Ống inox cho bộ trao đổi nhiệt: chọn mác, chuẩn và hiệu suất

Trong công nghiệp nặng (hóa chất, năng lượng, đóng tàu), bộ trao đổi nhiệt là “trái tim” của hệ thống nhiệt – và ống inox chính là nơi xảy ra truyền nhiệt, ăn mòn, đóng cặn và mỏi nhiệt. Bài viết này cung cấp hướng dẫn thực tế, đầy đủ về vai trò của ống inox trong bộ trao đổi nhiệt, cách chọn mác vật liệu, tiêu chuẩn áp dụng, kiểm soát ăn mòn, tối ưu hiệu suất và tuổi thọ.

Vì sao ống inox là lựa chọn chủ đạo cho bộ trao đổi nhiệt?

– Chịu ăn mòn đa môi trường: nước biển, nước làm mát tuần hoàn, tác nhân hóa chất (axit hữu cơ, kiềm, dung môi), khí ẩm chứa clorua.
– Vận tốc cao hơn, ít xói mòn hơn so với Cu-Ni và thép carbon, giúp tăng hệ số truyền nhiệt phía lưu chất.
– Bề mặt sạch, ít bám cặn và dễ làm sạch, giảm hệ số fouling và chi phí bảo trì.
– Khả năng hàn, uốn U-bend, tạo ống có cánh/ống gân để tăng cường truyền nhiệt.
– Tuổi thọ và độ tin cậy cao, tối ưu chi phí vòng đời ở điều kiện khắc nghiệt (đặc biệt trong nước biển và hóa chất).

Lưu ý về dẫn nhiệt: inox có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn thép carbon và Cu-Ni (Inox austenitic ~14–16 W/m·K; Duplex ~18–19; Cu-Ni 70/30 ~29; thép carbon ~45–50). Tuy nhiên, có thể bù bằng:
– Thành ống mỏng hơn (cho phép do độ bền và chống xói mòn tốt).
– Tăng vận tốc dòng (giới hạn xói mòn cao hơn).
– Ống có gân/corrugated tạo rối dòng, tăng hệ số truyền nhiệt cục bộ.

Các dạng bộ trao đổi nhiệt dùng ống inox

– Shell-and-tube: bình ngưng, bình bay hơi, reboiler, heater/cooler trong lọc dầu – hóa chất – nhiệt điện.
– U-tube và straight tube; ống trơn, ống low-finned, ống gân trong.
– Air cooler/finned-tube: ống inox làm lõi mang cánh nhôm/thép.
– Coil/serpentine: thiết bị bay hơi, gia nhiệt tại chỗ (CIP/SIP).

Lựa chọn mác inox theo môi trường và nhiệt độ

Nguyên tắc: cân bằng chống rỗ (pitting/crevice), chống SCC clorua, độ bền nhiệt, hàn/lắp và chi phí.

– 304/304L (PREN ~18): nước ngọt sạch, dầu – khí không chứa clorua, nhiệt độ trung bình; tránh nước biển/Cl- cao.
– 316/316L (PREN ~24–26): nước làm mát chứa clorua vừa phải (<200 ppm) ở <40–50°C; thiết bị ngưng tụ nước sạch; cẩn trọng SCC khi >60°C và Cl- hiện diện.
– 321/316Ti: ổn định carbide cho vùng nhiệt cao (ống quá nhiệt, ~>450°C), khi cần chống nhạy cảm liên kết hạt.
– 904L (PREN ~34) và 254SMO (PREN ~43–45): nước biển/Cl- cao, môi trường axit hữu cơ/halide; chống rỗ/crevice xuất sắc; chi phí cao nhưng rất bền.
– Duplex 2205 (PREN ~34–36): nước biển lưu tốc cao, giải pháp “workhorse” cho đóng tàu, nhà máy nước mặn; chống SCC clorua tốt, độ bền cao → thành mỏng hơn.
– Super Duplex 2507 (PREN ~41–43): nước biển rất khắc nghiệt, nhiệt độ cao, lưu tốc lớn; thiết kế gọn và tuổi thọ cực cao.
– Ferritic 444/446: một số ứng dụng clorua vừa và nhiệt độ trung bình; dẫn nhiệt tốt hơn austenitic, giá hợp lý; cần kiểm soát hàn.

Gợi ý nhanh:
– Nước ngọt sạch, <50°C: 304L/316L. - Nước biển, <40°C, vận tốc trung bình: 2205 hoặc 904L/254SMO tùy ngân sách. - Nước biển, >40°C hoặc lưu tốc cao: 2507/254SMO/2205 (ưu tiên Duplex/Super Duplex).
– Hơi quá nhiệt/gia nhiệt quá trình: 321/316Ti/347.
– Axit hữu cơ (axit axetic, formic): 904L/254SMO; kiểm tra tương thích cụ thể.

Tiêu chuẩn ống và yêu cầu chứng chỉ

– ASTM A213/ASME SA-213: Ống inox liền mạch (seamless) cho nồi hơi, quá nhiệt, trao đổi nhiệt (austenitic/ferritic).
– ASTM A249/ASME SA-249: Ống inox hàn hồ quang (welded) cho trao đổi nhiệt, yêu cầu giãn nở – uốn.
– ASTM A269: Ống inox austenitic cho mục đích tổng quát, thường áp dụng cho cỡ nhỏ.
– ASTM A789/A790: Ống duplex/super duplex (seamless/hàn).
– ASTM A450/A1016: Yêu cầu chung, thử thủy lực, kiểm tra kích thước.
– TEMA (Class B/C/R): phân loại thiết kế, bố trí ống, baffle, ống U, mối ghép ống–ống tấm.
– Kiểm tra/NDT: Eddy current (ASTM E426/E571), PMI, hydrotest, nghiệm thu 3.1/3.2 (EN 10204).

Thiết kế tối ưu hiệu suất truyền nhiệt

Đường kính, chiều dày, và bố trí

– OD phổ biến: 12.7; 15.88; 19.05; 25.4 mm. Độ dày: 0.9–2.11 mm (BWG 20–16).
– Thành mỏng hơn với Duplex/Super Duplex (nhờ giới hạn chảy cao), giảm điện trở dẫn nhiệt.
– Pitch ống, baffle cut và khoảng cách baffle tối ưu hóa giữa truyền nhiệt – sụt áp – rung.

Vận tốc dòng và xói mòn

– Inox 316L trong nước biển: vận tốc thiết kế thường ≤3–4 m/s.
– Duplex 2205: có thể lên 6 m/s; Super Duplex/254SMO: cao hơn nữa.
– Kiểm soát rung do dòng chảy: baffle hợp lý, thanh chống rung, chiều dài nhịp ống phù hợp TEMA.

Tăng cường truyền nhiệt

– Ống low-finned/corrugated/inner-rifled: tăng rối lưu, nâng hệ số phim.
– Làm sạch định kỳ giữ fouling thấp, duy trì hệ số U ổn định.

Rủi ro ăn mòn và cách kiểm soát

– Rỗ và kẽ nứt (pitting/crevice): hay gặp ở clorua; chọn mác có PREN cao (Mo, N), loại bỏ khe hở, bịt kín khe ống – ống tấm tốt.
– SCC clorua (stress corrosion cracking): 304/316 nhạy ở >60°C; ưu tiên Duplex 2205/2507 hoặc 904L/254SMO khi có Cl- và nhiệt độ cao.
– MIC (ăn mòn do vi sinh): tránh nước tù đọng, shock clo có kiểm soát; không duy trì clo tự do cao kéo dài ở nhiệt độ cao với 316L.
– Erosion-corrosion: giới hạn cát/solids, dùng Duplex/Super Duplex khi lưu tốc lớn.
– Ăn mòn liên hạt: dùng mác ổn định (321/347) hoặc L-grade; xử lý pickling – passivation sau hàn.
– Ghép ống–ống tấm: hàn kín hoặc giãn nở/hàn kết hợp; cân nhắc overlay hợp kim cao (316L/Alloy 625) cho ống tấm carbon/thép thấp hợp kim để tránh ăn mòn galvanic/crevice.

Gia công, lắp đặt và kiểm định chất lượng

– U-bending: kiểm soát bán kính theo TEMA; chống dập sóng, nứt bề mặt; kiểm tra UT/ET sau uốn.
– Hàn: orbital/TIG; khí bảo vệ sạch; hạn chế ferit lẫn trong mối hàn austenitic; với Duplex, kiểm soát nhiệt đầu vào để cân bằng pha.
– Pickling & passivation: axit nitric/citric để tái tạo lớp thụ động; tránh nhiễm sắt (dầu mỡ/ mạt thép carbon).
– Làm sạch – thử kín: hydrotest, khí trơ/heli leak test cho bình ngưng chân không; ET baseline để so sánh sau vận hành.
– Bảo quản: nút bịt hai đầu, dầu bảo quản phù hợp; tránh hơi muối bám trong kho ven biển.

Kích thước và tình trạng cung ứng phổ biến tại Việt Nam

– OD: 12.7; 15.88; 19.05; 25.4 mm. WT: 0.9–2.11 mm. Chiều dài: 6–12 m; U-bend theo yêu cầu.
– Bề mặt: ủ sáng (BA) hoặc ủ thường (annealed & pickled).
– Chủng loại: seamless (A213/A789) cho áp lực cao, nhiệt cao; welded (A249/A790) hiệu quả chi phí, chất lượng mối hàn kiểm soát bead và purge tốt.

Ví dụ ứng dụng điển hình

– Đóng tàu/bờ biển: bộ làm mát nước biển. Ống Duplex 2205 thay Cu-Ni giúp tăng vận tốc thiết kế, giảm bám sinh học, tuổi thọ >20 năm nếu vận hành đúng.
– Nhiệt điện: feedwater heater. 304L/316L hoặc 321 cho phía hơi/condensate sạch; theo dõi oxy hòa tan để giảm ăn mòn.
– Hóa chất: reboiler axit axetic. 904L/254SMO chống rỗ/crevice; thiết kế mối ghép ống–ống tấm hàn kín, vệ sinh định kỳ CIP.

Bảo trì và làm sạch để kéo dài tuổi thọ

– Cơ học: chổi mềm/bi xốp tuần hoàn (cho bình ngưng) tránh trầy xước mạnh.
– Hóa học: CIP bằng axit citric/axit nhẹ; trung hòa và xả rửa kỹ. Tránh dùng NaOCl nồng độ cao/kéo dài ở nhiệt độ cao với 316L.
– Vận hành: tránh lưu lượng rất thấp kéo dài (stagnant), sốc clo ngắt quãng kiểm soát MIC, lọc cặn rắn.

Chi phí vòng đời: khi nào inox “rẻ” hơn?

– CAPEX có thể cao hơn thép carbon/Cu-Ni, nhưng:
– Tăng vận tốc và giảm fouling → thiết bị gọn hơn, ít bề mặt trao đổi hơn.
– Bảo trì thưa hơn, thời gian dừng ít hơn.
– Tuổi thọ dài hơn trong môi trường clorua/hóa chất.
Kết quả: tổng chi phí sở hữu (TCO) thấp hơn trong 5–20 năm, đặc biệt ở nước biển và tải nhiệt cao.

Checklist chọn ống inox cho kỹ sư thiết kế

– Môi trường: Cl- (ppm), pH, oxy hòa tan, vi sinh, hàm lượng rắn.
– Nhiệt độ làm việc và chu kỳ nhiệt.
– Vận tốc thiết kế và nguy cơ xói mòn/rung.
– Yêu cầu áp lực, ăn mòn cho phép (corrosion allowance).
– Phương án vệ sinh (cơ học/hóa học) và chất tẩy sẽ dùng.
– Phương pháp ghép ống–ống tấm (giãn nở/hàn).
– Tiêu chuẩn vật liệu và NDT yêu cầu (ASTM/TEMA/ASME).
– Mức ngân sách và so sánh TCO theo kịch bản vận hành.

Nguồn tham khảo

– Nickel Institute – Guidelines for the use of stainless steel in seawater; Stainless steels in heat exchangers. https://nickelinstitute.org
– TEMA Standards (Tubular Exchanger Manufacturers Association). https://www.tema.org
– ASTM International – A213, A249, A269, A789/A790, A450/A1016. https://www.astm.org
– IMOA (International Molybdenum Association) – Molybdenum-containing stainless steels in heat exchangers. https://www.imoa.info
– Outokumpu Corrosion Handbook – Material selection guidance. https://www.outokumpu.com

Kết luận

Ống inox quyết định trực tiếp hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của bộ trao đổi nhiệt. Hãy chọn mác theo môi trường (Cl-, nhiệt độ, vận tốc), tuân thủ tiêu chuẩn ASTM/TEMA, thiết kế để hạn chế khe hở và rung, duy trì bề mặt sạch và thụ động. Với các môi trường khắc nghiệt như nước biển hoặc hóa chất, Duplex 2205/2507, 904L hay 254SMO thường mang lại TCO tối ưu. Lựa chọn đúng ngay từ đầu sẽ giảm fouling, tăng hệ số U và đảm bảo vận hành bền vững nhiều năm.

Liên hệ Inox Cường Thịnh để được tư vấn mác ống, tiêu chuẩn và báo giá tốt nhất. Hotline: 0343.417.281. Email: inoxcongnghiep.cuongthinh@gmail.com