ท่อสเตนเลสดูเพล็กซ์ที่ผลิตขึ้นแบบเติมสารทำให้ได้โปรไฟล์ความหนาของผนังที่เหมาะสมที่สุดได้อย่างไร

โดยทั่วไปแล้ว ท่อแลกเปลี่ยนความร้อนจะถูกวาดด้วยความหนาของผนังเท่ากันตั้งแต่ต้นจนจบ โดยพิจารณาจากจุดความเค้นที่เลวร้ายที่สุด การผลิตแบบเติมเนื้อทำให้ข้อจำกัดนี้หมดสิ้นลง: ขณะนี้สามารถพิมพ์ท่อสแตนเลสดูเพล็กซ์โดยมีผนังหนาขึ้นใกล้กับแผ่นท่อซึ่งมีความเครียดเข้มข้น และผนังบางเฉียบตรงกลางซึ่งมีเพียงการกักเก็บความดันเท่านั้นที่สำคัญ โดยบีบประสิทธิภาพการระบายความร้อนทุกหยดสุดท้ายออก ความสามารถในการเปลี่ยนความหนาของผนังตามความยาวของท่อได้เปลี่ยนรูปแบบการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประสิทธิภาพสูงขนาดกะทัดรัดสำหรับแพลตฟอร์มนอกชายฝั่ง โรงงานเคมี และการใช้งานด้านการบินและอวกาศ

ข้อจำกัดทั่วไป: ความหนาของผนังสม่ำเสมอทุกที่

ท่อสแตนเลสดูเพล็กซ์ทั่วไป (เช่น 2205, 2507) ผลิตโดยการอัดขึ้นรูป การดึง หรือการรีด กระบวนการเหล่านี้ผลิตหลอดที่มีความหนาของผนังคงที่ตลอดความยาวทั้งหมด ความหนาของผนังจะถูกเลือกตามตำแหน่งความเค้นสูงสุด-โดยทั่วไปคือปลายท่อ โดยที่ท่อถูกรีดหรือเชื่อมเข้ากับแผ่นท่อ หรือเมื่อมีความเค้นดัดงอสูงที่สุด ด้วยเหตุนี้ ส่วนตรงกลางของท่อจึงได้รับการออกแบบมามากเกินไปเพื่อกักเก็บแรงดันเพียงอย่างเดียว โลหะส่วนเกินจะเพิ่มน้ำหนัก ราคา และความต้านทานความร้อน เนื่องจากการถ่ายเทความร้อนผ่านผนังท่อจะแปรผกผันกับความหนา (สำหรับวัสดุและสภาวะของเหลวที่กำหนด) ท่อที่มีความหนาสม่ำเสมอจึงลดประสิทธิภาพลง

โซลูชันการผลิตแบบเติมเนื้อ: โปรไฟล์ความหนาของผนังที่ปรับเปลี่ยนได้

เพิ่มประสิทธิภาพท่อสแตนเลสดูเพล็กซ์สำหรับการผลิตสารเติมแต่งการออกแบบที่ผลิตขึ้นโดยใช้เลเซอร์ผงเบดฟิวชั่น (LPBF). เลเซอร์กำลังสูงเลือกละลายผงละเอียดของสเตนเลสดูเพล็กซ์ (เช่น UNS S31803 หรือ S32750) ทีละชั้น กระบวนการนี้เป็นไปตามแบบจำลอง CAD สามมิติที่กำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน และความแปรผันตามแกนของท่อ ความหนาของผนังสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่องซึ่งแตกต่างจากวิธีการทั่วไป

กลยุทธ์การปรับให้เหมาะสมโดยทั่วไปได้แก่:

ปลายหนาขึ้น– ท่อ 50–100 มม. แรกใกล้กับปลายแต่ละด้าน (บริเวณที่สัมผัสกับแผ่นท่อ) จะได้รับชั้นโลหะเพิ่มเติม ส่งผลให้ความหนาของผนังเพิ่มขึ้น โซนเสริมแรงนี้จัดการกับความเค้นเฉพาะจุดสูงจากการกลิ้ง การขยายตัว การสั่นสะเทือน และการโค้งงอ

ส่วนกลางที่บางลง– ภาคกลางซึ่งประสบกับความเค้นห่วงจากแรงดันภายในเท่านั้น จะถูกพิมพ์ด้วยความหนาขั้นต่ำที่ต้องเป็นไปตามรหัสการออกแบบแรงดัน (เช่น ASME มาตรา VIII ส่วนที่ 1 หรือ 2) ในการออกแบบบางแบบ ส่วนตรงกลางนี้จะบางกว่าท่อดึงแบบธรรมดาที่ทำจากวัสดุและระดับแรงดันเดียวกันถึง 30–50%

การเปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป– การเปลี่ยนแปลงความหนาของผนังจะลดลงในระยะทางสั้นๆ (เช่น 20–30 มม.) เพื่อหลีกเลี่ยงการรวมตัวของความเค้นในขั้นตอนที่แหลมคม

ผลลัพธ์ที่ได้คือส่วนประกอบตามการใช้งาน: โลหะจะถูกจัดวางอย่างแม่นยำตรงจุดที่มีส่วนช่วยให้เกิดความสมบูรณ์ทางกลไก และถอดออกตรงจุดที่เพิ่มน้ำหนักและความต้านทานความร้อนเท่านั้น

การถ่ายเทความร้อนที่ดีขึ้นและน้ำหนักที่ลดลง

แนวทางผนังแปรผันให้ประโยชน์เชิงปริมาณสองประการ:

เพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U)– สำหรับสภาพของไหลภายในและภายนอกที่เหมือนกัน ผนังท่อที่บางกว่าจะลดความต้านทานการนำไฟฟ้า ค่าการนำความร้อนของดูเพล็กซ์สแตนเลสอยู่ที่ประมาณ 15–17 W/m·K การลดความหนาของผนังจาก 2.0 มม. เป็น 1.2 มม. (ลดลง 40%) ช่วยลดความต้านทานความร้อนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้ประมาณ 40% ช่วยเพิ่มค่า U-value โดยรวมด้วยระยะขอบที่วัดได้ (โดยทั่วไป 10–15% ขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์ของฟิล์ม)

การลดน้ำหนัก– สำหรับท่อยาว (เช่น 6 ม.) ความยาวส่วนใหญ่จะเป็นส่วนกลางที่มีผนังบาง น้ำหนักรวมของท่อที่ผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุอาจต่ำกว่าท่อที่ดึงตามปกติที่เทียบเท่ากัน 25-40% โดยมีความหนาสม่ำเสมอซึ่งออกแบบมาเพื่อรับความเค้นปลายเดียวกัน ในชุดอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่มีท่อหลายร้อยท่อ การลดน้ำหนักสะสมถือเป็นสิ่งสำคัญ-สำคัญสำหรับแพลตฟอร์มนอกชายฝั่งและการใช้งานด้านการบินและอวกาศที่ทุกกิโลกรัมมีความสำคัญ

ข้อดีทางโลหะวิทยาของการผลิตสารเติมแต่งสำหรับดูเพล็กซ์

LPBF ของดูเพล็กซ์สแตนเลสสร้างโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างจากวัสดุที่ขึ้นรูปอย่างชัดเจน การแข็งตัวอย่างรวดเร็วมาก (อัตราการทำความเย็นสูงถึง 10⁶ องศา /วินาที) ทำให้ได้ส่วนผสมออสเทนไนต์และเฟอร์ไรต์ที่เป็นเนื้อเดียวกันที่ละเอียดมาก โดยมักจะมีขนาดเกรนอยู่ในช่วงไมโครมิเตอร์หรือช่วงไมโครเมตรย่อย โครงสร้างที่ดีนี้สามารถให้:

ความแข็งแรงของผลผลิตที่สูงขึ้น(มักจะสูงกว่า 20–30% ที่ทำเทียบเท่าในสถานะตามที่พิมพ์)

ทนแรงกระแทกได้ดีหลังจากผ่านการบำบัดความร้อนอย่างเหมาะสม

การแยกจากกันน้อยที่สุดขององค์ประกอบผสมลดความเสี่ยงของการเกิดเฟสระหว่างโลหะระหว่างการพิมพ์

อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้ความต้านทานการกัดกร่อนและความสมดุลของเฟสที่เหมาะสมที่สุด ส่วนประกอบดูเพล็กซ์ที่ผลิตแบบเติมเนื้อส่วนใหญ่จึงจำเป็นต้องมีการหลอมและการชุบสารละลายหลังกระบวนการ. วงจรการรักษาความร้อนโดยทั่วไปคือ:

ความร้อนสูงถึง 1,050–1100 องศา (ขึ้นอยู่กับเกรดเฉพาะ)

กดค้างไว้เป็นเวลาสั้นๆ (เช่น 30 นาทีต่อความหนาของส่วน 25 มม.)

ดับน้ำหรือดับแก๊สอย่างรวดเร็วเพื่อหลีกเลี่ยงการตกตะกอนของเฟสซิกมาและอินเทอร์เมทัลลิกอื่นๆ

After correct heat treatment, additively manufactured duplex stainless steel matches or exceeds the pitting resistance (PREN >40 สำหรับซูเปอร์ดูเพล็กซ์) ของคู่ที่ทำขึ้น

การตกแต่งพื้นผิวและผลกระทบต่อประสิทธิภาพ

พื้นผิวตามที่พิมพ์ไว้ของท่อ LPBF มีความหยาบกว่าท่อดึงหรือกราวด์อย่างมาก ค่าความหยาบผิว (Ra) โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 6 ถึง 15 µm เทียบกับ 0.4–1.6 µm สำหรับท่อที่ดึงออก ความหยาบนี้มีผลกระทบที่แข่งขันกันสองประการ:

การถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มขึ้น– ที่ด้านในของท่อ ความหยาบของพื้นผิวส่งเสริมการไหลเชี่ยวและรบกวนชั้นขอบเขตชั้นลามิเนต ส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนของฟิล์มเพิ่มขึ้น สำหรับของเหลวที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ (เช่น น้ำมันหรือก๊าซ) สิ่งนี้อาจเป็นประโยชน์

แรงดันตกคร่อมเพิ่มขึ้น– พื้นผิวที่ขรุขระยังเพิ่มปัจจัยการเสียดสีซึ่งต้องใช้กำลังปั๊มที่สูงขึ้น สำหรับการใช้งานที่มีการไหลสูง การลดแรงดันตกนี้อาจมีค่ามากกว่าประโยชน์ในการถ่ายเทความร้อน

ความกังวลเรื่องการกัดกร่อน– พื้นผิวที่ขรุขระสามารถดักจับคลอไรด์หรือคราบสะสม ซึ่งอาจก่อให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูพรุนหรือรอยแยกได้ สำหรับบริการน้ำหล่อเย็นเชิงรุก อาจจำเป็นต้องมีขั้นตอนภายหลัง เช่น การขัดเงาด้วยไฟฟ้า หรือการดองด้วยสารเคมี เพื่อทำให้พื้นผิวเรียบและคืนคุณภาพของฟิล์มแบบพาสซีฟ

ดังนั้น จะต้องระบุการตกแต่งพื้นผิวขั้นสุดท้ายให้เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ การปรับสมดุลข้อกำหนดด้านความร้อน ไฮดรอลิก และการกัดกร่อน

สถานะปัจจุบัน: นักบินการผลิตและนักบินอุตสาหกรรม

การผลิตท่อสแตนเลสดูเพล็กซ์แบบเติมเนื้อยังไม่เป็นวิธีการผลิตสินค้าโภคภัณฑ์ ขณะนี้เทคโนโลยีกำลังอยู่ในระหว่างการทดลองและตรวจสอบความถูกต้องสำหรับการใช้งานเฉพาะกลุ่ม ซึ่งน้ำหนัก พื้นที่ หรือประสิทธิภาพระดับพรีเมียมทำให้ต้นทุนที่สูงกว่า (โดยทั่วไปประมาณ 5-10 เท่าของท่อที่ดึงตามปกติ) ภาคส่วนสำคัญ ได้แก่ :

น้ำมันและก๊าซนอกชายฝั่ง– เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดกะทัดรัดสำหรับการประมวลผลด้านบน ซึ่งการลดน้ำหนักจะช่วยลดต้นทุนโครงสร้างแพลตฟอร์ม

การบินและอวกาศ– ตัวพักฟื้นและอินเตอร์คูลเลอร์สำหรับเครื่องยนต์กังหันแก๊ส ซึ่งประหยัดทุกกรัมจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง

การแปรรูปทางเคมีที่มีมูลค่าสูง– โรงงานนำร่องและเครื่องปฏิกรณ์พิเศษที่รูปทรงของท่อแบบกำหนดเองสามารถปรับจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาหรือการรวมความร้อนได้อย่างเหมาะสม

โครงการวิจัยและบริษัทที่รับเลี้ยงบุตรบุญธรรมหลายโครงการได้แสดงให้เห็นว่า:

ท่อดูเพล็กซ์ที่พิมพ์มีความยาวสูงสุด 1 ม. และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 มม. (ข้อจำกัดในการสร้างซองจดหมายเป็นข้อจำกัดหลัก ท่อขนาดใหญ่ต้องใช้การพิมพ์แบบโมดูลาร์หรือเครื่องพิมพ์รุ่นใหม่)

อัตราส่วนความหนาของผนังแปรผันที่ 2:1 (ปลายหนาถึงตรงกลางบาง) ประสบความสำเร็จในการผลิต

การทดสอบทางกลแสดงให้เห็นว่าท่อพิมพ์ที่ผ่านการอบร้อนอย่างถูกต้องตรงตามค่าความเค้น ASME มาตรา II (ส่วน D) สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ที่อุณหภูมิห้องและที่อุณหภูมิสูง (สูงถึง 250 องศา)

ความท้าทายและการยอมรับรหัส

การใช้ท่อดูเพล็กซ์ที่ผลิตแบบเติมเนื้ออย่างแพร่หลายถูกขัดขวางโดยความท้าทายหลักสามประการ:

1. สร้างขนาดซองจดหมาย

เครื่องพิมพ์ LPBF ส่วนใหญ่มีปริมาณการพิมพ์จำกัดอยู่ที่ 400 × 400 × 400 มม. ท่อแลกเปลี่ยนความร้อนโดยทั่วไปจะมีความยาว 3–6 ม. การพิมพ์ท่อแบบเต็มความยาวยังไม่สามารถทำได้ แนวทางปัจจุบัน ได้แก่ :

การพิมพ์ส่วนที่สั้นกว่า (เช่น ส่วนขนาด 300 มม.) และเชื่อมเข้าด้วยกัน (แม้ว่าการเชื่อมจะรื้อฟื้นข้อจำกัดทั่วไปบางประการอีกครั้ง)

การพิมพ์แกนตัวแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งหมดเป็นบล็อกเดียว โดยมีช่องทางการไหลในตัว แทนที่จะพิมพ์ทีละท่อ

การใช้การสะสมพลังงานโดยตรง (DED) กับแกนหมุนเพื่อพิมพ์ท่อยาวต่อเนื่อง ซึ่งเป็นเทคนิคที่ยังคงอยู่ในการวิจัย

2. คุณสมบัติรหัสการออกแบบ

รหัสภาชนะรับความดันที่มีอยู่ (ASME มาตรา VIII, EN 13445) ไม่มีกฎเกณฑ์มาตรฐานสำหรับชิ้นส่วนที่ผลิตแบบเติมแต่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับท่อที่มีความหนาผนังผันแปรได้ ผู้ผลิตจะต้องผ่านคุณสมบัติการออกแบบแต่ละอย่างผ่านการทดสอบอย่างละเอียด หรือใช้แนวทาง "กรณีโค้ด" (เช่น ASME Boiler และ Pressure Vessel Code Case 2938 สำหรับการผลิตสแตนเลสแบบเติมเนื้อ) ซึ่งใช้เวลานานและมีราคาแพง

3. การตรวจสอบโดยไม่ทำลาย (NDI)

การตรวจสอบท่อที่มีความหนาของผนังแปรผันเพื่อหาข้อบกพร่องภายใน (ขาดการหลอมรวม ความพรุน รอยแตก) มีความซับซ้อนมากกว่าการตรวจสอบท่อที่มีผนังสม่ำเสมอ สามารถใช้การตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT) ได้ แต่จะช้าสำหรับหลอดยาว เทคนิคอัลตราโซนิกจำเป็นต้องมีการสอบเทียบแบบกำหนดเองสำหรับแต่ละบริเวณความหนา

แนวโน้มในอนาคต: การออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนรูปแบบอิสระ

เมื่อปริมาณการสร้างเครื่องพิมพ์เพิ่มขึ้นและรหัสเติบโตเต็มที่ การผลิตแบบเติมเนื้อก็คาดว่าจะเปลี่ยนจากโครงการนำร่องไปเป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดกะทัดรัดระดับพรีเมียม ความสามารถในการความหนาของผนังแตกต่างกันไปตามความยาวเป็นเพียงก้าวแรกเท่านั้น การออกแบบในอนาคตอาจรวมถึง:

ส่วนที่หยาบภายในเพื่อส่งเสริมความปั่นป่วนในเขตการไหลต่ำ โดยมีส่วนเรียบในส่วนอื่นเพื่อลดแรงดันตกคร่อม

รูปทรงครีบแปรผันที่ด้านนอกของท่อ

บริเวณท่อร่วมไอดีและทางออกแบบบูรณาการพิมพ์แบบเสาหินด้วยท่อ ขจัดข้อต่อและความเสี่ยงในการกัดกร่อนที่เกี่ยวข้อง

วัสดุเกรดตามแนวยาวของท่อ (เช่น อัลลอยด์ราคาถูกกว่าในช่วงกลางของความเค้นต่ำ เปลี่ยนเป็นซูเปอร์ดูเพล็กซ์ที่ส่วนปลาย)

สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์โดยเฉพาะ การวิจัยยังคงขจัดความจำเป็นในการอบอ่อนโซลูชันหลังการพิมพ์ โดยการปรับพารามิเตอร์ LPBF ในแหล่งกำเนิดให้เหมาะสม ซึ่งอาจช่วยลดต้นทุนและระยะเวลารอคอยสินค้าได้

สรุป: หลอดที่เกิดมาพร้อมกับเอวเรียว

การผลิตแบบเติมเนื้อทำให้วิศวกรมีอิสระในการปั้นท่อเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ในระดับมิลลิเมตร สร้างส่วนประกอบที่เบากว่า มีประสิทธิภาพมากกว่า และได้รับการปรับแต่งให้เข้ากับโปรไฟล์ความเครียดได้อย่างสมบูรณ์แบบ ขณะนี้สามารถพิมพ์ท่อโดยใช้ปลายที่หนาขึ้นเพื่อทนต่อการรับน้ำหนักของแผ่นท่อและส่วนตรงกลางที่บางลงเพื่อลดความต้านทานความร้อนและน้ำหนัก แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จำกัดอยู่เพียงการผลิตนำร่องสำหรับการใช้งานที่มีมูลค่าสูง ประสิทธิภาพที่ได้รับ-ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น การลดน้ำหนักของวัสดุลง 25–40% และความสามารถในการปรับความหนาทุกมิลลิเมตรให้เหมาะสม-เป็นสิ่งที่ไม่อาจปฏิเสธได้ อนาคตของการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นแบบอิสระ และท่อสแตนเลสดูเพล็กซ์ที่ผลิตแบบเติมเนื้อผ้าถือเป็นแนวหน้าของวิวัฒนาการนี้ รหัสการออกแบบมาตรฐานกำลังตามทัน และเมื่อความสามารถของเครื่องพิมพ์ขยายตัว ท่อ "ความหนาของผนังที่เหมาะสมที่สุด" จะเปลี่ยนจากความอยากรู้อยากเห็นในการวิจัยไปสู่โซลูชันมาตรฐานทางอุตสาหกรรม