Comment choisir correctement le matériau des faisceaux de tubes de convection

Le choix correct du matériau des faisceaux de tubes de convection nécessite une prise en compte globale des conditions de fonctionnement de la chaudière, de lenvironnement dexploitation, de la rentabilité et des exigences de fabrication. Voici les étapes et les facteurs clés pour choisir le matériau des faisceaux de tubes de convection :

1. Comprendre les conditions de fonctionnement
Température : les faisceaux de tubes de convection se trouvent généralement dans un environnement de fumées à température moyenne à élevée (environ 300 à 800 °C, selon le type de chaudière et lemplacement du faisceau). Il est nécessaire de choisir un matériau capable de supporter cette plage de températures, afin déviter le fluage à haute température ou la diminution de la résistance.
Pression : la pression du fluide de travail à lintérieur du tube (comme leau ou la vapeur) (basse pression, moyenne pression ou très haute pression) détermine les exigences de résistance du matériau. Les chaudières à haute pression nécessitent lutilisation de matériaux à plus haute résistance.
Mode de circulation : la circulation naturelle, la circulation forcée ou les chaudières à circulation directe ont des exigences différentes en matière de résistance à la fatigue du matériau.

2. Tenir compte de lenvironnement des fumées
Corrosivité : les fumées peuvent contenir des sulfures, des chlorures ou des oxydes, ce qui peut entraîner une corrosion à haute température ou une corrosion par point de rosée à basse température. Il est nécessaire de choisir un matériau résistant à la corrosion, tel quun acier faiblement allié ou un acier inoxydable.
Usure : les cendres volantes des chaudières à charbon peuvent provoquer lusure des faisceaux de tubes, en particulier dans les zones de fumées à haut débit. Il convient de choisir un matériau à haute dureté ou dont la surface peut être renforcée.
Accumulation de cendres : certains combustibles (comme le charbon à haute teneur en cendres) ont tendance à provoquer une accumulation de cendres, ce qui affecte lefficacité de léchange de chaleur. Les caractéristiques de surface du matériau (comme la douceur) ou les mesures de protection supplémentaires (comme la conception des ailettes) doivent être prises en compte.

3. Choix des matériaux courants
Selon le type de chaudière et les conditions de fonctionnement, voici les matériaux de faisceaux de tubes de convection couramment utilisés :

Acier au carbone (tel que lacier 20#, SA-106B) :
Convient aux chaudières à basse pression et à basse température (telles que les petites chaudières industrielles).
Avantages : faible coût, bonnes performances de traitement.
Inconvénients : résistance limitée aux hautes températures et à la corrosion, convient aux températures de fumées inférieures à 400 °C.

Acier faiblement allié (tel que 15CrMo, 12Cr1MoV, SA-213 T11/T22) :
Convient aux chaudières à moyenne et haute pression, avec une température des fumées comprise entre 400 et 600 °C.
Avantages : bonne résistance à haute température et résistance à loxydation, bon rapport qualité-prix.
Inconvénients : sensible à la corrosion à haute température, il est nécessaire de contrôler la composition des fumées.

Acier fortement allié/acier inoxydable (tel que SA-213 TP304, TP321, TP347) :
Convient aux chaudières à très haute pression, aux chaudières supercritiques ou aux environnements très corrosifs (tels que les chaudières dincinération des déchets).
Avantages : excellente résistance à la corrosion à haute température et résistance à loxydation, convient aux températures de fumées supérieures à 600 °C.
Inconvénients : coût élevé, difficulté de traitement.

Matériaux composites résistants à lusure et à la corrosion :
Dans les zones à forte usure, il est possible dutiliser des tubes composites avec un rechargement de surface (tel quun alliage à base de nickel) ou un revêtement céramique pulvérisé.
Avantages : prolonge la durée de vie, réduit la maintenance.
Inconvénients : coût de fabrication élevé.

4. Équilibrer la rentabilité et les performances
Coût initial : lacier au carbone est le moins cher, les aciers alliés et les aciers inoxydables ont des coûts progressivement plus élevés. Il est nécessaire de choisir en fonction du budget et de la durée de vie prévue.
Coûts dexploitation et de maintenance : les matériaux résistants à la corrosion et à lusure peuvent réduire la fréquence des arrêts pour maintenance et réduire les coûts de maintenance à long terme.
Durée de vie prévue : les chaudières à haute pression ou à haute température doivent privilégier les matériaux à haute performance pour garantir un fonctionnement sûr à long terme, tandis que les chaudières à basse pression peuvent choisir des matériaux économiques de manière appropriée.

5. Tenir compte des performances de fabrication et de traitement
Soudabilité : les faisceaux de tubes de convection doivent être soudés aux collecteurs ou aux plaques tubulaires, la soudabilité du matériau (telle que la résistance de la soudure, la tendance à la fissuration) est essentielle. Lacier faiblement allié et lacier au carbone ont une bonne soudabilité, lacier fortement allié nécessite des procédés de soudage spéciaux.
Performances de cintrage : les faisceaux de tubes de convection doivent souvent être cintrés, le matériau doit avoir une bonne plasticité et une bonne ténacité pour éviter la fissuration lors du cintrage.
Exigences de traitement thermique : certains aciers alliés nécessitent un traitement thermique (tel que la normalisation, le revenu) pour améliorer les performances, il est nécessaire dévaluer la complexité du processus de fabrication.

6. Normes et spécifications de référence
Se conformer aux normes industrielles pertinentes, telles que :
Chine : GB/T 5310 (tubes en acier sans soudure pour chaudières à haute pression), GB/T 3087 (tubes en acier sans soudure pour chaudières à basse et moyenne pression).
International : ASME SA-213 (tubes en acier allié ferritique et austénitique sans soudure pour chaudières), ASTM A106 (tubes en acier au carbone sans soudure pour haute température).
Selon les paramètres de conception de la chaudière, se référer aux matériaux recommandés par les normes et sassurer que les matériaux répondent aux exigences de certification.

7. Combiner lexpérience pratique
Type de combustible : la composition des fumées des chaudières à charbon, au fioul, au gaz naturel ou à la biomasse varie considérablement. Par exemple, les chaudières au fioul nécessitent des matériaux plus résistants à la corrosion par le soufre.
Variations des conditions de fonctionnement : tenir compte du fait que la chaudière démarre et sarrête fréquemment (nécessite une résistance à la fatigue thermique) ou que la charge de fonctionnement fluctue (nécessite une résistance au fluage).
Données historiques : se référer aux enregistrements de fonctionnement des chaudières du même type, comprendre les performances et les modes de défaillance des matériaux courants, optimiser le choix.

8. Mesures de protection supplémentaires
Si le matériau lui-même est difficile à satisfaire pleinement aux exigences, il est possible daméliorer les performances de la manière suivante :
Traitement de surface : tel que la pulvérisation de revêtements résistants à lusure et à la corrosion, la nitruration ou le renforcement par laminage.
Optimisation de la structure : installation de manchons anti-usure, dailettes ou déléments de turbulence pour réduire lusure et laccumulation de cendres.
Optimisation du fonctionnement : en contrôlant la vitesse du flux de fumées ou en soufflant régulièrement les cendres, réduire la corrosion et lusure du matériau.