سبائك النحاس والنيكل: الخواص والدرجات (70/30 - 90/10)، التطبيقات

تُعد سبائك النحاس والنيكل (الكوبرونيكل) - ولا سيما عائلتا 90/10 (Cu-10Ni) و70/30 (Cu-30Ni) - من بين أفضل الخيارات لخدمة مياه البحر، وأنابيب المكثف والمبادل الحراري، والأنابيب البحرية والأغلفة المضادة للحشف لأنها تجمع بين المقاومة الممتازة للتآكل المنتظم والموضعي في مياه البحر مع قابلية تصنيع جيدة وقوة ميكانيكية معقولة; يعتمد نجاح التصميم على اختيار الدرجة الصحيحة (التركيب + الإضافات مثل الحديد/المنغنيز)، واتباع مواصفات ASTM/EN ذات الصلة، وتطبيق ممارسات التشغيل واللحام الصحيحة.

1. الملخص التقني السريع والتوصيات

كوبرونيكلز هي سبائك أساسها النحاس مع إضافات كبيرة من النيكل (عادةً 10-30 بالوزن % نيكل). إن التسميات 90/10 و70/30 هي اختصار للسبائك التي تحتوي على ما يقرب من 10% و30% نيكل على التوالي. وتوفر الدرجة 70/30 (UNS C71500/CU-Ni-30) قوة أعلى ومقاومة محسنة إلى حد ما عند السرعات الأعلى؛ وتوفر الدرجة 90/10 (UNS C70600/Cu-Ni-10) مقاومة ممتازة للتجويف/التجويف/المقاومة للصدأ وغالبًا ما تكون مفضلة لأنابيب المكثف وألواح المكثف. بالنسبة لأنابيب مياه البحر وخدمة المبادلات الحرارية، اختر الرتبة التي يتطابق تاريخ تعرضها المنشور وقدرتها الميكانيكية وبدل التصنيع مع سرعات التشغيل ودرجات الحرارة والكيمياء الخاصة بالمشروع. بالنسبة لمياه البحر العدوانية أو عالية السرعة، ضع في اعتبارك "70/30 المعدل" (مع إضافات صغيرة من الحديد والمنغنيز) الذي أظهر مقاومة أفضل على المدى الطويل.

2. ما هو النحاس والنيكل؟ التركيب والمعادن

سبائك النحاس والنيكل (تسمى عادةً كوبرونيكل) هي سبائك ذات محلول صلب يكون فيها النيكل هو عنصر السبائك الأساسي في النحاس. التركيبات التجارية النموذجية:

• Cu-10Ni (90/10 كوبرونيكل نحاسي): ~88-901-90% Cu، 9-11% Ni، بدلات صغيرة من الحديد/المنغنيز/الرصاص (عائلة UNS C70600).
• Cu-30Ni (70/30 كوبرونيكل نحاسي): ~70% النحاس، 29-33% النيكل بالإضافة إلى الحديد والمنغنيز الطفيف (عائلة UNS C71500).

تعمل الإضافات المتعمدة الصغيرة من الحديد (Fe) والمنجنيز (Mn) - على سبيل المثال، حوالي 1-21 تيرابايت 3 تيرابايت لكل منهما في 70/30 المعدل - على تحسين مقاومة هجوم الصدم وزيادة القوة دون التضحية بمقاومة التآكل. البنية المجهرية هي عبارة عن محلول صلب مكعب أحادي الطور ذي وجه واحد (FCC) في درجات الحرارة المحيطة، وهو ما يدعم الليونة الجيدة وقابلية التشغيل.

3. الرتب التجارية الشائعة وأرقام ومعايير UNS

المعرّفات التجارية الرئيسية والمعايير التي سيواجهها المهندسون:

• UNS C70600 - النحاس والنيكل 90/10؛ شائع في المكثفات والمبادلات الحرارية وأنظمة الآسن/المحاليل الملحية.
• UNS C71500 - النحاس والنيكل 70/30؛ شائع في أنابيب مياه البحر وتغليف السفن والصمامات.
• معدلة 70/30 معدلة - يتم تحديدها في بعض الأحيان على أنها CuNi30Mn1Fe (التسمية EN CW354H) حيث تعمل إضافات الحديد والمنغنيز على تحسين مقاومة التآكل/التآكل.

معايير ASTM/ASME وEN ذات الصلة (أمثلة؛ اذكر دائمًا رقم الإصدار الأخير في المواصفات):

• ASTM/ASME B111 (أنابيب النحاس والنيكل غير الملحومة), B466 (أنابيب النحاس والنيكل الملحومة), B151 (النحاس المشغول وسبائك النحاس: القضبان والقضبان وغيرها). ستدرج منظمات المعايير الوطنية وأوراق بيانات الموردين معايير المنتج المناسبة للأنابيب والألواح والمسبوكات والمطروقات.

4. الخواص الفيزيائية والميكانيكية والحرارية

فيما يلي الخصائص التمثيلية - استخدم دائمًا أوراق بيانات المورد أو شهادات اختبار المواد للحصول على قيم التصميم النهائية.

• الكثافة≈ 8.9-8.95 جم/سم مكعب (أخف قليلاً من معظم أنواع الفولاذ).
• التوصيل الكهربائي:: أقل من النحاس النقي؛ 90/10 لديه موصلية أعلى من 70/30.
• التوصيل الحراري:: معتدل؛ مناسب لتطبيقات المبادلات الحرارية رغم أنه أقل توصيلاً من النحاس النقي.
• قوة الخضوع (ملدنة):: يعتمد على المزاج - النطاقات الخشنة: 90/10 ملدنة ≈ 70-150 ميجا باسكال، و70/30 ملدنة ≈ 120-250 ميجا باسكال؛ العمل على البارد يرفع من قوة الخضوع والشد.
• الاستطالة:: جيد عادةً (20-40% في ظروف التلدين).
• نطاق الذوبان:: لا توجد درجة انصهار حادة؛ درجة الصلابة ≈ 1170-1190 درجة مئوية، ودرجة السيولة ≈ 1220-1240 درجة مئوية حسب التركيب.

(هذه توضيحية - راجع أوراق البيانات المصدق عليها لمعرفة معايير التأهيل واللحام).

5. سلوك التآكل: مياه البحر، الحشف الحيوي والهجوم الموضعي

تتفوق سبائك النحاس والنيكل في الأداء على العديد من السبائك الشائعة في مياه البحر الطبيعية لمقاومة التآكل المنتظم طويل الأجل ولها ميول طبيعية مضادة للحشف (بسبب إطلاق النحاس النزر) التي تقلل من النمو البحري. نقاط عملية مهمة:

• معدلات التآكل الأولية المرتفعة شائعة خلال الأسابيع/الأشهر الأولى من التعرض، وعادةً ما تنخفض إلى معدلات ثابتة منخفضة مع تشكل الأغشية الواقية؛ هذا السلوك "التشغيلي" موثق جيدًا في التجارب الميدانية. يمكن أن تكون معدلات التآكل في الحالة المستقرة على المدى الطويل منخفضة للغاية (أقل من 0.05 ميجا في الدقيقة في العديد من ظروف مياه البحر الهادئة).
• تأثيرات السرعة: عند سرعات التدفق العالية أو حيثما يحدث الاصطدام (النفاثات، الأكواع الحادة، والاضطراب العالي)، يمكن أن يؤدي التآكل - التآكل إلى زيادة معدلات الهجوم. تتمتع السبائك المعدلة 70/30 المعدلة (مع الحديد والمنغنيز) بمقاومة فائقة لهجوم الاصطدام مقارنةً بالسبائك العادية 70/30. يجب على المهندسين الحد من السرعات المحلية، أو إضافة ميزات تصميمية مضحية، أو اختيار مواد ذات مقاومة أعلى للمقاطع عالية السرعة.
• التنقر والتآكل الشقوق: يكون الكوبرونيكل مقاومًا بشكل عام في مياه البحر النموذجية، ولكن الجيوب الراكدة ذات الأكسجين المنخفض أو تركيز الكلوريد العالي يمكن أن تزيد من المخاطر. تصميم التدفق المناسب والوصول المناسب للفحص يخفف من ذلك.
• القاذورات الحيوية: يوفر إطلاق أيونات النحاس بعض التحكم الطبيعي في الحشف الحيوي، مما يقلل من صيانة أسطح المبادلات الحرارية بالنسبة للعديد من الفولاذ والتيتانيوم في بعض الظروف. ومع ذلك، فإن الأداء المضاد للحشف يعتمد على السبيكة وتكوين الأغشية والبيئة المحلية.

6. التصنيع واللحام والمعالجة الحرارية

كوبرونيكلز الكوبرونيكلز قابل للتطبيق العملي بدرجة كبيرة. توصيات عملية:

• الشغل على البارد والتلدين: يستجيب كل من 90/10 و70/30 للتشغيل على البارد؛ ويستعيد التلدين المتوسط الليونة. اتبع جداول المزاج المنتج.
• اللحام: يشيع استخدام طرق اللحام بالغاز واللحام بالقوس (GTAW، SMAW، GMAW). استخدام معادن حشو مطابقة أو معتمدة والتحكم في مدخلات الحرارة لتجنب التشقق الساخن. عادةً ما يكون التسخين المسبق غير ضروري للمقاطع الرقيقة؛ لا يلزم عادةً التلدين بعد اللحام ولكن تدابير تخفيف الضغط تعتمد على هندسة المكونات. استخدم إجراءات مؤهلة وعمال لحام مؤهلين ومعتمدين لرتبة UNS المحددة.
• اللحام بالنحاس واللحام: متاحة للأجزاء الرقيقة وأعمال الإصلاح باستخدام تدفقات معتمدة؛ تجنب بقايا التدفق في خدمة مياه البحر.
• التصنيع الآلي: قابلة للتشغيل الآلي بشكل معقول؛ يجب تعديل هندسة الأداة وسرعات القطع لتتناسب مع سلوك المعادن غير الحديدية.

اتبع دائمًا مواصفات إجراءات اللحام الخاصة بالشركة المصنعة (WPS) وملاحظات التصنيع القياسية للمنتج.

7. التطبيقات النموذجية والأساس المنطقي للاختيار

يتم اختيار سبائك النحاس والنيكل حيثما تكون هناك حاجة إلى مزيج فريد من مقاومة التآكل في بيئات الكلوريد والتوصيل الحراري وقابلية التصنيع:

• الأنابيب البحرية (أنظمة مياه البحر على السفن والمنصات البحرية).
• المبادل الحراري وأنابيب المكثف في محطات توليد الطاقة ومعدات التبريد بمياه البحر (90/10 تستخدم على نطاق واسع لألواح وأنابيب المكثفات).
• محطات تحلية المياه وأنظمة مياه التبريد:: انخفاض القاذورات الحيوية والعمر التشغيلي الطويل يقلل من تكاليف دورة الحياة.
• مكونات المضخة والصماموالأغلفة البحرية وأكمام الأعمدة - حيث تكون مقاومة التآكل الموضعي ومقاومة التآكل مطلوبة.

لماذا تختار الكوبرونيكل النحاسي بدلاً من الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم؟ تكلفة دورة الحياة وتاريخ الخدمة أمران حاسمان: يوفر الكوبرونيكل أداءً مثبتًا على المدى الطويل في مياه البحر ذات السرعة المعتدلة بتكلفة مواد أقل عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم عالي السبائك، خاصةً عند تضمين تكاليف التلوث والصيانة. يجب أن تراعي مفاضلات التصميم السرعة ومحتوى الكلوريد ودرجة الحرارة.

8. عوامل التصميم والفحص وعمر الخدمة

اعتبارات التصميم الرئيسية:

• حدود السرعة: الحفاظ على سرعات مياه البحر الداخلية أقل من العتبات الواردة في الإرشادات (خاصة بالمشروع؛ انظر إرشادات معهد النيكل) لتجنب الاصطدام. عندما لا يمكن تجنب السرعة العالية، إما زيادة سمك الجدار، أو إضافة وسادات تآكل مضحية، أو تغيير السبيكة.
• إجراءات بدء التشغيل: يقلل التشغيل السليم (التكثيف البطيء، والكلورة الخاضعة للرقابة في حالة استخدامها، وإزالة الحطام) من طفرات التآكل الأولية. غالبًا ما يقلل تكوين طبقة واقية مستقرة من معدلات التآكل على مدار أشهر.
• اقتران كاثودي: يكون أداء الكوبرونيكل مقبولاً عند اقترانه بالعديد من المعادن، ولكن تحقق من اقتران المعادن غير المتشابهة ومسارات التيار الشارد.
• الفحص: التخطيط لإجراء فحوصات غير مدمرة على المواقع عالية الخطورة (الأكواع واللحامات ومخفضات السرعة) ومراقبة معدلات التآكل والحشف الحيوي. استخدم قسيمة أو مجس المراقبة في الأشواط الطويلة لتأكيد المعدل.

9. جدول المقارنة: 90/10 مقابل 70/30 مقابل 70/30 مقابل 70/30 المعدل

الميزة	النحاس Cu-90/10 (UNS C70600)	النحاس Cu-70/30 (UNS C71500)	70/30 المعدل (CuNi30Mn1Fe)
تقريبًا ني (wt%)	~10	~30	~29-33
الاستخدام النموذجي	أنابيب المكثف، وألواح المكثف، وأنابيب المبادل الحراري	أنابيب مياه البحر، والأغلفة، والصمامات	أنابيب مياه البحر عالية السرعة، والمرفقين، والتجهيزات
القوة (ملدنة)	معتدل	أعلى من 90/10	على غرار 70/30 (أعلى قليلاً)
مقاومة الصدم/التآكل	جيد	أفضل من 90/10 عند السرعات المعتدلة	الأفضل من بين الثلاثة للاصطدام
التحكم في الحشف الحيوي	جيد	جيد	جيد
قابلية اللحام	ممتاز	ممتاز	ممتاز (اتبع WPS)
أمثلة قياسية	أستم B111، B151	أستم B111, B171, B466	EN CW354H؛ شائع في المواصفات البحرية

(الجدول عبارة عن ملخص - تأكد دائمًا من أوراق البيانات الفنية للمورد ومعايير المشروع).

10. المشتريات وقائمة التحقق من المواصفات ومراقبة الجودة

عند تحديد مكونات الكوبرونيكل النحاسي أو شرائها تشمل:

• رقم UNS وتسمية السبيكة (على سبيل المثال، C70600 أو C71500).
• شكل المنتج ومعيار ASTM/EN ذي الصلة (أنبوب، لوحة، أنبوب، أنبوب، صب).
• المزاج أو الخواص الميكانيكية المطلوبة (الشد، الخضوع، الاستطالة).
• مراجع مواصفات إجراءات اللحام، ونوع معدن الحشو وسجلات التأهيل.
• الفحص والاختبار: التحقق الكيميائي من PMI / OES، وشهادات الاختبار الميكانيكي، واختبار الضغط المائي، والفحص المائي على اللحامات، والفحص البصري، وفحص الأبعاد.
• متطلبات تشطيب السطح والتخميل (إن وجدت).
• أوراق التسليم: تقرير اختبار المطحنة (MTR) الذي يمكن تتبعه إلى رقم الحرارة/الدفعة.

يقلل أمر الشراء ذو النطاق الجيد من البدائل والغموض في الإنتاج.

11. البيئة وإعادة التدوير ونهاية العمر الافتراضي

تتميز سبائك الكوبرونيكل بقابلية ممتازة لإعادة التدوير؛ فالنحاس والنيكل كلاهما ذو قيمة ويتم استعادتهما عادةً في نهاية العمر الافتراضي. عند تحديد المواصفات، خطط لرمز السبيكة للسماح بالفرز وإعادة التدوير بكفاءة. في الخدمة، يكون إطلاق النحاس النزرة إلى البيئة منخفضًا بشكل عام ولكن يجب مراعاة اللوائح البيئية الخاصة بتصريف النحاس في بعض المنشآت.

12. الأسئلة الشائعة

Q1. ما هو الكوبرونيكل الذي يجب أن أختاره لأنابيب مياه البحر على منصة بحرية؟
ج: بالنسبة للأنابيب الرئيسية لمياه البحر حيث تكون السرعات معتدلة، فإن 70/30 المعدل (إضافات الحديد والمنغنيز) هو خيار شائع في الصناعة بسبب تحسين مقاومة هجوم الاصطدام. بالنسبة للخدمة منخفضة السرعة، قد يكون 70/30 أو 90/10 مناسبًا حسب الضغط والمتطلبات الميكانيكية. استشر دائمًا ملفات تعريف السرعة في الموقع وإرشادات معهد النيكل.

Q2. ما السرعة التي يمكن أن تتدفق بها مياه البحر عبر أنبوب الكوبرونيكل قبل أن يصبح التآكل خطيرًا؟
ج: لا يوجد حد فاصل عالمي واحد - تعتمد السرعات المسموح بها على هندسة الأنابيب ووجود المواد الصلبة العالقة والاضطراب. يستخدم المصممون حدودًا متحفظة للسرعة بالإضافة إلى بدلات التآكل/التفتيش؛ راجع إرشادات معهد النيكل لمعرفة نطاقات السرعة الموصى بها والنظر في تفاصيل أكثر سمكًا أو تفاصيل مقاومة للتآكل عند الضرورة.

Q3. هل الكوبرونيكل الكوبونيكل عرضة للتآكل الشقوق أو التنقر؟
ج: في مياه البحر العادية المتدفقة تُظهر مقاومة ممتازة؛ أما الشقوق الراكدة أو الترسبات ذات الأكسجين المنخفض فقد تزيد من المخاطر الموضعية، لذا تجنب الأرجل الميتة ووفر التنظيف والتفتيش الكافي.

Q4. هل يمكنني لحام الكوبرونيكل بالفولاذ المقاوم للصدأ؟
ج: الوصلات المعدنية غير المتشابهة ممكنة ولكنها تتطلب إجراءات مؤهلة ومعادن حشو مناسبة أو قطع انتقالية. تحقق من التأثيرات الجلفانية والتوافق الميكانيكي.

Q5. ما الذي يجعل 70/30 المعدل مختلفاً عن 70/30 القياسي؟
ج: تعمل الإضافات الصغيرة من الحديد والمنغنيز على تقوية الطبقة الواقية وتحسين مقاومة الصدم والتآكل، استنادًا إلى الخبرة والتجارب الميدانية.

Q6. كيف يُقارن الكوبرونيكل بالتيتانيوم للمكثفات؟
ج: يتمتع التيتانيوم بمقاومة ممتازة للتآكل وغالبًا ما يكون أقل تلوثًا على المدى الطويل في بعض البيئات ولكنه أكثر تكلفة بكثير. يوفر الكوبرونيكل في كثير من الأحيان تكلفة دورة حياة أقل للعديد من محطات الطاقة والمعالجة الساحلية نظرًا لتوازنه بين تكلفة المواد والأداء الحراري والتحكم في القاذورات. قارن باستخدام نماذج تكلفة دورة الحياة لموقعك.

س7- هل توجد قيود صحية أو بيئية لاستخدام الكوبرونيكل النحاسي؟
ج: لقد انتشر الاستخدام الهندسي العادي على نطاق واسع؛ ومع ذلك، يجب التحقق من لوائح تصريف الموقع والقواعد البيئية المحلية المتعلقة بتركيزات النحاس والامتثال لها.

س8- أين يمكنني العثور على بيانات خصائص المواد التي تم التحقق منها للتصميم؟
ج: استخدم أوراق بيانات الشركة المصنّعة أو تقارير اختبار المواد المعتمدة (MTRs) أو MatWeb أو المعايير المعترف بها (ASTM/EN). وللاطلاع على إرشادات التآكل، يرجى الرجوع إلى الإرشادات الفنية لمعهد النيكل ومراجع الصناعة البحرية.