة وانخفاض تكاليف الاستبدال، ومن منظور اقتصادي، فإن أقساط تكلفة المواد الأولية على الفولاذ غير القابل للصدأ أو الألومنيوم تقابلها فترات ممتدة بين المعالجين، وتقلل عدد الأحداث التي تعطل فيها مواعيد العمل، وانخفاض معدل الاسترداد.

الفوائد البيئية تشمل تقليل استخدام المعاطف المضادة للقاذورات، بما أن المقاومة الطبيعية للنيكل النحاس تزيل الحاجة إلى إطلاقات من الايدز الحيوي السامة، إن توافق المواد مع أنظمة تصريف مياه البحر يجعلها مناسبة للمناطق الحديثة التي تسيطر على الانبعاثات.

خاتمة

إن جميع المحار التي تعمل بالنحاس في الصف البحري، ولا سيما الصفان 90/10 و 70/30، ستوفر مقاومة التآكل، ومراقبة التعبئة البيولوجية، والكفاءة الحرارية، والقدرة على البقاء الميكانيكية اللازمة لمكونات مبادلات الحرارة في المحركات البحرية، وقد أظهرت عقود الخدمة على السفن التجارية والبحرية موثوقيتها في أكثر البيئات صعوبة في مياه البحر، ومن خلال فهم أساليب الصنع، وممارسات الانتقاء في مجال الطاقة،