ساخت مبدل حرارتی تمام جوشی WPHE【صفحه ای】

مبدل حرارتی تمام جوشی چیست؟

مبدل حرارتی جوش داده شده که با عنوان Fully Welded Plate Heat Exchanger (WPHE) شناخته می‌شود، یکی از انواع مبدل‌های صنعتی صفحه‌ای است که در آن تمام صفحات به‌صورت دائمی و کامل به یکدیگر جوش داده شده‌اند و هیچ‌گونه واشر (گسکت) در ساختار آن وجود ندارد. حذف گسکت باعث می‌شود این اکسچنجر‌ها تحمل فشار و دمای بالا را داشته باشند و خطر نشتی به حداقل برسد؛ به همین دلیل، مبدل‌های صنعتی تمام‌جوشی گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهای صنعتی با سیالات خورنده، سمی یا حساس و شرایط کاری سخت محسوب می‌شوند.

ویژگی‌های فنی و عملکردی

• ✔️ تحمل دما: این تجهیزات بسته به نوع آلیاژ می‌توانند از -200°C (در فرآیندهای کرایوژنیک) تا بیش از 500°C را تحمل کنند.
• ✔️ تحمل فشار: ساختار صلب و جوشی آن‌ها اجازه می‌دهد تا فشارهایی تا حدود 70 بار را به‌راحتی مدیریت کنند.
• ✔️ ضریب انتقال حرارت: به دلیل طراحی موج‌دار صفحات، جریان سیال به‌شدت متلاطم می‌شود که نرخ تبادل انرژی را تا ۵ برابر نسبت به مبدل‌های پوسته و لوله افزایش می‌دهد.
• ✔️ صفحات جوش خورده: صفحات فلزی (جنس استنلس استیل یا تیتانیوم) به طور کامل به هم جوش داده شده‌اند. بدون گسکت، مناسب برای سیالات خورنده یا خطرناک.
• ✔️ راندمان حرارتی بالا: صفحات موج‌دار و جریان تلاطمی باعث انتقال حرارت مؤثر می‌شوند. 
• ✔️ ابعاد جمع‌وجور: فضای کمتری نسبت به مبدل پوسته‌ولوله اشغال می‌کند.
• ✔️ عدم نیاز به سرویس گسکت‌ها: چون جوش دائم است، نیاز به قطعات مصرفی مثل گسکت ندارند.

مبدل حرارتی جوش داده شده چگونه کار می‌کند؟

در این هیت اکسچنجرهای صنعتی، دو سیال گرم و سرد از کانال‌های جداگانه عبور می‌کنند و بدون تماس مستقیم، از طریق سطوح فلزی جوش‌خورده تبادل حرارت انجام می‌دهند. چون آب‌بندی توسط جوش انجام شده، خطر نشتی عملاً به حداقل می‌رسد.

انواع مبدل‌های صفحه ای تمام جوشی

این دستگاه ها در اشکال مختلفی طراحی می‌شوند تا نیازهای خاص صنایع را پوشش دهند:

اجزاء هیت اکسچنجر جوش داده شده

اجزای اصلی این مبدل‌ها بسته به طراحی (کامپابلک، پوسته و صفحه) متفاوت است، اما به طور کلی شامل موارد زیر هستند:

مزایای مبدل حرارتی کاملا جوشی

این مزایا باعث شده تا در صنایع سنگین، این تجهیز به عنوان جایگزین مدرن مبدل‌های قدیمی شناخته شود:

• • تحمل دما و فشار فوق‌العاده: به دلیل حذف واشرها که نقاط ضعف حرارتی هستند، این مبدل‌ها می‌توانند در دماهای بسیار بالا و فشارهای بسیار سنگین بدون تغییر شکل یا نشتی کار کنند.
• • ضریب انتقال حرارت بسیار بالا: طراحی صفحات به گونه‌ای است که جریان سیال را متلاطم می‌کند. این تلاطم باعث می‌شود نرخ انتقال حرارت ۳ تا ۵ برابر بیشتر از مبدل‌های پوسته و لوله باشد.
• • ایمنی و پایداری در برابر نشتی: در فرآیندهایی که با مواد سمی، رادیواکتیو، یا قابل انفجار سر و کار دارند، "نشت" یک فاجعه است. جوشکاری دقیق صفحات ریسک خروج سیال به محیط را تقریباً به صفر می‌رساند.
• • طراحی فشرده: این مبدل‌ها به دلیل راندمان بالا، سطح موثر انتقال حرارت زیادی را در حجم کمی جای می‌دهند. این یعنی اشغال فضای کمتر در سایت (گاهی تا ۸۰ درصد کمتر از پوسته و لوله) و کاهش هزینه‌های فونداسیون.
• • کاهش رسوب‌گذاری: سرعت زیاد و تلاطم سیال در کانال‌های باریک باعث می‌شود ذرات معلق کمتر روی سطوح ته‌نشین شوند.
• • سازگاری با سیالات خورنده: چون نیازی به واشر لاستیکی نیست، می‌توان تمام صفحات را از آلیاژهای خاص (مثل تیتانیوم یا نیکل) ساخت تا در برابر اسیدهای قوی مقاوم باشند.

معایب هیت اکسچنجر تماما جوشی

با وجود مزایای زیاد، این تجهیزات چالش‌هایی دارند که باید قبل از خرید به آن‌ها توجه کرد:

• • عدم دسترسی مکانیکی برای تمیزکاری: بزرگترین نقطه ضعف این است که نمی‌توان مبدل را باز کرد و صفحات را با برس یا جت آب شست. اگر رسوب سختی داخل آن ایجاد شود، تنها راه استفاده از مواد شیمیایی (روش CIP) است.
• • تعمیرناپذیری صفحات داخلی: اگر یکی از صفحات داخلی به دلیل خوردگی سوراخ شود یا بر اثر شوک حرارتی ترک بخورد، امکان باز کردن و تعویض آن صفحه (مانند مدل‌های واشردار) وجود ندارد. در بسیاری از موارد، کل بلوک باید تعویض شود.
• • ظرفیت ثابت: در مبدل‌های واشردار می‌توانید با اضافه یا کم کردن تعداد صفحات، قدرت دستگاه را تغییر دهید. در مدل تمام جوشی، تعداد صفحات فیکس شده و پس از ساخت غیرقابل تغییر است.
• • هزینه اولیه بالاتر: فرآیند ساخت (جوشکاری دقیق لیزری یا پلاسما و تست‌های اشعه ایکس) بسیار گران‌تر از مونتاژ مدل‌های گسکت دار است.
• • حساسیت به شوک‌های حرارتی ناگهانی: اگرچه دماهای بالا را تحمل می‌کنند، اما تغییرات ناگهانی و بسیار سریع دما می‌تواند باعث ایجاد تنش در محل جوش‌ها و در نهایت ترک‌خوردگی شود.

کاربردهای مبدل تمام جوشی 

مبدل‌های حرارتی تمام جوشی به دلیل ساختار مستحکم و حذف واشر، در بخش‌هایی از صنعت که شرایط عملیاتی به اصطلاح "خشن یا سخت" حکمفرماست، حضور پررنگی دارند. در اینجا لیست کامل کاربردهای این دستگاه را به همراه دلیل استفاده در هر بخش بررسی می‌کنیم:

۱. صنایع نفت، گاز و پالایشگاهی

این صنعت بزرگترین مصرف‌کننده مبدل‌های تمام جوشی است.

• • پیش‌گرم‌سازی نفت خام: برای گرم کردن نفت سنگین قبل از ورود به برج تقطیر.
• • تصفیه گاز با آمین: آمین‌ها موادی هستند که به واشرهای معمولی آسیب می‌زنند؛ بنابراین در واحدهای شیرین‌سازی گاز از مدل‌های تمام جوشی استفاده می‌شود.
• • بازیافت حرارت از جریان‌های داغ: در پالایشگاه‌ها جریان‌های جانبی بسیار داغی وجود دارند که انرژی آن‌ها باید بازیابی شود.
• • فرآیندهای هیدروکربنی: مدیریت سیالات قابل اشتعال که نشت آن‌ها منجر به آتش‌سوزی می‌شود.

۲. صنایع شیمیایی و پتروشیمی

جایی که سیالات خورنده یا بسیار سمی جابجا می‌شوند.

• • کار با اسیدهای قوی و حلال‌ها: بسیاری از حلال‌های آلی و اسیدها (مثل اسید سولفوریک یا نیتریک) واشرها را در چند ساعت ذوب می‌کنند.
• • تولید پلیمر و پلاستیک: فرآیندهایی که نیاز به دماهای بسیار دقیق و بالا دارند.
• • کندانسورهای مواد شیمیایی: برای تبدیل بخارات سمی شیمیایی به مایع در یک فضای بسته و ایمن.

۳. نیروگاه‌های تولید برق

• • سیستم‌های کندانسور بخار: برای چگالش بخار خروجی از توربین‌ها.
• • گرم‌کن‌های آب تغذیه: برای بالا بردن راندمان نیروگاه با استفاده از حرارت تلف‌شده.
• • انرژی‌های تجدیدپذیر (ژئوترمال): در نیروگاه‌های زمین‌گرمایی که سیال خروجی از زمین حاوی املاح خورنده و دمای بالاست.

۴. سیستم‌های برودتی و تهویه مطبوع صنعتی

• • استفاده از آمونیاک (NH3) به عنوان مبرد: آمونیاک یکی از بهترین مبردهاست اما به‌شدت به واشرها حمله می‌کند. مبدل صنعتی تمام جوشی (به‌ویژه نوع Plate and Shell) در چیلرهای آمونیاکی انتخاب اول است.
• • سیستم‌های آبشاری: در دماهای بسیار پایین (زیر صفر مطلق صنعتی) که واشرها خشک و شکننده می‌شوند.

۵. صنایع دریایی و کشتی‌سازی

• • خنک‌کاری موتور کشتی: به دلیل محدودیت شدید فضا در موتورخانه کشتی، این مبدل‌های کوچک و فشرده جایگزین مدل‌های غول‌پیکر پوسته و لوله شده‌اند.

• • تأسیسات آفشور: در سکوهای نفتی وسط دریا که وزن تجهیزات و مقاومت در برابر خوردگی آب شور بسیار مهم است.

۶. بازیافت حرارت تلف شده 

• • صنایع فولاد و سیمان: برای جذب گرمای گازهای خروجی از دودکش‌ها و برگرداندن آن به چرخه تولید یا تولید آب گرم. این کار باعث کاهش چشمگیر مصرف سوخت می‌شود.

چه زمانی انتخابش کنیم؟

اگر سیال شما تمیز است (رسوب سخت ایجاد نمی‌کند) اما خطرناک، داغ یا تحت فشار زیاد است، مبدل کاملا جوشی بهترین و ایمن‌ترین انتخاب ممکن در صنعت امروز است.

| یک نکته کلیدی برای مهندسان:

مبدل تمام جوشی زمانی انتخاب می‌شود که "مثلث بحران" وجود داشته باشد:

1. 1.  فشار بالا  ۲۵ بار
2. 2.  دمای بالا  ۱۸۰ درجه
3. 3.  سیال خطرناک سمی یا خورنده

اگر سیستم شما هیچ‌کدام از این سه مورد را ندارد، معمولاً هست اکسچنجرهای واشردار به دلیل قابلیت باز شدن و تمیزکاری راحت‌تر، اقتصادی‌تر هستند.

جنس صفحات در مبدل صنعتی تمام جوش

انتخاب متریال (جنس صفحات) در مبدل‌های حرارتی جوش داده شده بسیار حیاتی است؛ زیرا در این دستگاه ها امکان تعویض یک صفحه تک در صورت خوردگی وجود ندارد و خرابی یک صفحه می‌تواند کل بلوک گران‌قیمت را از رده خارج کند.

در ادامه، رایج‌ترین متریال‌ها و کاربرد آن‌ها برای سیالات خاص را بررسی می‌کنیم:

۱. استنلس استیل ۳۱۶L  

رایج‌ترین و اقتصادی‌ترین گزینه برای اکثر کاربردها.

• • مناسب برای: روغن داغ، آب مقطر، بخار، گازهای خروجی و محلول‌های شیمیایی ضعیف.
• • ویژگی: مقاومت خوب در برابر اکسیداسیون و خوردگی عمومی. حرفL نشان‌دهنده کربن پایین است که برای جوشکاری بهتر و جلوگیری از ترک خوردن در محل جوش‌ها ضروری است.

۲. تیتانیوم  

• • مناسب برای: آب دریا، محلول‌های حاوی کلرید (مثل نمک‌آب) و سفیدکننده‌ها.
• • ویژگی: تیتانیوم در برابر خوردگی ناشی از آب شور تقریباً روئین است. در مبدل‌های تمام جوشی دریایی، تیتانیوم حرف اول را می‌زند.

۳. آلیاژهای نیکل و هستلوی

گران‌قیمت‌ترین اما مقاوم‌ترین متریال‌ها.

• • مناسب برای: اسیدهای بسیار قوی مانند اسید سولفوریک، اسید کلریدریک و مواد شیمیایی در دمای بسیار بالا.
• • ویژگی: این آلیاژها در محیط‌هایی که حتی استیل ۳۱۶ هم ذوب می‌شود، مقاومت خود را حفظ می‌کنند.

نکات کلیدی در انتخاب متریال برای ساخت مبدل تمام جوش

1. 1. پدیده خوردگی تنشی (SCC): در مبدل‌های تمام جوشی، به دلیل وجود تنش‌های ناشی از جوشکاری، اگر سیال حاوی کلرید باشد و دما بالا برود، استیل ۳۱۶ ممکن است دچار ترک‌خوردگی ناگهانی شود. در این شرایط از Duplex (استیل دوبلکس) استفاده می‌شود.

2. 2. ضریب انتقال حرارت: تیتانیوم و استیل ضریب انتقال حرارت متفاوتی دارند. در طراحی، ضخامت صفحات (معمولاً بین ۰.۵ تا ۱ میلی‌متر) به گونه‌ای انتخاب می‌شود که بیشترین راندمان حاصل شود.
3. 3. عمر مفید: با انتخاب متریال یک پله بالاتر از استاندارد (مثلاً استفاده از ۳۱۷ به جای ۳۱۶)، می‌توانید عمر دستگاه را در محیط‌های خورنده از ۵ سال به بیش از ۱۵ سال افزایش دهید.

استانداردهای تست جوش (مانند تست نفوذ یا اشعه ایکس)

چون مبدل‌های جوش داده شده «غیرقابل باز شدن» هستند، کیفیت جوشکاری در آن‌ها حکم «حیات و ممات» دستگاه را دارد. اگر یک جوش کوچک در لایه‌های داخلی ایراد داشته باشد، کل دستگاه عملاً به یک قطعه آهن قراضه تبدیل می‌شود.

به همین دلیل، استانداردهای بسیار سخت‌گیرانه‌ای برای بازرسی آن‌ها وجود دارد. در ادامه، مهم‌ترین تست‌های غیرمخرب (NDT) و استانداردهایی که باید به آن‌ها توجه کنید را لیست کرده‌ایم:

۱. تست‌های غیرمخرب (NDT) برای اطمینان از سلامت جوش

در فرآیند ساخت، لایه به لایه تست‌های زیر انجام می‌شود:

• • تست مایعات نافذ (PT - Dye Penetrant Test): این اولین و ساده‌ترین تست است. یک مایع رنگی روی خط جوش پاشیده می‌شود تا کوچک‌ترین ترک‌های سطحی یا منافذ میکروسکوپی که با چشم دیده نمی‌شوند، نمایان گردند.
• • تست رادیوگرافی  (RT - X-Ray): این تست حیاتی‌ترین بخش است. با استفاده از اشعه ایکس، از داخلِ جوش عکس‌برداری می‌شود تا اطمینان حاصل شود که در عمق جوش، حباب هوا یا ناخالصی وجود ندارد. در مبدل‌های حساس، ۱۰۰٪ خطوط جوش باید رادیوگرافی شوند.
• • تست نشت هلیوم: از آنجایی که مولکول‌های هلیوم بسیار ریز هستند، این تست حساس‌ترین روش برای پیدا کردن نشتی است. دستگاه را با گاز هلیوم پر کرده و با حسگرهای مخصوص، بیرون آن را چک می‌کنند. اگر هلیوم خارج شود، یعنی جوش در مقیاس اتمی هم نشتی دارد.
• • تست آلتراسونیک (UT): با استفاده از امواج صوتی فرکانس بالا، ضخامت جوش و نبودِ عیوب داخلی چک می‌شود. این تست جایگزین یا مکمل خوبی برای رادیوگرافی است.

۲. تست‌های فشار

پس از اتمام کامل جوشکاری، کل پکیج تحت فشار قرار می‌گیرد:

• • تست هیدرواستاتیک (Hydro-Test): معمولاً مبدل را با آب پر کرده و فشاری معادل ۱.۳ تا ۱.۵ برابر فشار طراحی به آن وارد می‌کنند تا استحکام کل سازه تایید شود.
• • تست پنوماتیک: در موارد خاص با گاز نیتروژن انجام می‌شود که البته به دلیل خطر انفجار، پروتکل‌های ایمنی بسیار شدیدی دارد.

۳. استانداردهای بین‌المللی مرجع

در دفترچه فنی یک مبدل کاملا جوشی معتبر، حتماً باید نام این استانداردها را ببینید:

1. 1. ASME Section VIII, Division1: معتبرترین استاندارد طراحی و ساخت مخازن تحت فشار در جهان.
2. 2. ASME Section IX: این بخش مخصوص "تایید صلاحیت جوشکار" و "روش جوشکاری" (WPS) است. یعنی جوشکار باید گواهینامه مخصوص همین نوع جوش را داشته باشد.
3. 3. API 662: استانداردی که مخصوص مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای در صنایع نفت و گاز تدوین شده است.
4. 4. TEMA: اگر مبدل از نوع "Plate and Shell" باشد، استانداردهای انجمن سازندگان مبدل‌های حرارتی (TEMA) نیز اعمال می‌شود.

چک‌ لیست مهم هنگام خرید یا سفارش

اگر قصد سفارش این مبدل را دارید، حتماً این ۳ مدرک را از سازنده بخواهید:

1. 1.WPS (Welding Procedure Specification): دستورالعمل دقیق نحوه جوشکاری.
2. 2.PQR (Procedure Qualification Record): نتایج تست‌هایی که ثابت می‌کند روش جوشکاری سازنده واقعاً جواب می‌دهد.
3. 3.MTR (Material Test Report): گواهینامه اصالت متریال (مثلاً تاییدیه اینکه این ورق واقعاً استیل ۳۱۶L  است).

خرید و قیمت از آکا تجهیز صدر

شرکت آرکاصدر به عنوان یکی از پیشگامان بومی در صنعت تجهیزات حرارتی، با بهره‌گیری از دانش مهندسی پیشرفته و تکنولوژی‌های روز، انتخابی منحصربه‌فرد برای طراحی و ساخت تخصصی انواع مبدل‌های صفحه‌ای جوشی در ایران محسوب می‌شود. این مجموعه با ارائه سبد کاملی از محصولات شامل مبدل‌ بریز برای سیستم‌های فشرده، مبدل‌های نیمه‌جوشی جهت مدیریت سیالات خورنده و مبدل‌های تمام‌جوشی برای تحمل دما و فشارهای عملیاتی بسیار بالا، توانسته است استانداردهای کیفی بین‌المللی را با نیازهای داخلی تطبیق دهد. دقت در جوشکاری‌های تخصصی، راندمان حرارتی فوق‌العاده و خدمات پس از فروش در دسترس، آرکاصدر را به شریکی استراتژیک و مطمئن برای صنایع نفت، گاز و پتروشیمی تبدیل کرده است.