Теплообменники из нержавеющей стали: AISI 304, 316, SMO 254
Теплообменники из нержавейки: AISI 304, 316, SMO 254
Подбор марки нержавейки по среде, T и Cl⁻. Сравнение AISI 304, 316L, 904L, SMO 254 по PREN и ресурсу.
Содержание
Почему теплообменники делают из нержавейки
Коррозионная стойкость, теплопроводность, гигиена. Альтернативы — углеродистая сталь, медь, титан
Пластина ТО работает в жёстких условиях: ΔT 60–180 °C, P до 25 бар, скорость 0,3–0,9 м/с, кислород, хлориды, CIP. Углеродистая сталь корродирует за 6–18 мес., медь не выносит NH₃ и H₂S, титан в 8–12 раз дороже. Поэтому 92–95 % ПТО — из аустенитной нержавейки.
Что даёт нержавейка пластине
Хром (≥ 10,5 %) образует пассивную плёнку Cr₂O₃ 2–5 нм — непроницаема, самовосстанавливается, работает при pH 3,5–11. Никель (8–22 %) — пластичность для штамповки гофр. Молибден (2–7 %) — стойкость к питтингу. Азот (0,1–0,5 %) — прочность и стойкость к щелевой коррозии.
Альтернативы
Углеродистая сталь
Дешевле нержавейки в 4–6 раз, но требует ингибиторов и закрытого контура. Корпус кожухотрубника — норма, пластины — нет. Ресурс в открытом контуре: 2–5 лет.
Корпус кожухотрубникаМедь и медно-никель
Теплопроводность 380 Вт/м·К против 15 у нержавейки, но не работает с аммиаком, H₂S и сульфатами. Применение: холодильные испарители и конденсаторы кондиционеров.
Холод и кондиционированиеТитан Grade 1 / Grade 2
Абсолютная стойкость к хлору, морской воде, кислотам средней концентрации. Цена в 8–12 раз выше AISI 316. Применяется там, где SMO 254 не справляется.
Морская вода и хлорКлассификация нержавеющих сталей для теплообменников
Аустенитные, дуплекс, супераустенит. Группы по PREN и применению
Из пяти классов нержавеек в ТО применяются три: аустенитные (~ 90 %), супераустенитные (5–7 %), дуплексные (3–5 %). Ферритные и мартенситные не идут — хрупкие после штамповки.
Аустениты (300-я серия)
ГЦК-решётка, стабилизированная никелем. Содержат 16–26 % Cr, 6–22 % Ni, 0–7 % Mo. Пластичные, штампуются, свариваются. PREN 18–47. Сюда входят AISI 304, 304L, 316, 316L, 316Ti, 317L, 321, 904L. Немагнитные в отожжённом состоянии.
Супераустениты (6Mo)
Развитие аустенитной группы: Mo 6–7 %, N 0,18–0,25 %, Cu до 1 %. PREN 42–47. Сюда входят SMO 254 (UNS S31254), AL-6XN, 654 SMO. Применение: оборотная вода до 8 000 мг/л Cl⁻, морская вода с подогревом, концентраты H₂SO₄ и HCl. В РФ — импорт от Outokumpu, Sandvik и азиатских производителей.
Дуплекс (2205, 2507)
Структура аустенит + феррит 50/50. PREN 35–43. Прочность ×2 к аустениту. В ПТО — редко (хуже штампуются); в кожухотрубных — для коллекторов и трубных решёток в нефтехимии и на платформах.
| Класс стали | Доля рынка ТО | Типовые марки | Применение |
|---|---|---|---|
| Аустенитные 18-8 | ~ 35 % | AISI 304, 304L, 321 | Питьевая вода, тепловые сети, пар |
| Аустенитные 18-10-2,5 | ~ 55 % | AISI 316, 316L, 316Ti | Промышленность, пищевая, фармацевтика |
| Супераустенит 6Mo | ~ 5 % | SMO 254, 904L, AL-6XN | Оборотная вода, морская, химия |
| Дуплекс | ~ 3 % | 2205, 2507 | Нефтехимия, кожухотрубники |
| Титан Grade 1/2 | ~ 2 % | Ti Grade 1, Grade 2 | Морская вода, хлоринаторы, гипохлорит |
AISI 304 и AISI 304L: базовый стандарт
Состав, ГОСТ-аналог 12Х18Н10Т, применение, ограничения
AISI 304 — самая распространённая аустенитная нержавейка (~ 50 % мирового потребления). В ТО — для воды без хлоридов: теплосети, ГВС, пар, конденсат, нейтральные пищевые среды. Аналог ГОСТ — 08Х18Н10 или 12Х18Н10Т (Ti-стабилизация против МКК).
Состав AISI 304
304 и 304L: в чём разница
«L» — Low Carbon, C ≤ 0,03 % против ≤ 0,08 % у обычной 304. В зоне термического влияния (450–850 °C) углерод связывает хром в карбиды Cr₂₃C₆ по границам зёрен — локально Cr падает ниже 12 %, развивается МКК (межкристаллитная коррозия), сталь расслаивается за 6–12 месяцев. AISI 304L карбидов не образует и сохраняет стойкость после сварки.
Тепловые сети и ГВС
Сетевая вода pH 7–9, Cl⁻ до 50 мг/л, T до 130 °C. РИДАН, ЭТРА, Alfa Laval поставляют ПТО с пластинами 304. Цена пакета на 25–35 % ниже 316.
ЦТП и ИТППар и конденсат
Насыщенный пар до 250 °C, перегретый до 425 °C, конденсат. В безхлоридной среде питтинга нет. Комбинируют с 304L для сварных коллекторов.
ПарПищевая промышленность (стандарт)
Молоко, соки, пиво до пастеризации, пищевые масла. Соответствие ТР ТС 021/2011 при электрополировке Ra ≤ 0,8 мкм. Не подходит для CIP с хлором.
ПищёвкаAISI 316, 316L и 316Ti: рабочая лошадка
Mo-аустенит. Стандарт для промышленности и пищёвки
AISI 316 — основная марка для промышленных ПТО. Mo 2–3 % поднимает PREN с 18 до 24–26, диапазон по Cl⁻ — в 4–5 раз. 316L — 55–60 % серийных моделей у РИДАН, ЭТРА, Alfa Laval, Kelvion, Funke. Аналог ГОСТ — 03Х17Н14М2 (L) / 10Х17Н13М2Т (Ti). Цена ×1,2–1,3 к 304, ресурс ×3–5.
Состав AISI 316L
316, 316L и 316Ti: семейство
AISI 316L (Low Carbon)
- C ≤ 0,03 % — нет карбидов после сварки
- Стандарт для штампованных пластин ПТО
- Аналог ГОСТ — 03Х17Н14М2
- ~ 80 % всех ПТО на российском рынке
AISI 316Ti (Titanium-stabilized)
- C ≤ 0,08 %, стабилизирован титаном Ti ≥ 5×C
- Карбиды Ti вместо Cr — нет МКК
- Аналог ГОСТ — 10Х17Н13М2Т
- T макс до 525 °C (+75 °C к 316L)
- Цена +10–15 % к 316L; перегретый пар, газы
Типовые задачи AISI 316L
Оборотная вода до 200 мг/л Cl⁻, гликоль, сода 2–5 %, разбавленные органические кислоты, пищёвка с CIP (NaOH 2 %, HNO₃ 1 %, гипохлорит до 200 ppm), фарма WFI, ректификация спиртов. Паровая котельная — пар до 350 °C при 16 бар.
Где НЕ работает AISI 316
Морская вода (19 000 мг/л Cl⁻) — питтинг за 6–18 месяцев. Концентрированная HCl. Кислые сульфаты при T > 60 °C. Пар с каустиком. Хлоринаторы бассейнов с активным хлором > 5 ppm. Решение — SMO 254, титан или Hastelloy.
SMO 254 и 904L: супераустенит
6Mo-стали. Когда 316L не справляется, а до титана рано
При Cl⁻ > 500–800 мг/л или в горячей оборотной воде ТЭЦ 316L корродирует за 12–24 месяца. До титана — супераустениты с 6 % Mo. SMO 254 (UNS S31254) — Outokumpu, Швеция. 904L (UNS N08904) — старшая марка с Ni 24–26 % для серной кислоты.
Состав 6Mo-сталей
| Элемент | AISI 316L | 904L | SMO 254 | Титан Gr. 2 |
|---|---|---|---|---|
| Хром Cr, % | 16,0–18,0 | 19,0–23,0 | 19,5–20,5 | — |
| Никель Ni, % | 10,0–14,0 | 23,0–28,0 | 17,5–18,5 | — |
| Молибден Mo, % | 2,0–3,0 | 4,0–5,0 | 6,0–6,5 | — |
| Медь Cu, % | — | 1,0–2,0 | 0,5–1,0 | — |
| Азот N, % | — | — | 0,18–0,25 | — |
| PREN | 24–26 | 34–36 | 42–47 | ~ 60 |
Когда нужна SMO 254
Оборотная вода ТЭЦ 2 000–8 000 мг/л при 40–80 °C. Солевые конденсаторы. Опреснители MED/MSF. Регенерация H₂SO₄. Гидрометаллургия с Cl⁻ до 50 000 мг/л при 70 °C. Отбеливание целлюлозы ClO₂. В РФ — через турецких и индийских дистрибьюторов, цена ×2,8–3,5 vs 316L.
904L: H₂SO₄ и кислотные среды
904L (близкий аналог ГОСТ — 06ХН28МДТ) — для H₂SO₄ 5–80 % при T до 100 °C. Высокий Ni (23–28 %) и Cu (1–2 %) подавляют общую коррозию в кислотах. Применение: травильные растворы HNO₃ + HF, регенерация H₂SO₄, производство фосфорной кислоты. PREN ≈ 35 — к чистым хлоридам менее устойчива, чем SMO 254.
PREN: индекс стойкости к питтингу
Формула, расчёт, CPT. Подбор по хлоридам
PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) — численный показатель коррозионной стойкости нержавеек в хлоридах.
Чем выше PREN, тем выше CPT — критическая температура питтинга в стандартном FeCl₃ за 24 ч. В 3 % NaCl: 304 ≈ 12 °C, 316L ≈ 25 °C, SMO 254 ≈ 75–80 °C, титан — до кипения.
Марки по PREN
| Марка | Cr, % | Mo, % | N, % | PREN | CPT, °C | Cl⁻ макс., мг/л |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AISI 304L | 18,0 | 0 | 0 | 18,0 | ~ 5–10 | 50 |
| AISI 316L | 17,0 | 2,5 | 0 | 25,3 | ~ 20–25 | 200 |
| AISI 317L | 18,5 | 3,5 | 0,1 | 31,7 | ~ 30–35 | 500 |
| 904L | 21,0 | 4,5 | 0 | 35,9 | ~ 40 | 1 500 |
| Дуплекс 2205 | 22,0 | 3,0 | 0,15 | 34,3 | ~ 35–40 | 1 000 |
| SMO 254 | 20,0 | 6,1 | 0,2 | 43,3 | ~ 75 | 25 000 |
| Супердуплекс 2507 | 25,0 | 4,0 | 0,27 | 42,5 | ~ 75 | 20 000 |
| Титан Grade 2 | — | — | — | ~ 60 | ~ 130 | 50 000+ |
Влияние температуры
Эмпирика: каждые +10 °C ÷ 2. AISI 316L при 30 °C — 200 мг/л, при 60 °C — 50, при 90 °C — 12–15 мг/л. Вода безопасная для ХВС в горячей ГВС уже на грани питтинга 316L.
Влияние pH
При pH 6–9 плёнка стабильна. При pH < 4 хром растворяется. При pH > 11 в хлоридах развивается SCC — опасно для штампованных пластин. Решение — дуплекс 2205, к SCC устойчивее аустенита в 5–10 раз.
Сомневаетесь между 316L и SMO 254?
Пришлите анализ воды и техзадание — инженер за 1 день подберёт оптимальную марку под ресурс 15–25 лет
Как выбрать марку стали под конкретную задачу
Алгоритм по среде, T, хлоридам и бюджету. Типовые рецепты
Подбор марки — четыре шага. Каждый сужает диапазон. На выходе — одна-две марки; выбор между ними по бюджету и окупаемости.
Шаг 1 — определить тип среды
Питьевая, сетевая, ГВС — AISI 304. Оборотная промышленная — минимум 316L. Морская и подсолённая — SMO 254 или титан. Кислотные (травление, регенерация) — 904L. Щелочные с хлоридами при T > 80 °C — дуплекс 2205/2507.
Шаг 2 — хлориды и температура
Анализ на Cl⁻ — обязателен. По таблице PREN определяется минимальная марка. Температурный коэффициент: каждые +10 °C ÷ 2. Для пограничных значений берём следующую марку вверх по PREN.
Шаг 3 — оценить ресурс и бюджет
TCO: цена пластины × 1,3 (монтаж) + обслуживание × срок. 304L — ×0,75, 10–15 лет. 316L — ×1,0, 18–25 лет. SMO 254 — ×3,0, 25–35 лет. Титан — ×10, 30+ лет. На 20-летнем горизонте 316L почти всегда выигрывает у 304L; SMO 254 у 316L — только в жёсткой химии или при цене простоя выше 500 000 ₽/сутки.
Типовые рецепты по отраслям
ЖКХ, отопление, ГВС
304L — теплосеть и ГВС с Cl⁻ < 50 мг/л. 316L — при подмеси реагентами или подпитке с гипохлоритом. Прокладки EPDM. РИДАН, ЭТРА, Funke.
304L / 316LПромышленность, химия
316L — базовая. При Cl⁻ > 500 мг/л — 317L или 904L. Горячая оборотная вода ТЭЦ — SMO 254. Прокладки Viton/PTFE.
316L / SMO 254Пищевая и фарма
316L с электрополировкой Ra ≤ 0,5 мкм. EHEDG, 3-A Sanitary. Уплотнения EPDM-W или Viton FDA. CIP с гипохлоритом — 316L+. Молочка — часто 304.
304 / 316LМорская вода, бассейны
Морская вода — только титан Gr.1/2. Бассейны с солевым хлоринатором — титан Gr.2 или SMO 254. 316 не подходит: питтинг за 6–12 месяцев.
Ti Gr.2 / SMO 254Калькулятор подбора марки
Введите Cl⁻, T и pH — получите рекомендованную марку
Частые вопросы
Чем AISI 304 отличается от AISI 316 простыми словами?
Главное — молибден. В 316 — 2–3 % Mo, в 304 нет. Mo поднимает PREN с 18 до 25 и расширяет диапазон по Cl⁻ в 4 раза. 304 — для воды без хлоридов и нейтральных пищевых сред. 316 — для промышленности, оборотной воды и CIP с гипохлоритом. 316 дороже на 25–35 %, ресурс ×3–5.
Что такое L в обозначениях 304L и 316L?
L = Low Carbon, C ≤ 0,03 % против ≤ 0,08 %. Критично для пластин ПТО: в зоне термического влияния углерод не образует карбидов Cr₂₃C₆, сталь сохраняет стойкость после сварки без термообработки. Для ПТО L-марки — стандарт.
До какой концентрации хлоридов можно использовать AISI 316L?
Предел при 25 °C — 200 мг/л Cl⁻. Каждые +10 °C ÷ 2: при 50 °C — ~ 60 мг/л, при 80 °C — ~ 15 мг/л. Если в горячей среде Cl⁻ выше — переход на 317L (PREN 32), 904L (PREN 36) или SMO 254 (PREN 43). Расчёт: 8-800-302-58-75.
Что выгоднее: SMO 254 или титан Grade 2 для морской воды?
Для морской воды (19 000 мг/л Cl⁻) при T до 40–45 °C SMO 254 работает на грани CPT, ресурс 8–12 лет. Титан Grade 2 — абсолютная стойкость, 25–30 лет. Титан дороже SMO 254 в 3–4 раза. При подогреве > 50 °C или риске застоя — только титан.
Подходит ли AISI 304 для бассейна?
Только для UV-обеззараживания без хлора. Для хлорированного бассейна (0,5–1,5 ppm Cl₂) минимум — 316L. Для солевого электролиза — только титан Gr.2. AISI 304 в хлорированном бассейне даёт питтинг за 12–24 месяца.
Можно ли заменить AISI 316L на 12Х18Н10Т?
Нет. 12Х18Н10Т — аналог AISI 321 (с титаном, без Mo), PREN ≈ 18. По коррозии эквивалентен 304, не 316. Полный аналог 316L — 03Х17Н14М2. Аналог 316Ti — 10Х17Н13М2Т. Всегда сверяйте сертификат на химсостав.
Что такое PREN и как его считать?
PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N — индекс стойкости к питтингу. AISI 304 — 18, 316L — 25, SMO 254 — 43, титан условно — 60. Чем выше PREN, тем выше CPT и допустимые хлориды. PREN — главный параметр в техзадании наряду с σ-пределом и теплопроводностью.
Какие производители поставляют пластины из SMO 254 в РФ?
Outokumpu (Швеция) — патентообладатель SMO 254 (UNS S31254). В РФ — через турецких и индийских дистрибьюторов как UNS S31254 или AL-6XN. У РИДАН, ЭТРА — спецзаказ. Alfa Laval, Kelvion, Sondex держат в каталоге. Срок — 8–14 недель.
Влияет ли марка стали на теплопроводность пластины?
Влияет в пределах 12–16 %. λ(304) ≈ 15,0; λ(316L) ≈ 14,6; λ(SMO 254) ≈ 14,0; λ(титан Gr.2) ≈ 16,4 Вт/м·К. Для ПТО разница некритична: основное термосопротивление — в плёнках жидкости. При толщине 0,4–0,6 мм металл — самый малый член в уравнении теплопередачи.
Нужен индивидуальный подбор стали?
Инженер MSMTeplo рассчитает PREN, ресурс и стоимость владения под ваше техзадание