آنالیز تخریب شفت (Shaft)

آنالیز خرابی‌های شفت (Shaft)

۰ تا ۱۰۰ آنالیز خرابی‌های شفت (Shaft)

در ابتدا اشاره شود که این مقاله ترجمه شده بخشی از کتاب Root Cause Failure Analysis ویرایش دوم می‌باشد. اکثر خرابی‌های شفت به دلیل ترکیبی از تنش‌های مختلف است که بر مجموعه روتور اعمال می‌شود. تا زمانی که تنش‌ها در محدوده طراحی و کاربرد مورد نظر حفظ شوند، خرابی شفت نباید در طول عمر مورد انتظار موتور رخ دهد. این تنش‌ها را می‌توان به گروه‌های زیر تقسیم کرد:
۱) دینامیک/مکانیکی (Dynamic/Mechanical)؛ اضافه بار‌ها از جمله بار‌های شوک ناگهانی، بار‌های چرخه‌ای (خستگی)، بار اضافه و خمش، بار پیچشی و بار محوری.
۲) محیطی (Environmental)؛ خوردگی، رطوبت، فرسایش، سایش و کاویتاسیون.
۳) حرارتی (Thermal)؛ گرادیان‌های دما و خم شدن روتور در اثر حرارت (Rotor Bowing).
۴) باقیمانده (Residual)؛ فرآیند‌های تولید و فرآیند‌های تعمیر.
۵) الکترومغناطیسی (Electromagnetic)؛ بارگذاری جانبی و بسته شدن مجدد خارج از فاز.

در ادامه این مقاله هر ۵ گروه، نام برده شده مورد بررسی قرار می‌گیرد اما قبل از آن مروری بر مفاهیم اصلی در بحث آنالیز خرابی‌های شفت داشته باشیم.

شکل زیر انواع محور‌های روتور مورد استفاده در موتور‌های الکتریکی را نشان می‌دهد.

بررسی جنس شفت موتور و شکل آن‌ها

برای اکثر کاربرد‌های موتور، فولاد کربنی نورد گرم انتخاب خوبی است. هنگامی که بار‌های بیشتری وجود دارد، فولاد آلیاژی مانند کروم-مولیبدن (Cr-Mo) اغلب استفاده می‌شود. برای کاربرد‌هایی که دارای خوردگی شدید یا محیط تهاجمی (Hostile Environment) هستند، فولاد‌های زنگ نزن مورد نیاز است. لازم به ذکر است که با انتخاب فولاد زنگ نزن، استحکام تسلیم و استحکام کششی را به نفع مقاومت در برابر خوردگی کنار گذاشته می‌شود.
در شکل زیر برخی از رایج‌ترین جنس فولاد‌های شفت با نام‌گذاری AISI فولاد برای ساخت شفت را نشان می‌دهد.

بررسی منحنی تنش-کرنش

برای درک مکانیسم شکست یک شفت فولادی موتور، مهم است که رابطه بین تنش و کرنش برای جنس شفت همراه خواص مکانیکی آن مشخص شود. شکل زیر نمودار معمول تنش-کرنش برای یک فولاد شفت را نشان می‌دهد.

این نمودار تنش-کرنش برای فولاد کربنی 0.18% نورد سرد شده را نشان می‌دهد تنش تسلیم این فولاد 73,000 پوند در اینچ مربع (PSI) که تقریباً معادل 503 مگا پاسکال (MPa) است. به عبارت دیگر تا تنش تسلیم، تغییر شکل در قطعه موقت یا الاستیک است و پس از آن با تجاوز تنش از حد تنش تسلیم پیوند بین مولکول‌های فولاد تغییر کرده است یا پیوند مولکولی پاره شده (Torn Apart) و نمی‌توانند بازگردند در نتیجه قطعه دچار تغییر شکل دائمی یا پلاستیک خواهد شد. در صورت ادامه روند افزایش تنش قطعه دچار از هم کسیختگی خواهد شد.

بررسی تنش‌های اعمال شده بر شفت‌ها

تنش‌های اعمال شده بر شفت‌ها به سه گروه زیر تقسیم می‌شوند.
۱- تنش‌های برشی ناشی از انتقال گشتاور (یعنی در اثر بار پیچشی).
۲- تنش‌های خمشی (کششی یا فشاری) ناشی از نیرو‌های وارد بر اجزاء ماشین مانند: چرخ دنده، پولی و غیره و همچنین به دلیل وزن خود شفت.
۳- تنش‌های ناشی از بار‌های پیچشی و خمشی ترکیبی.
قبل از اینکه علل شکست شفت به طور دقیق تعیین شوند، ضروری است که بارگذاری و تنش‌های موجود در شفت را به وضوح درک کنیم. این تنش‌ها بهترین‌گونه با استفاده از نمودار‌های آزاد (Free Body Diagrams) توضیح داده می‌شوند. نمودار آزاد به سادگی یک طرح است که نوع و جهت نیرو‌های موجود بر روی یک شفت تحت تنش کششی، فشاری و برشی را نشان می‌دهد. در آینده مقاله‌ایی با موضوع طراحی شفت منتشر خواهد شد که بحث تحلیل تنش اعمالی به شفت در آنجا مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

ابزار‌های تجزیه و تحلیل شکست شفت

توانایی توصیف دقیق میکرو ساختار و توپولوژی سطح یک شفت که دچار شکست شده است در تجزیه و تحلیل شکست بسیار مهم هستند. ابزار‌های رایجی که برای این کار در دسترس هستند می‌توانند به شرح زیر دسته‌بندی شوند:
چشمی (Visual)
میکروسکوپ نوری (Optical microscope)
میکروسکوپ الکترونی اسکن (Scanning electron microscope)
میکروسکوپ الکترونی تراگذر (Transmission electron microscope)
آنالیز متالورژیکی (Metallurgical analysis)
فرض می‌شود که احتمالاً لازم باشد از خدمات یک آزمایشگاه متالورژی با تجربه برای به دست آوردن بخشی از اطلاعات مورد نیاز استفاده شود. با این حال، تعداد قابل توجهی از شکست‌ها با داشتن دانش اساسی در مورد آنالیز خرابی‌های شفت موتور و بازرسی بصری قابل تشخیص هستند. سپس ممکن است از طریق یک آزمایشگاه متالورژیک تأیید شوند. مطالب ارائه شده در این مقاله به بررسی دقیق علت اصلی شکست کمک خواهد کرد.

علل خرابی شفت‌ها

مطالعاتی برای تعیین کمیت علل خرابی شفت انجام شده است. یک مطالعه صنعتی برای ماشین آلات دوار نتایج زیر را نشان می‌دهد. این اطلاعات از کتاب Metallurgical Failure Analysis انتشارات McGraw-Hill نشر 1993ارائه شده است.

مطالعات غیر رسمی دیگری وجود دارد که نشان می‌دهد اکثر خرابی‌های شفت موتور در محدوده 80 تا 90 درصد به پدیده خستگی مربوط می‌شود. زمانی که پدیده خوردگی و افزایش تنش به شرایط خستگی تحمیل می‌شود، این عدد به محدوده 90 درصد می‌رسد. از این رو، تمرکز اصلی این بخش، شکست‌های مرتبط با خستگی خواهد بود.

تعریف فرآیند خستگی

خرابی ناشی از خستگی در تنش‌های چرخه‌ای مکرر رخ می‌دهد، که می‌تواند کمتر از استحکام تسلیم ماده شفت باشد. خستگی، با جوانه زنی ترک شروع می‌شود و با پیشرفت ترک‌های خستگی سطح مقطع مؤثر شفت را کم می‌کند تا جایی که شفت دیگر تحمل بار‌های اعمالی را نداشته باشد. در سطح مقطع شکست ناشی از خستگی علائمی دیده می‌شود که به عنوان علائم ساحلی (Beach Marks) شناخته می‌شود، زیرا شبیه علائمی هستند که امواج در ساحل از خود به جای می‌گذارند.
خرابی ناشی از خستگی شامل موارد زیر است: اول، خستگی منجر به ترک اولیه در سطح قطعه می‌شود. ثانیاً، ترک یا ترک‌ها تا زمانی گسترش می‌یابند که سطح مقطع محور باقی‌مانده برای تحمل بار بسیار ضعیف شود. در نهایت، شکستگی ناگهانی در ناحیه باقی مانده رخ می‌دهد.
خرابی ناشی از خستگی معمولاً از نظریه ضعیف‌ترین محل پیروی می‌کنند. یعنی ترک‌ها در نقطه حداکثر تنش یا حداقل مقاومت ایجاد می‌شوند. این محل معمولاً در یک ناپیوستگی شفت جایی مانند جای خار شفت است. متغیر‌های زیادی وجود دارد که بر عمر خستگی یک شفت تأثیر می‌گذارد. این‌ها شامل دما، محیط، تنش‌های پسماند و نا همواری‌های سطح می‌شود.

نمودار‌های تنش چرخه (S-N)

از آنجایی که بیشتر خرابی‌های شفت مربوط به خستگی است، نمودار‌های تنش چرخه (S-N) یکی از راه‌های تعیین استحکام و محدودیت‌های ناشی از اعمال بار سیکلی می‌باشد. نمودار حداکثر تنش در برابر تعداد چرخه‌های قبل از شکست، نمودار تنش چرخه یا معمولاً نمودار S-N نامیده می‌شود.

در شکل زیر نمودار (S-N) برای فولاد 1040 نشان داده شده است. برای فولاد، این نمودار‌ها پس از تعداد چرخه مشخصی افقی می‌شوند. به عبارت دیگر مهم نیست چند چرخه‌ی تنش در یک سطح تنش معین به قطعه اعمال می‌شود، در آن سطح تنش قطعه دچار شکست نخواهد شد. این سطح تنش که به صورت خط افقی مطابق شکل نشان داده شده است به عنوان حد خستگی یا استقامت (Fatigue or Endurance Limit) شناخته می‌شود.

ظاهر خرابی ناشی از خستگی

شکل ظاهر خرابی ناشی از خستگی تحت تأثیر انواع مختلف ترک‌ها (Cracks)، علائم ساحلی (Ceach Marks)، علائم شعاعی (Radial Marks)، علائم شورون -وی شکل- (Chevron Marks)، نوک برشی (Shear Tip) و مجموعه‌ای از توپولوژی‌های دیگر است.

سطح شکستگی ناشی از خستگی معمولاً دو ناحیه مجزا را همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است نشان می‌دهد. منطقه A شامل نقطه مبدا خرابی است و بسته به چرخه‌های بارگذاری و شروع و البته بار با سرعت نسبی کند گسترش می‌یابد. منطقه B ناحیه رشد آنی یا سریع است و تغییر شکل پلاستیکی بسیار کمی را نشان می‌دهد. در این شکل، هر دو منطقه رشد کند و مناطق آنی را می‌توان مشاهده کرد. این شفت از قسمت شیار که سبب تمرکز تنش شده است شکسته است. به وجود علائم زبانه دار (Ratchet marks) در حاشیه شفت توجه کنید. این‌ها به منشأء ترک‌ها اشاره می‌کنند. ترک‌های منفرد به سمت داخل رشد می‌کنند و در نهایت در یک صفحه به هم می‌پیوندند.

یکی از محل‌های شروع ترک خستگی در شفت محل جای خار (Keyways) است، ایجاد جای خار برای اطمینان از استقرار بدون لغزش پولی، چرخدنده و غیره الزامی است. این محل که سبب تمرکز تنش می‌شود به طوری که بسیاری از خرابی ناشی از خستگی در شفت از این محل آغاز می‌شوند.

تحلیل سطح مقطع ناشی از خستگی در شفت

علائم ساحلی (Beach Marks) موقعیت‌های متوالی جبهه ترک را نشان می‌دهد. این علائم معمولاً در نزدیکی شروع ترک بافت صاف دارند و با رشد ترک زبرتر می‌شوند. (شکل 1)

علائم زبانه دار (Ratchet Marks) نشانه گویای چندین ترک منفرد هستند که در نهایت با هم ادغام می‌شوند و یک ترک را تشکیل می‌دهند. علائم زبانه دار در بین محل‌های منشأء ترک دیده می‌شوند. (شکل 2) 

علائم شورون -وی شکل- (Chevron Marks)، به منشأ ترک اشاره می‌کنند. برخی از خرابی‌ها (مانند موردی که در زیر نشان داده شده است) دارای شورون‌های بارزتری هستند. هر چه شکستگی شکننده‌تر باشد، نقطه پایان شکست کوچکتر است. (شکل 3) 

خرابی‌های خستگی خمشی دورانی (Rotational Bending Fatigue Failures) زمانی رخ می‌دهد که هر قسمت از محور تحت بار تحت فشار و کشش متناوب قرار می‌گیرد. یک ترک می‌تواند در هر نقطه‌ای از سطح که سبب تمرکز تنش شده است شروع شود و ممکن است به دلیل چرخش به طور ناهموار رشد کند. این شفت خاص دارای چندین نقطه شروع است که توسط علائم زبانه دار (Ratchet Marks) روی محیط نشان داده شده است. (شکل 4) 

خرابی‌های پیچشی (Torsional Failures) با ظاهر پیچ خورده (Twisted) روی شفت مشخص می‌شوند، اما بسته به میزان بار پیچشی و شکل‌پذیر یا شکننده بودن مواد، شکست ممکن است متفاوت ظاهر شود. این محور خاص قبل از شکست مقداری پیچ خوردگی را نشان می‌دهد. جوشکاری زائده‌ها (Spiders) بر روی شفت نقاط تمرکز تنش بوده‌اند. اگر مواد شفت انعطاف‌پذیر باشد، قبل از شکست پیچش بیشتری نشان می‌دهد. اگر محور شکننده‌تر باشد یا در معرض پیچش شدید باشد، شکستگی ظاهر خشن‌تری خواهد داشت. (شکل 5) 

گروه بندی تنش‌های اعمالی به شفت

۱) تنش‌های دینامیکی و مکانیکی

تنش‌های دینامیکی و مکانیکی (Dynamic and Mechanical Stresses)، در اثر حرکت شفت به آن وارد می‌شوند و شامل موارد زیر هستند:
الف) اضافه بار‌ها، از جمله بار‌های شوک ناگهانی (Overloads including sudden shock loads)
ب) بار‌های چرخه‌ای یا خستگی (Cyclic loads)
ج) بار‌های چرخشی خمشی (Overhung loads and rotational bending)
د) بار‌های پیچشی (Torsional loads)
ه) بار‌های محوری (Axial loads)

الف) اضافه بار: هر شفت برای تحمل مقدار مجازی از تنش طراحی شده است و‌ اگر تنش از حد مجاز تجاوز کند سبب تخریب آن خواهد شد. شکست در اثر اضافه بار هم می‌تواند شکل‌پذیر(Ductile) یا ترد (Brittle) باشد. شکست ترد معمولاً همراه با علائم شورون -وی شکل- (Chevron Marks)، است. این فلش‌ها همیشه به جایی اشاره می‌کند که ترک شروع شده است. ظاهر یک شکست، چه شکل‌پذیر یا ترد، به عوامل مختلفی از جمله جنس شفت، نوع و بزرگی بار، و دمای شفت در هنگام خرابی بستگی دارد.

ب) بار‌های چرخه‌ای یا خستگی: در مورد بار‌های چرخه‌ای یا خستگی پیشتر صحبت شد هر چرخه بارگذاری و باربرداری نیرو سبب اعمال بار‌های چرخه‌ایی به شفت می‌شود.

ج) بار‌های چرخشی خمشی: بار‌های چرخشی خمشی مانند تنشی که یک پولی بزرگ بر روی شفت اعمال می‌کند و سبب اعمال خمش و چرخش تواماً می‌شود.

د) بار‌های پیچشی: در اثر چرخش شفت به آن وارد می‌شود.

ه) بار‌های محوری: بار‌های محوری بیشتر بر روی بیرینگ‌های شفت (بلبرینگ و رولبرینگ) اعمال می‌شوند و سبب ایجاد تخریب رینگ داخلی آن می‌شوند.

۲) تنش‌های محیطی

تنش‌های محیطی (Environmental Stress)، مجموعه عواملی هستند که باعث خوردگی، سایش شفت می‌شوند و شامل زیر هستند: رطوبت (Moisture)، فرسایش (Erosion)، خوردگی (Corrosion) و کاویتاسیون (Cavitation).

الف) خرابی در اثر خوردگی (Corrosion Failures): هسته اصلی این مشکل یک واکنش الکتروشیمیایی است که سبب از بین رفتن قسمتی از فلز شفت و منجر به ایجاد حفره بر روی آن می‌شود. خوردگی می‌تواند خرابی در اثر خستگی را تسریع ببخشد و هم می‌تواند با از دست رفتن قسمتی از شفت باعث شکست شفت در بارگذاری‌های کمتر شود.

ب) کاویتاسیون (Cavitation): در کاربرد‌های پمپاژ جریان مایع، که مایع متلاطم از روی شفت عبور می‌کند، پدیده‌ای به نام کاویتاسیون می‌تواند رخ دهد. پدیده کاویتاسیون سبب فرسایش سطح شفت می‌شود.

ج) فرتینگ (Shaft Fretting): پدیده‌ی فرتینگ می‌تواند آسیب جدی به شفت وارد کند. علت این پدیده حرکت بین دو قسمت مونتاژ شده (Mating Part) و وجود اکسیژن در هوا است. زمانی که قسمت مونتاژ شده به شفت مانند بلبرینگ‌ها، کوپلینگ‌ها و غیره دارای کمی لغزش باشند قسمتی از فلز سائیده می‌شود و در مجاورت در هوا اکسید می‌شوند. این ذرات اکسید به عنوان یک ساینده عمل می‌کنند و به سرعت سطح شفت را دچار سایش می‌کنند.

۳) تنش‌های حرارتی

تنش‌های حرارتی (Thermal Stresses)، هنگامی که یک موتور در حال کار است، معمولاً تحت تنش حرارتی قرار دارد. تنش حرارتی می‌تواند سبب بروز مشکلاتی مانند: اضافه بار، خرابی بلبرینگ و از دست دادن تلرانس‌ها و انطباقات شود.

۴) تنش‌های باقیمانده

تنش‌های باقیمانده (Residual Stress)، تنش پسماند مستقل از بار خارجی روی شفت است. روش‌های ساخت و تعمیر بسیاری وجود دارد که می‌تواند تنش پسماند را در شفت ایجاد کند که ممکن است خرابی را تسریع کند. عامل به وجود آوردن این تنش‌ها توانند مکانیکی یا حرارتی باشند. برخی از آن‌ها عبارتند از: ماشین کاری، عملیات حرارتی و شات پینینگ. تمام تنش‌های پسماند برای شفت مضر نیستند. اگر تنش موازی با تنش بار و در جهت مخالف باشد، ممکن است مفید باشد.

۵) تنش‌های الکترومغناطیسی

تنش‌های الکترومغناطیسی (Electromagnetic Stress)، باعث بروز حداقل دو مسأله می‌شوند.
الف) اعمال بار شعاعی بیش از حد (Excessive Radial Load) که ناشی از قرار‌گیری شفت در وضعیت خارج از مرکز روتور به علت نیرو‌های الکترومغناطیس است می‌تواند در صورت بلند بودن شفت نیروی زیاد شعاعی و خمشی به شفت وارد کند و خرابی بیرینگ‌های شفت را تسریع ببخشد.
ب) بسته شدن خارج از فاز (Out-of-phase Reclosing)، اعمال ولتاژ بیشتر از مقدار تعریف شده می‌تواند مقدار زیادی گشتاور روی شفت ایجاد کند و مقدار زیاد گشتاور می‌تواند با اعمال تنش پیچشی بیشتر سبب خرابی شفت شود.

آشنایی با توپک رانی عملیاتی و هوشمند

۰ تا ۱۰۰ آشنایی با توپک رانی عملیاتی و هوشمند در خطوط لوله

توپک رانی که بهتر است نام پیگ رانی را برای آن استفاده کنیم؛ و به انگلیسی با نام Pigging شناخته می‌شود، عملیاتی است که به منظور حذف مواد ته نشین شده در خطوط لوله یا بازرسی سلامت لوله از هر گونه ترک خوردگی، خوردگی و غیره انجام می‌شود. در این عملیات از توپک‌ها یا پیگ (PIG) که مخفف عبارت Pipeline Inspection Gauge است استفاده می‌شود. هدف اصلی استفاده از پیگ رانی، با بردن عمر مفید استفاده از خطوط لوله حمل سیال است.
توپک‌ها با استفاده از جریان سیال در داخل لوله به حرکت در می‌آیند و با توجه به نوع طراحی آن‌ها، هدف‌های زیر را دنبال می‌کنند.

۱) توپک رانی عملیاتی یا به انگلیسی Utility PIGs، نوع ساده و اولیه پیگ است که به منظور پاکسازی خطوط لوله از ضایعات ته نشین شده در جداره لوله مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۲) توپک رانی هوشمند یا به انگلیسی Intelligent PIG یا Smart PIG، نوع دیگری از پیگ رانی است که به منظور بازرسی خطوط لوله از هر گونه عیوب شامل خوردگی، ترک، تغییر ضخامت و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اهداف اجرای توپک رانی (پیگ رانی) در خطوط لوله

از اوایل قرن بیستم میلادی که توپک رانی (پیگ رانی) مورد استفاده قرار گرفت تا هم اکنون از آن به صورت گسترده در خطوط حمل سیال گاز و مایع استفاده می‌شود و با مشخص شدن پتاسیل آن سبب شده است روش‌ها و تکنیک‌های جدیدی برای انجام آن ابداع شود. در ادامه با اهداف اجرای توپک رانی (پیگ رانی) در خطوط لوله آشنا خواهیم شد.

۱) بالابردن بازدهی خطوط لوله

بروز هر گونه عیبی در داخل خطوط لوله سبب می‌شود که هزینه انتقال سیال گران‌تر تمام شود و این افزایش هزینه در نهایت باید توسط مصرف‌کننده پرداخت شود. یکی از اهداف اجرای توپک رانی، حذف گرفتگی‌های ناشی از ته نشین شدن آلودگی سیال در داخل لوله است. وجود این آلودگی‌ها نه تنها قطر مفید لوله را برای حرکت سیال محدود می‌کند بلکه با افزایش ناهمواری جداره‌ی لوله سبب ایجاد جریان متلاطم می‌شود که حرکت روان سیال را با اختلال مواجه می‌کند.

۲) جدا‌سازی سیال برای انتقال از یک خط لوله

ممکن است از یک خط لوله دو یا چند سیال عبور داده شوند که لازم از برای انتقال هر سیال، باقی مانده سیال قبلی از داخل لوله جمع شود که ممکن است این مسأله همراه با چالش‌هایی باشد. نوعی از توپک وجود دارد که نام Batching Pig یا Cup Type شناخته می‌شوند که می‌تواند برای جدا‌سازی دو سیال از آلوده شدن به یکدیگر مورد استفاده قرار گیرد.

۳) جلوگیری از بروز برخی از خوردگی‌ها

برخی از خوردگی‌ها که ممکن است در اثر حمله‌ی میکرو اورگانسیم‌ها در لوله‌های فولادی اتفاق بیافتند، می‌توان با توپک رانی جداره لوله را از آن میکرو اورگانسیم‌ها پاک کرد تا خوردگی اتفاق نیافتد.

۴) مشخص کردن ناهنجاری هندسی در لوله

پس از اجرای خطوط لوله ممکن است اوله‌ها در اثر حمل، نصب، عملیات جوشکاری و غیره دچار آسیب‌هایی مانند: بیضی‌گون شدن، فرورفتگی، برآمدگی، کمانش و غیره شوند، که باید از عدم وجود آن‌ها اطمینان حاصل گردد. وجود این ناهنجاری‌ها سبب بروز اغتشاش و تلاطم جریان و به وجود آمدن ناحیه فشار یا Stress Area در سیال می‌شوند که می‌تواند انتقال سیال را با مشکل رو به رو کند. این ناهنجاری‌ها توسط نوعی از توپک به نام Caliper pig قابل تشخیص می‌باشد.

۵) انجام تست هیدروستاتیکی

انجام تست هیدروستاتیکی می‌تواند دلایل مختلفی داشته باشد اما شناخته شده‌ترین دلیل انجام تست هیدروستاتیکی تائید ایمنی بهره‌برداری از خط لوله است که مشخص شود عیوب موجود در داخل متریال نمی‌تواند در تنش مجاز، فاجعه آفرین باشد. به منظور انجام تست هیدروستاتیکی می‌توان از پیگ Batching/Displacement استفاده کرد که سبب می‌شود با بتوان برای انجام تست در بخشی از خط خلأ ایجاد کرد و سپس با برقراری آبندی در بخشی از لوله فشار سیال داخل آن را تا فشار مورد نظر بالا برد.

آشنایی با توپک رانی عملیاتی

فلسفه وجودی توپک رانی عملیاتی برای پاکسازی خطوط لوله است. توپک رانی عملیاتی می‌تواند با اهداف زیر انجام شود.
۱) حذف آلودگی‌های ناشی از ته نشین شدن سیال
۲) حذف مواد باقی مانده پس از برش و جوشکاری
۳) اصلاح جزئی برخی از عیوب جوشکاری مانند نفوذ بیش از حد
توپک‌های عملیاتی در انداره، شکل و هندسه‌های مختلف تولید می‌شوند که با توجه به نوع سیال داخل لوله، نوعی جرم‌های انباشته شده در لوله و غیره آن را انتخاب می‌کنند. در شکل بالا نمونه‌ایی از توپک عملیاتی را مشاهده می‌کنید.

توپک رانی هوشمند

توپک رانی هوشمند، همانطور که اشاره شد برای تشخیص عیوب و ناهمواری در داخل خطوط لوله مانند خوردگی، ناهنجاری‌های هندسی، خرابی مکانیکی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. توپک رانی هوشمند می‌تواند هم به صورت مغناطیسی و التراسونیک باشد که در ادامه با هر کدام آشنا می‌شویم.

توپک رانی هوشمند مغناطیسی

توپک رانی هوشمند مغناطیسی به لحاظ تاریخچه پیدایش از نوع التراسونیک آن قدیمی‌تر است و اساس کار آن بر نشر شار مغناطیسی [مقاله‌ی ۰ تا ۱۰۰ تست ذرات مغناطیسی یا MT مطالعه شود. ] می‌باشد.

استفاده از نشتی فلوی (شار) مغناطیسی MFL که مخفف Magnetic Flux Leakage، یکی از پر استفاده‌ترین روش‌ها برای تشخیص عیوب خطوط لوله است. این تکنیک قادر به استفاده برای تشخیص عیوب زیر است.

۱) بروز خوردگی و ترک و سایر عیوب که سبب از بین رفتن بخشی از فلز لوله شوند منجر به نشتی فلوی مغناطیسی می‌شود که با این روش قابل تشخیص می‌باشد.
۲) وجود ناهنجاری‌های هندسی سبب بروز تغییرات در خواص مغناطیسی می‌شود که با این روش این عیوب قابل تشخیص می‌باشد.

نحوه‌ی کار توپک رانی هوشمند مغناطیسی

سیستم مغناطیس‌ کننده توپک مغناطیسی می‌تواند دائم یا موقت باشد که در هر صورت باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد.
۱) مغناطیس‌کننده قدرت کافی را داشته باشد تا قادر باشد نشتی فلوی مغناطیسی، ناشی شده از خرابی لوله را اندازه‌گیری کند.
۲) مغناطیس‌کننده قابلیت ایجاد یک شار یکنواخت مغناطیسی را داشته باشد تا با سیگنال اندازه‌گیری شده بتوان مشخصات خرابی را تشخیص داد.
۳) مغناطیس‌کننده در طول لوله دارای دامنه پایداری باشد تا با مقایسه اطلاعات در محل‌های مختلف، تغییرات شار ناشی از وجود عیب داخل لوله قابل تشخیص باشد.
بین میدان مغناطیسی اعمال شده و چگالی شار مغناطیسی در یک خط لوله، رابطه غیر خطی وجود دارد. در سطوح داخلی لوله که در مجاورت توپک مغناطیسی است تغییرات کوچک میدان، سبب به وجود آمدن تغییرات شدید در شار مغناطیسی می‌شود اما در سطوح میانی و فوقانی لوله این تغییرات کمتر است. برای انجام بازرسی باید شار مغناطیسی به سطح بیرونی لوله نشت کند. باید توجه داشت همه عیوب سبب ایجاد نشتی فلوی مغناطیسی نمی‌شوند زیرا وجود برخی ازعیوب مانند خوردگی که سبب از بین رفتن بخشی از فلز ماده می‌شود سبب کاهش شار مغناطیسی خواهد شد

اگر سیستم مغناطیس‌کننده قوی باشد چگالی شار مغناطیسی افزایش می‌یابد که در این صورت با بروز کوچکترین کاهش ضخامت فلز در اثر خوردگی، نشتی فلوی مغناطیسی به وجود می‌آید. لذا سیستم مغناطیس کنندگی در توپک مغناطیسی، را طوری ایجاد می‌کنند تا اشباع مغناطیس در لوله ایجاد شود و کوچکترین عیب در لوله با ایجاد نشتی فلوی مغناطیسی مشخص شود.

حسگر‌های تشخیص تغییرات شار مغناطیس

همانطور که در مقاله‌ی ابزار دقیق به آن اشاره شد برای بررسی تغییرات هر پدیده فیزیکی نیاز به تجهیز یا تجهیزاتی داریم که قادر باشند به تغییرات ایجاد شده به صورت دستورات مکانیکی یا سیگنال الکتریکی عکس العمل نشان بدهند. برای ثبت تغییرات شار مغناطیس دو تجهیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. ۱) حلقه‌های القایی ۲) حسگر هال
حلقه‌های القایی اولین نوع حسگر‌های تشخیص تغییرات شار مغناطیس می‌باشند که قابلیت اندازه‌گیری نرخ تغییرات میدان مغناطیسی را دارند. این تجهیز بر اساس قانون القای فارادی کار می‌کند و بر اساس همین قانون که بیان می‌شود تغییر شار مغناطیسی سبب ایجاد ولتاژ می‌شود می‌توان علت آن را به وجود عیب در داخل ماده ارتباط داد. برای اطلاعات بیشتر مطالعه این مقاله پیشنهاد می‌شود. 
حسگر هال که بعد از حلقه‌های القایی معرفی شده‌اند؛ این حسگر بر اساس اثر هال کار می‌کنند که بیان می‌کند: « اگر جریانی از یک‌رسانا در جهت عمود بر میدان مغناطیسی یکنواخت اعمال‌شده عبور کند، ‌رسانا دارای اختلاف پتانسیل دلتا میان رخ‌های عمود بر جهت جریان و میدان مغناطیسی خواهد شد. ». پاسخ حسگر هال که تغییرات میدان مغناطیسی را به صورت تغییر ولتاژ گزارش می‌کند علاوه بر اینکه برای تشخیص نشتی فلوی مغناطیسی ناشی از وجود عیب داخل ماده می‌تواند استفاده شود کاربرد‌های زیادی در صنعت دارد که یکی از آن‌ها تشخیص سرعت دوران شفت است که آن را در مقاله ۰ تا ۱۰۰ آشنایی با انواع ابزار دقیق در پایپینگ می‌توانید مطالعه کنید.

تشخیص عیوب با بررسی نشتی فلوی مغناطیسی

هندسه‌ی خرابی شامل طول، عرض، عمق و همچنین تیزی، گردی، جهت بر نشتی فلوی مغناطیسی تأثیر‌گذار است. برای مثال عیوبی که جهت شار مغناطیسی را قطع می‌کنند به راحتی سبب نشتی فلوی مغناطیسی می‌شوند و تشخیص آن‌ها ساده است در حالیکه عیوب کاملاً موازی با جهت شار معمولاً تشخیص داده نمی‌شوند.

یافتن ارتباط بین سیگنال‌های نشتی فلوی مغناطیسی و عیب موجود در خطوط لوله نیازمند داشتن دانش و تجربه‌ی کافی بازرس مربوطه است. البته برخی از شرکت‌های مهندسی با گردآوردی کتابخانه‌های عظیم داده‌های پاسخ نشتی فلوی مغناطیسی در برخورد با عیوب مختلف، برنامه‌های نرم افزاری را ایجاد کرده‌اند که می‌تواند بازرس مربوطه را در تشخیص عیب مشخص شده کمک کند.

توپک رانی هوشمند التراسونیک

توپک التراسونیک در سال ۱۹۹۴ میلادی توسط شرکت پایپترونیکس (Pipetronics) معرفی شد. کارایی این تجهیز جهت تشخیص عیوبی که در جهت محوری با خط لوله ایجاد شده‌اند مانند: ترک‌های طولی خستگی فلز، ترک‌های جوشی و ترک‌های SCC اثبات شده است. توپک التراسونیک علاوه بر عیوب گفته شده قادر به تشخیص عیوبی مانند: خوردگی کاهش ضخامت، خوردگی تاول (Corrosion Blister)، ورقه ورقه شدن و ناهنجاری‌های هندسی می‌باشد.
روش کار توپک التراسونیک شبیه به تست التراسونیک UT سنتی می‌باشد و  به این صورت است که مبدل پیزوالکتریک با ایجاد ایجاد ارتعاشات امواج مکانیکی از درون مایعی مانند: نفت، آب و غیره به عنوان واسط، آن را به ماده منتقل می‌کند. تنظیم زاویه شکست در ۴۵ درجه انجام می‌شود که موجب ایجاد حداکثر بازده‌ایی برای تشخیص عیوب‌ها به ویژه عیوب‌هایی که تنش‌های حلقه‌ایی (Hoop Stress) در به وجود آوردن آن‌ها نقش اساسی دارند شود. توپک التراسونیک از چندین مبدل پیزوالکتریک که در زاویه‌های مختلف قرار گرفته‌اند تا بازتاب امواج صادر شده توسط چندین گیرنده دریافت شود تا قابلیت تشخیص عیوب در کل محیط داخلی لوله را داشته باشند، ساخته شده است. تعداد مبدل‌ها بستگی به انتظار از دستگاه برای تشخیص عیوب دارد و برای عیوب ریز مانند تشخیص ترک‌ها در مقایسه با خوردگی تعداد بیشتری مبدل لازم است.
در نهایت برای تشخیص صحیح نوع، اندازه و عمق عیب باید نتایج آزمون توسط افراد خبره تحلیل شوند و گاهی نیاز است یک خط لوله دو یا چند بار ارزیابی شود تا داده‌ها، تحلیل دقت‌تر انجام شود. موفقیت در انجام این تست نیازمند گردآوری پایگاه عظیم داده و کمک گرفتن از نرم افزار‌های کامپیوتری می‌باشد.

مبدل حرارتی

آشنایی با انواع مبدل‌های حرارتی

۰ تا ۱۰۰ آشنایی با انواع مبدل‌های حرارتی

مبدل‌های حرارتی یا به انگلیسی Heat Exchanger، نوعی از تجهیزات مکانیکی می‌باشند که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. در مبدل‌های حرارتی، تبادل گرما بین دو سیال با دما‌های متفاوت که از هم تفکیک شده‌اند که معمولاً نباید با هم ادغام شوند، انجام می‌شود.

مبدل‌های حرارتی در صنایع مختلف شامل نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌ها، پتروشیمی‌ها، صنایع تولیدات صنعتی و فرآیندی، صنایع غذایی و دارویی، صنایع ذوب فلز، صنایع سیستم‌های تبرید و تهویه مطبوع و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند. مبدل‌های حرارتی در تجهیزی که دما نقش تعیین‌کننده در آن داشته باشد مانند: بویلر‌ها (Boiler)، برج خنک کن (Cooling tower)، خنک کن و گرم کن روغن، رادیاتور‌ها (Radiator)، کوره‌ها و غیره کاربرد دارد.

مبدل‌های حرارتی را می‌توان به روش‌های مختلفی طبقه‌بندی کرد. که در ادامه آن‌ها را بررسی خواهیم کرد.

این مقاله ترجمه شده بخشی از کتاب ارزشمند Heat Exchanger Design Handbook، نویسنده Kuppan Thulukkanam است و مترجم سعی کرده است‌ امانت دار خوبی برای ترجمه آن باشد.

ساخت مبدل‌های حرارتی

مبدل‌های حرارتی از مجموعه‌ایی از عناصر مبادله‌کننده حرارت (Heat-Exchanging Elements) مانند هسته (Core) یا ماتریس (Matrix) که دارای سطوح لازم برای انتقال حرارت می‌باشند و تجهیزات توزیع سیال مانند مخازن، نازل‌ها یا لوله‌های ورودی و خروجی و غیره ساخته شده‌اند. معمولاً در مبدل‌های حرارتی هیچ قسمت متحرکی وجود ندارد. با این حال، استثنائاتی وجود دارد، مانند: ری ژنراتور‌های دوار (Rotary Regenerators) که انتقال حرارت همراه با چرخش بخشی قسمت متحرک مبدل می‌باشد. انتقال حرارت در مبدل‌ها از طریق رسانش (Conduction) اتفاق می‌افتد.

طبقه‌بندی مبدل‌های حرارتی

به طور کلی مبدل‌های حرارتی صنعتی بر اساس (I) نوع ساخت (Construction) (II) فرآیند‌های انتقال (Transfer Processes) (III) درجات فشردگی سطح (Degrees of Surface Compactness) (IV) ترتیب‌های جریان (Flow Arrangements) (V) ترتیب‌های عبور سیال (Pass Arrangements) (VI) فاز سیالات فرآیند (Phase of the Process Fluids) (VII) مکانیزم‌های انتقال حرارت (Heat Transfer Mechanisms) قابل تقسیم هستند؛ که در ادامه آن‌ها را با هم بررسی خواهیم کرد.

طبقه‌بندی بر اساس نوع ساخت

مبدل‌های حرارتی بر اساس نوع ساخت می‌توانند به دسته‌های زیر تقسیم‌بندی شوند.

۱) مبدل‌های حرارتی لوله‌ای (Tubular Heat Exchangers) که شامل سه نوع الف) لوله دوبل (Double Pipe) ب) پوسته و لوله (Shell and Tube) ج) لوله سیم پیچ (Coiled Tube) می‌باشند.

۲) مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای (Plate Heat Exchangers- PHEs) که شامل شش نوع الف) واشر (Gasketed) ب) لحیم کاری (Brazed) ج) جوش داده شده (Welded) د) مارپیچ (Spiral) ه) سیم پیچ پانل (Panel Coil) و) لاملا (Lamella) هستند.

۳) مبدل‌های حرارتی سطحی گسترده (Extended Surface Heat Exchangers) که شامل دو نوع الف) باله لوله (Tube-Fin) ب) باله صفحه (Plate-Fin) هستند.

۴) ری ژنراتور‌ها (Regenerators) که شامل دو نوع الف ) ماتریس ثابت (Fixed Matrix) ب) ماتریس چرخشی (Rotary Matrix) هستند.

۱) مبدل‌های حرارتی لوله‌ای

۱-۱) مبدل‌های حرارتی لوله دوبل

مبدل‌های حرارتی لوله دوبل یا به انگلیسی (Double-Pipe Exchangers)، دارای دو لوله متحدالمرکز است که معمولاً به شکل طراحی U-Bend است. مبدل‌های حرارتی دو لوله با طراحی U-Bend به عنوان مبدل‌های حرارتی سنجاق سر (Hairpin) شناخته می‌شوند. مبدل‌های لوله‌ای در چیدمان سری یا موازی با تعدادی مبدل مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مبدل‌ها برای کار‌های کوچک که معمولاً کمتر از ۳۰۰ فوت مربع نیاز دارند و برای فشار‌ها و دما‌های بالا و وظایف طولانی مدت از نظر حرارتی مناسب هستند. این نوع از مبدل‌ها، دارای طراحی آسان و تجهیزات کمی می‌باشد و طراحی انعطاف‌پذیر آن سبب می‌شود که در صورت لزوم تعداد واحد‌ها (U-Bend) را اضافه یا حذف کرد. در مقاله ۰ تا ۱۰۰ آشنایی با تجهیزات مکانیکی پایپینگ می‌توانید انیمیشن نحوه کارکرد مبدل‌ حرارتی لوله دوبل، را مشاهده فرمایید.

۱-۲) مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله یا به انگلیسی (Shell and Tube Heat Exchanger)، در صنایع فرآیندی در تعداد زیادی بسیار بیشتر از هر نوع مبدل دیگری استفاده می‌شوند. بیش از ۹۰ درصد مبدل‌های حرارتی مورد استفاده در صنعت از پوسته و نوع لوله می‌باشند. این نوع از مبدل‌ها، به دلیل شناخته شده بودن مراحل طراحی و ساخت آن، کارایی رضایت بخش آن، قابلیت استفاده برای طیف گسترده‌ای از مواد و در دسترس بودن کد‌ها و استاندارد‌های طراحی و ساخت‌شان، اولین انتخاب در بین مبدل‌های حرارتی هستند. این مبدل‌ها در گسترده‌ترین اندازه‌ها و سبک‌ها تولید می‌شوند و عملاً هیچ محدودیتی در دما و فشار عملیاتی وجود ندارد.

در برخی از مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله از بافل‌ها (Baffles) استفاده می‌شود. بافل‌ها به دو منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند. ۱) لوله‌ها را در موقعیت مناسب در هنگام مونتاژ و کار نگه می‌دارند و از لرزش لوله‌ها ناشی از گرداب‌های ناشی از جریان جلوگیری می‌کنند. ۲) مهمتر از همه، آن‌ها سبب تسهیل هدایت جریان انتقال حرارت می‌شوند و باعث افزایش سرعت و ضریب انتقال حرارت خواهند شد. در مقاله ۰ تا ۱۰۰ آشنایی با تجهیزات مکانیکی پایپینگ می‌توانید انیمیشن نحوه کارکرد مبدل‌ حرارتی پوسته و لوله، را مشاهده فرمایید.

۱-۳) مبدل حرارتی کلاف تیوب

مبدل حرارتی کلاف تیوب یا به انگلیسی (Coiled Tube Heat Exchanger)، از پیچیدن تعداد زیادی لوله انعطاف‌پذیر با سوراخ کوچک به صورت مارپیچ در اطراف یک لوله هسته مرکزی ساخته می‌شوند. در مبدل لوله سیم پیچ، جریان پرفشار از طریق لوله‌های با قطر کوچک جریان می‌یابد، در حالی که جریان برگشتی کم‌فشار در خارج از لوله‌های با قطر کوچک در فضای حلقوی بین لوله هسته مرکزی داخلی و پوسته بیرونی جریان دارد. به دلیل لوله‌های کوچک در هر دو طرف این مبدل‌ها اجازه تمیز کردن مکانیکی را نمی‌دهند و بنابراین این مبدل برای مایعات تمیز و بدون رسوب یا سیالاتی که رسوبات رسوب‌دهنده آن‌ها را می‌توان با مواد شیمیایی تمیز کرد، مناسب است. این مبدل‌ها مزیت‌های زیادی مانند: قابلیت استفاده برای فشار بالا و حجم زیاد سیال دارند اما نسبتاً به علت پیچیدگی ساخت‌شان گران می‌باشند.

۱-۴) مبدل حرارتی کلاف پیچ

مبدل‌های حرارتی کلاف پیچ یا به انگلیسی (Coil-Wound Heat Exchangers)، که توسط شرکت لیند (Linde) ساخته و ارائه می‌شوند؛ کم حجم و قابل اعتماد با دامنه دما و فشار وسیع هستند و برای جریان‌های تک فاز و دو فاز مناسب هستند. این نوع از مبدل‌ها در کنار مبدل‌های Coiled Tube، یکی از اصلی‌ترین مبدل‌ها برای استفاده در فرآیند‌های مایع‌سازی (Liquefication Processes) -شبیه آنچه که در فرآیند پالایش نفت خام و استحصال بنزین اتفاق می‌افتد- به کار می‌رود. طبق گفته سازنده این مبدل‌ها برای کاربرد کرایوژنیک (فوق سرد) مناسب هستند و گزینه مناسب برای استفاده در نیروگاه تولید گاز طبیعی مایع (LNG) می‌باشند.

۲) مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای یا به انگلیسی (Plate Heat Exchangers-PHEs)، کمتر از مبدل‌های حرارتی لوله‌ای استفاده می‌شوند، اما مزایای مهم خاصی را ارائه می‌دهند. مبدل‌های PHEs را می‌توان به سه گروه اصلی طبقه‌بندی کرد.

۱) مبدل‌های PHEs با ساختمان قاب و صفحه یا واشر (Plate and Frame or Gasketed)، به عنوان جایگزینی برای مبدل‌های لوله و پوسته برای کاربرد‌های انتقال حرارت مایع با فشار کم و متوسط استفاده می‌شود.

۲) مبدل حرارتی مارپیچی (Spiral Heat Exchanger) به عنوان جایگزینی برای مبدل‌های پوسته و لوله به کار ‌می‌روند. آن‌ها نیاز به تعمیر و نگهداری کمی دارند و به ویژه در مورد سیالاتی که تمایل به لجن دارند یا حاوی دوغاب یا مواد جامد هستند، استفاده می‌شوند.

۳) مبدل‌های حرارتی پانلی (Panel Heat Exchangers)، از صفحات برجسته ساخته شده‌اند تا یک مجرای کوپل شده با باله‌ها (Fins) برای گردش سیال فراهم کنند.

۲-۱) مبدل‌های PHEs با ساختمان قاب و صفحه یا واشر

مبدل‌های PHEs با ساختمان قاب و صفحه یا واشر و به انگلیسی (Plate and Frame or Gasketed)، از تعدادی صفحه فلزی موج‌دار تشکیل شده‌اند که هر صفحه دارای چهار روزنه به عنوان دریچه‌های ورودی و خروجی می‌باشد و در آن آب‌بندی‌هایی برای هدایت سیالات برای آن‌ها در نظر گرفته شده است.

صفحات این مبدل‌ها در داخل قاب قرار گرفته‌اند و اگر آبندی این مبدل‌ها با استفاده از گسگت‌های محیطی (Peripheral Gaskets) [مقاله انواع گسکت‌ها مطالعه شود] انجام شود، به آن مبدل حرارتی PHEs با ساختمان قاب و صفحه یا واشر گفته می‌شود.

۲-۲) 

مبدل حرارتی

مارپیچی

مبدل حرارتی مارپیچی و به انگلیسی (Spiral Heat Exchanger- SPHEs)، از دهه ۱۹۳۰ استفاده شده‌اند، از این مبدل‌ها در ابتدا در سوئد برای بازیابی حرارت در کارخانه‌های خمیر کاغذ مورد استفاده قرار گرفته شده است. مبدل حرارتی مارپیچی، به عنوان مبدل‌های جوش داده شده طبقه‌بندی می‌شوند.

مبدل‌های SPHE، برای کاربرد‌های که در ادامه آمده است در نظر گرفته شده است. ۱) برای دوغاب‌ها (Slurries) و مایعات حاوی اجرام و سیالات حاوی سنگ معدنی که محتوای جامد آن تا ۵۰ درصد است. ۲) مبدل‌های SPHE، اولین انتخاب برای ویسکوزیته‌های بسیار بالا است، مثلاً تا ۵۰۰۰۰۰ سانتی پواز می‌باشد. ۳) این مبدل‌ها برای کاربرد‌هایی مانند جوشاندن مجدد، متراکم کردن، گرم کردن یا خنک کردن سیالات چسبناک، دوغاب‌ها و لجن می‌توانند استفاده شوند.

۲-۳) مبدل‌های حرارتی پانلی

مبدل‌های حرارتی پانلی و به انگلیسی (Panel Heat Exchangers)، نسبتاً ارزان هستند و می‌توان آن‌ها را به هر شکل و ضخامت دلخواه برای هیت سینک (Heat Sink) و منابع حرارتی تحت شرایط کاری متفاوت ساخت. از این رو، آن‌ها در بسیاری از کاربرد‌های صنعتی مانند برودتی، مواد شیمیایی، مواد غذایی، رنگ‌ها، دارو‌ها و جاذب‌های خورشیدی استفاده شده‌اند.

مبدل‌های حرارتی پانلی روش بهینه‌ای را برای گرم کردن و خنک کردن مخازن فرآیند از نظر کنترل، کارایی و کیفیت محصول ارائه می‌دهند. استفاده از پانل به عنوان وسیله‌ای برای انتقال حرارت مزایای زیر را ارائه می‌دهد. ۱) همه مایعات و همچنین بخار و سایر بخارات با دمای بالا قابل اجرا هستند. ۲) گردش، دما و سرعت انتقال حرارت را می‌توان به دقت کنترل کرد. ۳) پانل‌ها اغلب ممکن است از فلزی بسیار ارزان‌تر از خود مخزن ساخته شوند. ۴) مشکلات آلودگی، تمیز کردن و نگهداری از بین رفته است. ۵) کارایی و بازدهی بالایی دارد.

۲-۴) مبدل حرارتی لاملا

مبدل حرارتی لاملا یا به انگلیسی (Lamella Heat Exchanger)، یک مبدل حرارتی کارآمد و کم حجم است. این مبدل در ابتدا در حدود سال ۱۹۳۰ توسط Ramens Patenter توسعه یافت که بعداً توسط Rosenblads Patenter خریداری شد و مبدل حرارتی لاملا با نام Rosenblad به بازار عرضه شد. در سال ۱۹۸۸، Berglunds این محصول را خریداری کرد و به توسعه آن ادامه داد.

مبدل حرارتی لاملا، معمولاً از یک پوسته استوانه‌ای تشکیل شده است که تعدادی از لایه‌های انتقال دهنده حرارت را احاطه کرده است. این طرح را می‌توان با یک مبدل حرارتی لوله‌ایی (Tube Heat Exchanger) مقایسه کرد اما با دارای لوله‌های نازک‌تر و پهن‌تر می‌باشند.

لاملا شکلی از مبدل حرارتی جوش داده شده است که ساختار یک مبدل حرارتی صفحه‌ای (PHE) را با یک مبدل پوسته و لوله بدون بافل (Baffle) ترکیب می‌کند. در مبدل حرارتی لاملا، لوله‌ها (Tubes) با صفحات فلزی موازی که به صورت جفت قرار گرفته‌اند جایگزین شده‌اند و در داخل یک پوسته گرد قرار گرفته‌اند.
این مبدل‌ها به علت داشتن حداقل ناپیوستگی‌ها که گردش سیال را دشوار کند دارای حداقل افت فشار (Pressure Drop) می‌باشند و از طرفی وجود درجات آزادی کافی این امکان را به آن‌ها می‌دهد تا امکان انبساط و انقباض حرارتی را فراهم کند. از طرفی آن‌ها بر خلاف مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله که برای بازرسی و تعمیر نیاز است تا کل مبدل بازرسی و در صورت لزوم جایگزین شود؛ در صورت خرابی می‌تواند فقط تعداد صفحات معیوب عوض شوند.
مبدل‌های لاملا دارای مزیت‌های تحمل تلاطم شدید در سیال و کارکرد در فشار عملیاتی بالا می‌باشند. از این مبدل‌ها برای گرمایش سیال در کارخانه‌های خمیر کاغذ، پیش گرم کن‌های صنایع نوشیدنی، کولر‌ها و کندانسور‌های گاز دودکش و کولر‌های روغنی استفاده می‌شود.

۳) مبدل‌های حرارتی سطحی گسترده

مبدل‌های حرارتی سطحی گسترده یا به انگلیسی (Extended Surface Heat Exchangers)، برای گاز‌ها و برخی از سیالات که ظریب انتقال حرارتشان پائین است مورد استفاده قرار می‌گیرد تا وجود صفحات بزرگ در این مبدل قادر باشد میزان انتقال حرارت را افزایش بدهند. این مهم توسط باله‌های (Fins) متصل به سطح اولیه تأمین می‌شود. مبدل‌های حرارتی پره لوله‌ای (Tube-fin Heat Exchangers) و مبدل‌های حرارتی پره صفحه‌ای (Plate-fin Heat Exchangers) رایج‌ترین نمونه‌های مبدل‌های حرارتی سطحی توسعه یافته هستند.

۴) مبدل‌های حرارتی احیا‌کننده (ری ژنراتورها)

مبدل‌های حرارتی احیا‌کننده یا به انگلیسی (Regenerative Heat Exchangers)، به لحاظ مفهومی یک فناوری قدیمی هستند که تاریخچه طولانی دارند که به منظور احیا انرژی استفاده شده، مورد استفاده قرار می‌گیرند. صنایع تولیدی و فرآیندی مانند شیشه، سیمان و فلزات اولیه و ثانویه، بخش قابل توجهی از کل انرژی مصرف شده به شکل گاز‌های خروجی با دمای بالا دور ریخته می‌شود. بازیابی گرمای هدر رفته از گاز‌های خروجی با استفاده از مبدل‌های حرارتی معروف به احیاگر می‌تواند کارایی کلی کارخانه را بهبود بخشد.
مبدل‌های حرارتی احیا‌کننده، عموماً به دو دسته احیاگر‌های ماتریس ثابت (Fixed Matrix) و روتاری (Rotary Matrix) طبقه‌بندی می‌شوند. در مبدل‌های احیا‌کننده، شکاف‌های ورودی هوا وجود دارد که از یک سمت ورودی هوای گرم می‌باشد تا با برخورد به صفحات مبدل حرارت آن کاسته شود انرژی آن صرف گرم کردن هوای دوم که برای سایر مصارف مانند هوای احتراق توربین و غیره لازم است استفاده می‌شود. تفاوت احیاگر‌های ماتریس ثابت و متحرک در این است که در ماتریس متحرک صفحات با یک حرکت آرام دورانی می‌چرخند و می‌تواند مقدار بیشتری هوا را احیا کند.

اصول رنگ و پوشش و بازرسی آن‌ها

۰ تا ۱۰۰ اصول رنگ و پوشش و بازرسی آن‌ها

کلمه پوشش (Coating) در کنار کلمه رنگ (Painting) دو اصطلاح عمومی می‌باشند که ممکن است به جای یکدیگر استفاده شوند. به طور کلی، پوشش محافظی در برابر خوردگی است، در حالی که رنگ ممکن است دارای خواص اضافی مانند رنگدانه‌های محافظت در برابر اشعه فرابنفش (Ultraviolet Screening Pigments) باشد.
اصطلاح دیگری که اغلب با هم استفاده می‌شود لاینینگ (Lining) است که برای توصیف پوشش سطوح داخلی لوله‌ها یا مخازن استفاده می‌شود. در حالیکه برای شناسایی پوشش سطوح خارجی همیشه از اصطلاحات رنگ یا پوشش استفاده می‌شود.
اثربخشی یک پوشش به انتخاب مواد پوششی بستگی دارد که با کاربرد مورد نیاز مطابقت داشته باشد. امروزه انتخاب پوشش بر اساس کاربرد مورد انتظار، نتایج عملکرد پوشش و ارزیابی از مقدار مؤثر بودن پوشش می‌باشد. سازمان‌هایی که استاندارد‌هایی را برای تعیین مواد پوشش، آماده‌سازی سطح، کاربرد، بازرسی و آزمایش تعریف می‌کنند به شرح زیر است:
انجمن آزمایش و مواد آمریکا (ASTM) – American Society for Testing and Materials
انجمن ملی مهندسین خوردگی (NACE) – National Association of Corrosion Engineers
انجمن رنگ سازه‌های فولادی (SSPC) – Steel Structures Painting Council
در مقاله «۰ تا ۱۰۰ اصول رنگ و پوشش و بازرسی آن‌ها» به بررسی ترکیبات شمیایی پوشش‌ها و رنگ‌ها پرداخته نخواهد شد و آنچه که در ادامه خدمت علاقه‌مندان ارائه می‌شود به روش‌های آماده‌سازی سطح (Surface Preparation)، کاربرد (Application) و بازرسی سطح (Inspection Methods) در بحث رنگ و پوشش می‌باشد.

مفاهیم اولیه

خوردگی (Corrosion): دلیل اصلی پوشش فولاد برای جلوگیری از خوردگی است. خوردگی فلزات یک واکنش الکتروشیمیایی است که می‌تواند با حذف یک یا چند عنصر از چهار عنصر مورد نیاز برای ایجاد خوردگی، آن را کنترل کرد. که این چهار عنصر به شرح زیر می‌باشند.
۱) آند (Anode): دچار خوردگی می‌شود.
۲) کاتد (Cathode): دچار خوردگی نمی‌شود.
۳) الکترولیت (Electrolyte): به آب یا رطوبت در جو و… گفته می‌شود.
۴) مسیر فلزی (Metallic path): به تماس به دو فلز مختلف یا دو قمست یک فلز گفته می‌شود.

متداول‌ترین انواع خوردگی که در فلزات آهنی با آن مواجه می‌شوند؛ به شرح زیر می‌باشد.

الف) خوردگی یکنواخت (Uniform Corrosion): این خوردگی که کم و بیش به صورت یکنواخت رخ می‌دهد و منجر به زنگ زدگی (Rust) و از بین رفتن فلز روی سطح می‌شود.
ب) خوردگی گالوانیکی (Galvanic Corrosion): این نوع از خوردگی زمانی اتفاق می‌افتند که دو فلز غیر هم جنس در یک الکترولیت (مثلاً آب) با هم در تماس باشند. در نتیجه این بر هم کنش فلز فعال‌تر خورده می‌شود.
ج) خوردگی شکافی (Crevice Corrosion): خوردگی شکافی شکلی از خوردگی موضعی (Localized Corrosion) است که در شکاف و درز‌ها یا سایر نقاطی که سطوح فلز روی هم قرار گرفته‌اند و سبب ایجاد گوشه شده‌اند و در شرایطی که در معرض مواد خوردنده قرار دارند، به وجود می‌آید. این نوع خوردگی معمولاً به علت وجود مقادیری محلول که سبب ایجاد تعدادی واکنش زنجیره‌ایی می‌شود، به وجود می‌آید. برای مثال در خوردگی شکافی فولاد در ابتدا فلز احیا می‌شود (الکترون از دست می‌دهد) و فلز احیا شده با یون کلرو (یون منفی کلر) واکنش می‌دهد و سبب تخلیه فلز می‌شود. این نوع خوردگی در بین اتصالات پرچ شده، اتصالات فلنج‌ها و… به صورت گسترده دیده شده است.
د) خوردگی حفره‌ای (Pitting Corrosion): خوردگی حفره‌ای شکلی از خوردگی موضعی (Localized Corrosion) است که مکانیزم عملکرد آن بسیار شبیه به خوردگی شکافی است. این خوردگی از خطرناک‌ترین نوع خوردگی‌ها می‌باشد چرا که تشخیص آن به علت این که فقط نقاط کوچکی از فلز مورد حمله قرار می‌گیرد بسیار دشوار است. این نوع خوردگی در مجاورت محلول‌های حاوی آنیون خوردنده مخصوصاً یون منفی کلر، معمولاً به وجود می‌آید.
ه) خوردگی سایشی (Erosion Corrosion): اگر سطح یک جسم توسط حرکت یک سیال که حامل ذرات جامد و غیره است دچار سایش شود، به آن پدیده سایشی گفته می‌شود. حال اگر سیال خورنده باشد این اثر تشدید می‌شود که به آن خوردگی سایشی گفته می‌شود.

۱) آماده‌سازی سطح

آماده‌سازی سطح یا Surface Preparation، اولین اقدام در بحث رنگ و پوشش می‌باشد. خرابی‌های زودرس اغلب نتیجه آماده‌سازی ناکافی سطح است. وجود آلودگی زیر سطح سبب کاهش عمر پوشش می‌شوند. بنابراین، تمیزی سطح زیرین جزء ضروری و جدایی ناپذیر اصول رنگ و پوشش می‌باشند. انواع آلودگی‌های سطحی عبارتند از: زنگ زدگی (Rust)، آلودگی روغن و گریس (Grease and Oil)، گرد و خاک (Dirt and Dust)، آب (Water)، پوشش خراب شده قبلی (Deteriorated Coatings) و…

۱-۱) استاندارد‌های آماده‌سازی سطح

استاندارد‌های متعددی جهت آماده‌سازی سطح وجود دارد. بازرس باید اطمینان حاصل کند که استاندارد مربوطه قابل اجرا در محل کار (Jobsite) است. آنچه که برای استاندارد‌های بازرسی چشمی رنگ و پوشش می‌آید، مکمل اقدامات در جهت آماده‌سازی سطح می‌باشند. برای اطلاعات بیشتر از تفاوت‌های کد و استاندارد مقاله بررسی تفاوت‌های استاندارد، کد و اسپسیفیکیشن را مطالعه کنید. برخی از این استاندارد‌ها به شرح زیر می‌باشند.
۱) استاندارد SSPC-SP1 به بررسی پاکسازی با محلول (Solvent Cleaning) می‌پردازد.
۲) استاندارد SSPC-SP2 به بررسی پاکسازی با ابزار آلات دستی (Hand Tool Cleaning) می‌پردازد.
۳) استاندارد SSPC-SP3 به بررسی پاکسازی با ابزار آلات قدرتی (Power Tool Cleaning) می‌پردازد.
۴) استاندارد SSPC-SP5/NACE 1 به بررسی پاکسازی با ذرات ساینده (White Metal Blast Cleaning) می‌پردازد. این استاندارد به بررسی استفاده از مواد ساینده برای حذف آلودگی روغن و گریس، کثیفی گرد و غبار، زنگ زدگی، پوشش‌ها و سایر مواد خارجی می‌پردازد.

۵) استاندارد SSPC-SP 8 به بررسی پاکسازی با حمام اسید (Pickling) می‌پردازد. از بین بردن زنگ زدگی با واکنش شیمیایی (حمام اسید) یا الکترولیز (جریان الکتریکی آندی) در این استاندارد بحث شده است.

۱-۲) تقسیم‌بندی روش‌های آماده‌سازی سطح

برای رسیدن به پوشش مناسب، انجام آماده‌سازی سطح درست حیاتی می‌باشد. این مرحله علاوه بر اینکه از اهمیت بالایی برخوردار است، پرهزینه‌ترین مرحله پوشش دهی می‌باشد. طول عمر پوشش‌ها به میزان درجه آماده‌سازی سطح بستگی فراوانی دارد. دو دلیل اصلی برای آماده‌سازی سطح وجود دارد.
۱) برای تمیز شدن سطح به منظور کاهش تخریب زود هنگام سیستم‌های پوششی انجام می‌شود.
۲) برای به دست آوردن سطحی با زمینه و زبری مناسب که به راحتی توسط رنگ مرطوب شود تا چسبندگی رنگ به سطح را افزایش دهد.

به طور کلی روش‌های آماده‌سازی سطح به شکل زیر طبقه‌بندی می‌گردند.

۱) روش‌های مکانیکی

روش‌های مکانیکی، به روش‌هایی گفته می‌شود که رنگ و آلودگی‌ها را به صورت مکانیکی از روی سطح بر داشته می‌شود.
۲) روش‌های شیمیایی و فیزیکی
روش‌های شیمیایی، به روش‌هایی گفته می‌شود که رنگ و آلودگی‌ها را به وسیله غوطه ور شدن در محیط اسیدی یا قلیایی از بین برده می‌شود. همچنین در روش‌های فیزیکی، اعمال حرارت سبب پاکسازی سطح خواهد شد.

۱-۲-۱) تمیز کاری با ابزار دستی

تمیز کاری با ابزار دستی یا به انگلیسی Scrapping Hand Tool Cleaning، در دسترس‌ترین روش برای آماده‌سازی سطح است. این روش با استفاده از ابزار‌هایی مانند: کاردک، برس زبر، سمباده و وسایل ساینده زنگ و آلودگی انجام می‌شود. این روش زمان بر می‌باشد و تأثیر‌گذاری نسبتاً پائینی دارد.

۱-۲-۲) تمیز کاری با ابزار برقی

تمیز کاری با ابزار برقی یا به انگلیسی Impact Power Tool Cleaning، تمیز کاری با استفاده از برس‌های سیمی که توسط یک دستگاه می‌چرخند انجام می‌شود.

۱-۲-۳) تمیز کاری به کمک سند بلاست

تمیز کاری به کمک سند بلاست یا به انگلیسی Impact Power Tool Cleaning، یک روش کارآمد و نسبتاً جدید است که با برخورد ذرات ساینده شن با سرعت بالا به سطح قطعه کار سبب زودن رنگ و سایر آلودگی‌ها از روی سطح آن می‌شود.

۱-۲-۴)  تمیز کاری به کمک شعله

تمیز کاری به کمک شعله یا به انگلیسی Flame Cleaning، جزء روش‌های شیمیایی آماده‌سازی سطح می‌باشد. در این روش اعمال حرارت بر روی سطح سبب سوختن رنگ می‌شود و سپس با کمک برس سیمی و در صورت لزوم یک حلال سطح پاکسازی می‌شود.

۱-۳) معیار ارزیابی آماده‌سازی سطح

برای ارزیابی میزان آماده‌سازی سطح، استاندارد‌های ISO، SSPC و NACE/SSPC تصاویری را جهت راهنمایی ارائه کرده‌اند. این تصاویر صرفاً جهت راهنمایی دارد و نباید منجر به تغییر گفته شده در استاندارد‌های آماده‌سازی سطح شود. علت این موضوع این است که انجام یک عملیات آماده‌سازی سطح برای دو سطح مختلف فولادی ممکن است به لحاظ ظاهری نتیجه متفاوتی را داشته باشد.
استاندارد ISO 8501، یک استاندارد تصویری است که نمایانگر درجه‌های مختلف زنگ زدگی در سطوح مختلف تمیزی است، همچنین حاوی توضیحات متنی سطوح تمیزی است. استاندارد ملی چین GB 8923-88 که توسط مؤسسه استاندارد ملی چین ارائه شده است درجه آماده‌سازی با سند بلاست به چهار گروه تقسیم‌بندی می‌کند که که با حرف “Sa” نشان داده می‌شود.

سند بلاست Sa 1: سند بلاست Sa 1، سند بلاست آرام (Mild Spray) است که هیچ چربی یا کثیفی قابل رؤیت روی سطح فولاد وجود ندارد.
سند بلاست Sa 2: سند بلاست Sa 2، سند بلاست کامل (Thoroughly Spray) است که روی سطح فولادی نباید هیچ گونه گریس، کثیفی، رسوب اکسید، زنگ زدگی و سایر ملحقات قابل مشاهده وجود داشته باشد رنگ باقی مانده باید به صورت خاکستری دیده شود.
سند بلاست Sa 2.5: سند بلاست Sa 2.5، سند بلاست بسیارکامل (Very Thorough Spray) است که هیچ گونه چربی، کثیفی، رسوب اکسید، زنگ زدگی، پوشش رنگ و سایر ملحقات روی سطح فولاد نباید قابل مشاهده باشد و هر اثر باقی مانده باید فقط لکه‌ها یا نوار‌های روشن باشد.

سند بلاست Sa 3: سند بلاست Sa 3، سند بلاست کامل است که پس از آن درخشندگی فلز قابل رؤیت می‌باشد.

۲) کاربرد‌ها و شرایط پوشش

کاربرد‌ها و شرایط پوشش یا Coating Applications and Conditions، به بررسی انواع پوشش‌ها و کاربردشان و همچنین روش‌های اعمال آن‌ها می‌پردازد.

۲-۱) آشنایی با اجزای سازنده پوشش

پوشش یا Coating از سه بخش زیر تشکیل شده است.
۱) حلال (Solvent)
۲) رزین (Resin)
۳) رنگدانه (Pigments)
پوشش‌ها می‌توانند حلال و اجزای رنگدانه‌ای نداشته باشند. به عنوان مثال پوشش‌های بدون حلال (با ۱۰۰ درصد مواد جامد) و بدون رنگدانه وجود دارد، اما پوشش‌های بدون رزین وجود ندارد.

۲-۱-۱) حلال

فرمول‌های شیمیایی اجزای حلال، رزین و رنگدانه معمولاً به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:
الف) دسته اول: حلال و رزین را با هم ترکیب می‌کند. بخش حلال، قسمت فرار (Volatile Vehicle) و بخش رزین، قسمت غیرفرار (Nonvolatile Vehicle) می‌باشد.
ب) دسته دوم: رنگدانه است. رنگدانه‌ها افزودنی‌هایی هستند که خواص خاصی به پوشش می‌دهند و به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: رنگی، تقویت شده بی‌اثر. هنگامی که یک پوشش اعمال می‌شود، حلال در طول فرآیند پخت تبخیر می‌شود و تنها رزین و اجزای رنگدانه بر روی بستر باقی می‌ماند که گاهی اوقات پوشش جامد (Coating Solids) نامیده می‌شود و لایه محافظ برای محافظت در برابر خوردگی را تشکیل می‌دهند.

اصطلاحات حلال (Solvents) و رقیق‌کننده (Thinners) اغلب به جای یکدیگر استفاده می‌شوند. در برگه اطلاعات سازنده معمولاً نوع رقیق‌کننده مورد استفاده را مشخص می‌کند. استفاده از رقیق‌کننده‌هایی که توسط سازنده توصیه نمی‌شود می‌تواند باعث ایجاد مشکل یا خرابی‌های زودهنگام مانند جدا شدن پوشش، انعقاد، خشک شدن خیلی سریع یا خیلی آهسته و…. شود.

۲-۱-۲) رزین

رزین (Resin) یا بایندر (Binder) که جزء اصلی تشکیل دهنده پوشش است، معمولاً از یک پلیمر جامد با وزن مولکولی بالا که مولکول‌های تکرار شونده دارد تشکیل شده است. هدف اصلی رزین خیس کردن ذرات رنگدانه و اتصال ذرات رنگدانه به یکدیگر و به بستر است.
انواع رزین‌ها با توجه به شرایط زیر فرموله و ساخته می‌شوند.

عملکرد در نوع قرار گرفتن در معرض خدمات
عملکرد بر روی نوع بستر
سازگاری با سایر پوشش‌ها
چسبندگی

۲-۱-۳) رنگدانه

رنگدانه‌ها (Pigments) افزودنی‌های شیمیایی به فرمول پوشش هستند که خواص خاصی را به آن می‌دهند. این خواص به صورت زیر می‌باشند.
رنگ (Color): رنگدانه‌ها می‌تواند طبیعی یا مصنوعی باشند. رنگدانه‌ها طبیعی زمین (رس کائولن، سیلیکات منیزیم، کربنات کلسیم) ثبات رنگ را در برابر زوال اشعه ماوراء بنفش (UV) خورشید فراهم می‌کنند.

کدر بودن (Opacity): اکسید تیتانیوم زیرلایه یا رنگ پوشش قبلی را پنهان می‌کند و از رزین در برابر خرابی مقابل اشعه UV خورشید محافظت می‌کند.

رنگ مرطوب (Wet Paint): سیلیس و تالک ویسکوزیته را کنترل می‌کنند، سطح لایه مرطوب و ته نشین شدن را کنترل می‌کنند، اما قدرت پنهان‌سازی (کدری) کمی دارند.

مقاومت در برابر رطوبت (Weather and Moisture Resistance): ورقه‌های آلومینیوم و اکسید آهن میکایی Micaceous Iron Oxide (MIO) برای ساخت پوشش‌های رنگ استفاده می‌شود. این مواد مانع با دفع رطوبت باعث کاهش خوردگی می‌شوند.

مقاومت در برابر خوردگی (Corrosion Resistance): رنگدانه‌های اضافه شده به پوشش‌های زیرین (Primer) مانع از خوردگی آهن می‌شوند. بستر‌ها فرمولاسیون‌های گذشته شامل رنگدانه‌های کرومات و سرب بود، اما امروزه به ندرت به دلیل نگرانی‌های زیست محیطی و بهداشتی مورد استفاده قرار می‌گیرند و با مواد جدیدتر جایگزین شده‌اند.

۲-۲) روش‌های اعمال پوشش‌ها

در این قسمت به روش‌های اعمال پوشش‌ها یا Coatings Application Methods می‌پردازیم. پوشش‌ها یا تک جزئی (Single Component) یا چند جزئی (Multiple Component) هستند. قبل از اعمال، مواد پوشش نیاز به مخلوط کردن دارند تا رنگ یکدست و یکنواخت شود. مایعات و رنگدانه‌ها با چگالی‌های مختلف ممکن است از هم جدا شوند، ته نشین شوند. پوشش‌های چند جزئی مانند اپوکسی‌ها، که حاوی رزین و سخت‌کننده هستند و می‌توانند به نسبت مساوی یا نابرابر باشند که بر اساس حجم تعیین می‌شود. اجزاء باید در بسته‌بندی‌های جداگانه، برای مخلوط کردن حمل شوند. در زیر شرح کاربرد، تجهیزات و روش‌های اعمال پوشش‌ها آورده شده است.

۱) قلم مو (Brush): قلم مو معمولاً برای مناطق کوچک، نواحی تعمیر و شکاف‌ها استفاده می‌شوند. قلم مو‌ها در اندازه‌ها، شکل‌ها مختلف هستند.

۲) غلتک‌ها (Rollers): غلتک‌ها که از نظر قطر، طول، نوع پارچه و طول الیاف متفاوت هستند و معمولاً برای مناطق مسطح بزرگ (سطوح افقی و عمودی) استفاده می‌شوند.
۳) اسپری (Spray): اسپری می‌تواند در دو نوع زیر باشد:
الف) اسپری معمولی (Conventional Spray): دارای تجهیزات ساده و ارزان می‌باشد و به طور وسیعی مقبولیت داشته و مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش ذرات رنگ توسط جریان هوا پر فشار بر روی سطح قطعه کار پاشیده می‌شود. جریان هوا پر فشار توسط کمپرسور ایجاد می‌شود.
ب) اسپری بدون هوا (Airless Spray): در این روش سیال (رنگ) توسط پمپ تحت فشار قرار می‌گیرد. در این روش پمپ‌های موتور الکتریکی و پمپ‌های هیدرولیک نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما رایج‌ترین آن‌ها پمپ‌هایی است که با هوای فشرده کار می‌کنند. رنگ با کمک فشار اعمال شده و عبور از نازل‌های خروجی به شکل پودر در می‌آید و بر روی سطح پاشیده می‌شود. مزیت این روش نسبت به اسپری معمولی به صورت زیر است. ۱) سرعت بالای رنگ‌آمیزی ۲) اجرای رنگ با ضخامت زیاد ۳) کاهش ضایعات

۴) رنگ الکترواستاتیک (Electrostatic Spray):

رنگ الکترواستاتیک یک فرایند رنگ‌آمیزی است که در آن از اصول الکترواستاتیک برای تهیه و اعمال رنگ استفاده می‌شود. این روش معمولاً برای رنگ‌آمیزی اجسام فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرآیند رنگ الکترواستاتیک به این صورت است که قطعات فلزی با استفاده از یک تابش یونیزه‌کننده الکترواستاتیک باردار می‌شوند. این تابش، بار‌های الکتریکی مثبت را بر روی قطعه فلزی ایجاد می‌کند و در عین حال بار‌های الکتریکی منفی را بر روی پودر رنگ ایجاد می‌کنند. در نهایت با استفاده از برقراری شارژ‌های الکتریکی رنگ به سطح قطعه جذب می‌شود و به طور یکنواخت روی سطح توزیع می‌شود.

۳) بازرسی رنگ و پوشش

بازرسی رنگ و پوشش یا Coating & Painting Inspections، توسط بازرس مربوطه انجام می‌شود. وظیفه بازرس مربوطه این است که بررسی کند آیا کیفیت کار انجام شده مطابق با مشخصات و مطابقت با تمام اسناد قراردادی پروژه است یا خیر. به معنای دقیق، قضاوت کار باید فقط بر اساس مستندات باشد.
بازرس رنگ و پوشش برای انجام صحیح وظایف، باید دستگاه بازرسی مناسب کار را داشته باشد که انواع مختلفی دارد، اما لیست زیر باید برای اکثر پروژه‌ها کافی باشد.
۱) دما و رطوبت سنج (Electronic Relative Humidity Temperature Meter)
۲) ضخامت سنج فیلم خشک (Dry Film Thickness Gauge)
۳) چراغ قوه (Flashlight)
۴) بازرسی آینه یا بوروسکوپ (Inspection Mirror or Boroscope)
۵) ذره بین یا میکروسکوپ دیجیتال (Magnifying Glass or Digital Microscope)
۶) تجهیزات تست نمک (رسانایی یا کلرید) (Salt Testing Equipment (Conductivity or Chlorides))

۳-۱) عیوب رنگ و پوشش

در ادامه برخی از شایع‌ترین عیوب رنگ و پوشش را بررسی می‌کنیم. تصاویر عیوب رنگ و پوشش، در ادامه مقاله آورده شده است.

۳-۱-۱) خونریزی (Bleeding)

خونریزی یا Bleeding به لکه دار شدن پوشش بالایی گفته می‌شود. علت به وجود آمدن این عیب، مهاجرت رزین‌ها یا رنگدانه‌های محلول در لایه زیرین به لایه رویی می‌باشد. برای جلوگیری از این مشکل، از مواد رنگی با مقاومت حلال کافی استفاده شود.

۳-۱-۲) تاول (Blistering)

تاول یا Blistering، به حباب‌های نیمکره‌ای کوچک تا بزرگ در پوشش که حاوی گاز‌ها یا مایعات است، گفته می‌شود. علت به وجود آمدن این عیب، ممکن است به دلیل آماده‌سازی ضعیف سطح، مواد محلول داخلی یا خیس بودن سطح باشد. برای جلوگیری از این مشکل، پوششی با قدرت چسبندگی بسیار قوی انتخاب کنید و از تمیزی سطح با آماده‌سازی سطح مناسب مطمئن شوید.

۳-۱-۳) بتن (Concrete)

بتن یا Concrete، نوعی عیب در پوشش است که سبب از بین رفتن چسبندگی یا پوسته شدن پوشش می‌شود. علت به وجود آمدن این عیب، ممکن است واکنش شیمیایی، تشکیل نمک‌های کلسیم در زیر پوشش و رطوبت بالا باشد. برای جلوگیری از این مشکل، سطح با شدت زیاد سند بلاست آماده‌سازی شود و از یک لایه زیرین با نفوذ بالا و وزن مولکولی کم استفاده شود.

۳-۱-۴) ترک خوردگی (Cracking)

ترک خوردگی یا Cracking، به وجود ناپیوستگی ترک در پوشش گفته می‌شود. علت به وجود آمدن این عیب، ممکن است به دلیل اکسیداسیون مداوم و استفاده از رنگدانه نامناسب یا سیستم پوشش نامناسب باشد. برای جلوگیری از این مشکل، از رزین‌های خنثی و مقاوم در برابر شرایط محیطی استفاده شود و رنگدانه‌های تقویت شده و خنثی با لایه رنگ زیرین استفاده شود.

۳-۱-۵) قلل و فرج (Cratering)

قلل و فرج یا Cratering، به وجود فرورفتگی‌های کوچک و یکنواخت در پوشش گفته می‌شود. علت به وجود آمدن آن حبس حباب‌های هوا در فیلم مرطوب حین اسپری رنگ می‌باشد. برای جلوگیری از این مشکل، با سندبلاست از حذف آلاینده‌ها در ناهمواری‌ها اطمینان حاصل کنید.

۳-۱-۶) پوست پرتقالی (Orange Peel)

پوست پرتقالی یا Orange Peel، به ایجاد ظاهر کلی ناهموار در پوشش گفته می‌شود که شبیه پوست پرتقال است. علت به وجود آمدن آن سطح فیلم صاف اما نامنظم است که ناشی از به کار‌گیری تکنیک‌های نامناسب مانند: قرار‌گیری نازل خیلی دور از سطح، تبخیر سریع حلال، فشار کم اسپری برای اتمیزه شدن و رنگ خیلی چسبناک است. برای جلوگیری از این مشکل، سعی در برطرف کردن علت‌های نام برده شده کنید.

جوشکاری با تکنیک تمپربید

جوشکاری با تکنیک تمپربید (Temper Bead)

۰ تا ۱۰۰ جوشکاری با تکنیک تمپربید (Temper Bead)

انجام جوشکاری تعمیری بر روی تجهیزات قدیمی و تحت فشار و سایر اجزای آن همیشه چالشی برای مهندسان جوش بوده است. خواص مکانیکی متریال‌ها در طول زمان و قرار گرفتن در شرایط مختلف عملیاتی دچار تغییر می‌شوند و این تغییرات سبب تضعیف خواص متریال می‌شوند. عملیات حرارتی پس از جوشکاری یکی از راه حل‌ها برای کاهش تنش‌های پسماند جوش، بهبود شکل‌پذیری، چقرمگی شکست و کاهش سختی است. اما انجام عملیات حرارتی پس از جوشکاری برای تجهیزات در حال کار (In-Service) به علت مشکلی مانند: اندازه‌ی تجهیز، موقعیت آن، مسائل مربوط به متریال، به وجود آمدن اعوجاج‌های پس از جوشکاری، شرایط ماده پس از سال‌ها قرار گرفتن شرایط مختلف عملیاتی و بسیاری از محدودیت‌های دیگر، همیشه امکان‌پذیر نیست.
انجام جوشکاری تعمیری با تکنیک تمپربید یا به انگلیسی Temper Bead، یک گزینه جذاب برای تعمیر در حین کار (In-Service Repair) برخی از فولاد‌های به کار رفته در ساخت مخازن و لوله‌های تحت فشار مانند فولاد‌های فریتی می‌باشد. اجرای این تکنیک باید بسیار دقیق و با پیروی از الگو‌های مشخص انجام شود. این تکنیک در ابتدا برای شرکت‌های هسته‌ای توسعه داده شد و توسط کد‌های طراحی و بکار‌گیری تجهیزات در صنایع هسته‌ایی ASME (کد ASME Sec III و کد ASME Sec XI) مورد استفاده قرار گرفته است.
انجام جوشکاری تعمیری با تکنیک تمپربید در طول ۳۰ سال گذشته با در نظر گرفتن استراتیژی‌های مختلف طراحی، ملاحظات پذیرش (Acceptance Considerations) گذشته توسعه یافته است.

معرفی جوشکاری تمپربید

تکنیک تمپربید در ابتدا به‌عنوان جایگزینی برای عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT) که توسط کد‌های طراحی و ساخت‌وساز الزامی شده بود، توسعه داده شد و این تکنیک برای سازه‌های بزرگ که انجام PWHT برای آن‌ها دشوار است می‌تواند بسیار کاربردی باشد. در این تکنیک با کنترل گرمای ورودی جوش سبب می‌شوند که دانه‌بندی درشت در ناحیه متاثر از حرارت یا HAZ، ریز‌تر شود.
انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME)، جوشکاری تمپربید را این گونه تعریف می‌کند: «در تکنیک تمپربید، یک مهره جوش (Weld Bead) در محل خاصی روی سطح جوش قرار می‌گیرد تا بر خواص متالورژیکی ناحیه متأثر از حرارت یا فلز جوش قبلاً رسوب‌شده تأثیر بگذارد.»

باید توجه داشت که تکنیک تمپربید نمی‌تواند به عنوان یک جایگزین برای عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT) که اعمال آن در برخی از ملاحظات طراحی ضروری است و سبب می‌شود مقدار تنش پسماند داخل قطعه به طور چشمگیر کاهش پیدا کند استفاده کرد. با این حال محدوده‌ی استفاده از این تکنیک برای بهبود موضعی چقرمگی شکست و کاهش حداکثر سختی در منطقه‌ی HAZ قابل ملاحظه است.
فولاد‌های کروم مولیبدن دار یک فولاد مقاوم در برابر خزش می‌باشد اما این فولاد در منطقه بین بحرانی (Intercritical Zone) حساس به وجود آمدن ترک IV خزش (Type-IV Creep Cracking) می‌باشد. لذا مهم است با کنترل حرارت ورودی جوش و قرار‌گیری مناسب مهره جوش ضخامت این محدوده را کاهش داد و در عوض عمق منطقه‌ی منطقه زیر بحرانی (Subcritical Zone) را افزایش داد.

تکنیک‌های مورد استفاده برای انجام جوشکاری تمپربید

جوشکاری تمپربید با دو تکنیک زیر می‌تواند انجام شود. ۱) تکنیک نیم مهره (Half Bead Technique) ۲) تکنیک رسوب‌گذاری کنترل شده (Controlled Deposition Technique)

۱) تکنیک نیم مهره

تکنیک نیم مهره یا به انگلیسی Half Bead Technique، برای استفاده در صنایع هسته‌ایی توسعه یافته است. اما با این وجود استفاده از این تکنیک برای تعمیر تجهیزات مکانیکی دما بالا مانند: پایپینگ‌های دمای بالا، محفظه‌های توربین و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.
گام نخست انجام این تکنیک با فرآیند جوشکاری SMAW به این صورت است که در ابتدا از الکترود‌های با قطر کم و سپس قطر زیاد استفاده می‌شود برای مثال رسوب‌گذاری با الکترود قطر ۲/۵ شروع و سپس ۳/۲ ادامه می‌یابد و در نهایت با ۴ به پایان می‌رسد. در این تکنیک افزایش تدریجی قطر الکترود‌ها، گرمای کافی ورودی برای عملیات حرارتی لایه اول تا سوم فراهم می‌شود. برای انجام جوشکاری تعمیری با تکنیک تمپربید، ناحیه‌ای که قرار است تعمیر شود باید تمیز و از قبل پیشگرم شود که این درجه بستگی به جنس و ضخامت متریال دارد و معمولاً بیش از ۱۵۰ درجه سانتیگراد است و سپس با استفاده از الکترود‌های قطر کم، با تکنیک لایه واسطه (Buttering) می‌توان یک ناحیه تحت تأثیر حرارت HAZ کوچک و کم عمق ایجاد کرد.
در مرحله‌ی بعد باید نیمی از مهره‌های ایجاد شده را با استفاده از سنگ زنی برداشت.
در گام سوم باید رسوب‌گذاری با الکترود قطور‌تر مانند الکترود ۳/۲ میلی‌متر انجام می‌شود که سبب می‌شود به طور مؤثر منطقه تحت تأثیر حرارت دانه درشت حذف شود و با تبدیل شدن به لایه‌ی نخست دانه‌های ریز‌تر پس از جوشکاری به وجود آیند.
مراحل باقیمانده‌ی رسوب‌گذاری با الکترود قطور‌تر مانند الکترود ۴ میلی‌متر انجام می‌شود اما سنگ زنی لایه‌های قبلی به مقدار جزئی انجام می‌شود. در نهایت استفاده از این تکنیک، مهر‌های جوش در هر مرحله قادر هستند، لایه‌ی پیشین خود را عملیات حرارتی کنند.

نقطه ضعف این تکنیک نیاز به سنگ زنی دقیق و زمان بر بودن آن است و همچنین اگر مواد زیادی از لایه اول برداشته شود، اثرات مفید آن موفقیت‌آمیز نخواهد بود. در نتیجه از این تکنیک با توجه به دلایل گفته شده بیشتر در صنایع هسته‌ایی و صنایع حساس مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تکنیک رسوب‌گذاری کنترل شده

تکنیک رسوب‌گذاری کنترل شده یا به انگلیسی Controlled Deposition Technique، برای تعمیر تجهیزات ساخته شده از فولاد‌های مولبیدن دار که در نیروگاه‌های سوخت فسیلی مورد استفاده قرار می‌گرفتند توسعه یافته است. گزارش شده است که قطعات تعمیر شده با این فولاد پس از تعمیر دچار تردی خزشی (Creep Embrittlement) و ترک باز گرمی جوش (Re-Heat Cracking) شده بودند.

انجام این تکنیک با فرآیند جوشکاری SMAW به این صورت است که در ابتدا از نسبت‌های کنترل شده حرارت ورودی بین یک لایه جوش و لایه بعدی استفاده می‌شود. گرما‌ی ورودی برای لایه دوم ۱/۳ تا ۱/۸ برابر بیشتر از لایه اول است که برای ایجاد پالایش دانه (Grain Refinement) مورد استفاده قرار می‌گیرد. تعیین میزان نسبت‌ها باید به طور تجربی برای هر ماده‌ای به صورت جداگانه تأیید شود.
افزایش گرمای ورودی باید ۳۰ تا ۷۰ درصد برای لایه‌های بعدی باشد در فرآیند جوشکاری SMAW، افزایش اندازه الکترود در حالی که روش جوشکاری یکسان باقی می‌بماند، به طور کلی این امر را محقق می‌شود.

تائید دستور العمل جوشکاری تمپربید

تائید دستور العمل جوشکاری تمپربید در کد ASME IX آورده شده است. مطابق با قوانین QW-۲۹۰ در کد ASME IX گرمای ورودی حداقل برای لایه اول نیاز است که به تدریج برای لایه‌های بعدی زیاد می‌شود.
به طور معمول، این روش گرمای ورودی مهره‌های اولیه را به حداقل می‌رساند، بنابراین حرارت را فراتر از منطقه متأثر از حرارت جوش (HAZ) فلز پایه محدود می‌کند. حرارت ورودی باید برای مهره‌های متوالی مطابق با قوانین QW-۲۹۰ برای جوشکاری مهره‌های نرم در بخش IX ASME افزایش یابد.
در این کد ۶ زیر بخش، که شامل الزامات تائید دستور العمل، محدودیت‌ها، متغیر‌های ضروری و غیر ضروری، آماده‌سازی و آزمایش کوپن تست و جوشکاری تعمیر در حین فرآیند می‌باشد که به شرح زیر است:

QW-۲۹۰. ۱ Basic Qualification and Upgrading Existing WPSs
QW-۲۹۰. ۲ Welding Process Restrictions
QW-۲۹۰. ۳ Variables for Temper Bead Welding Qualifications
Table QW-۲۹۰. ۴ Welding Variables for Temper Bead Procedure Qualification
QW-۲۹۰. ۵ Test Coupon Preparation and Testing
QW-۲۹۰. ۶ In-Process Repair Welding

به منظور ارزیابی اثربخشی متالورژیکی جوشکاری تمپربید مطابق کد ASME Sec III بخش NB چهار آزمایش تکمیلی به شرح زیر انجام می‌شود.
۱) ارزیابی ریزساختاری جوش و HAZ
۲) تست سختی
۳) تست ضربه شارپی
۴) تست خمش
همچنین به منظور تعیین اثربخشی روش جوشکاری تمپربید، مقایسه آن‌ها روش جوشکاری پیش فرض ضروری است.

تائید صلاحیت جوشکار برای جوشکاری تمپربید

علاوه بر الزامات معمول تائید صلاحیت جوشکار در کد ASME Sec IX، برای جوشکاران لازم است که یک نمایش مهارت تکمیلی را برای انجام جوشکاری تمپربید تکمیل کنند. این آزمون برای مشخص شدن توانایی آن‌ها برای انجام صحیح جوشکاری تمپربید مطابق با واقعیت انجام می‌شود.