بررسی مقاومت حرارتی فولاد ضد زنگ

مقاومت در برابر آتش، مهار کردن حریق و پیشگیری از این حوادث، از جنبه های مهم طراحی ساختمان و سازه ها است. توانایی یک ماده در ساخت سازه ها، برای حفظ استحکام کل آن در زمان قرار گرفتن در معرض آتش، عاملی است که می تواند زمان بیشتری را برای تخلیه ساختمان فراهم کند یا از فروپاشی سازه جلوگیری نماید.

در ادامه مطلب به بررسی ویژگی مهم فولاد ضد زنگ یعنی مقاومت حرارتی پرداخته شده است؛ زیرا استفاده از این محصول به علت مقاومت ویژه ای که دارد، در صنعت ساخت و ساز بسیار رواج دارد. لازم به ذکر است در مطالب قبلی به بررسی تفاوت فولاد ضد زنگ و فولاد گالوانیزه پرداخته شده است تا خریداران در زمان خرید مصالح ساختمانی با مشکلاتی مانند نداشتن کارایی لازم مواجه نشوند.

خواص فلزات

ظرفیت یک فلز برای جلوگیری از گسترش آتش، محدود به بخش های ساختاری نیست. موانعی مانند درب های ضد حریق، سقف ها، محفظه های تجهیزات عایق سازی شده و سایر سیستم های پانل، آسترهای دودکش و سایر اجزای فلزی می توانند به کاهش گسترش آتش در ساختمان کمک کنند.

با این حال، فلزات مورد استفاده در معماری، حتی با قرار گرفتن کوتاه مدت در معرض دماهای بالا، تفاوت‌ های عملکردی قابل توجهی از خود نشان می ‌دهند، اما برخی از آن ها نیز تنها زیر مجموعه های یک دیگر به شمار می آیند و خواص مشابهی دارند. به طور مثال شیت های رنگی حاصل از فولاد گالوانیزه خواص مشابهی با سر دسته خود دارد و تنها تفاوت آن ها در تفاوت ظاهری محصولات رنگی می باشد و از نظر تعیین کننده نرخ، قیمت ورق رنگی کاملاً وابسته به محصولات گالوانیزه می باشد.

همچنین برای مطالعه بیشتر به مقاله ورق رنگی چیست مراجعه کنید.

مقاومت حرارتی فلزات

به طور کلی برای راه اندازی پروژه های بزرگ، انجام ارزیابی های مهندسی و آتش نشانی توصیه می شود. دستورالعمل ها بر اساس کد خاص در هر کشور باید برای تعیین الزامات حفاظت در برابر آتش و محدود کردن افزایش دما در هنگام آتش سوزی استفاده شود. جالب است بدانید استحکام فلزات مس و آلومینیوم در دماهای نسبتاً پایین، کاهش می یابد.

همچنین کاهش استحکام آلیاژهای آلومینیوم در دماهای بالاتر از 100 درجه سانتی گراد (212 درجه فارنهایت) نیز دیده می شود. در دمای 204 درجه سانتی گراد نیز (400 درجه فارنهایت)، استحکام مس حدود 25 درصد و آلومینیوم 6061-T6 حدود 60 درصد کاهش پیدا می کند.

با این حال فولادها قادر به حفظ استحکام خود تا دماهای بالاتر می باشند. با این وجود یک روش قدیمی برای اطمینان از مقاومت کافی فولاد ضد زنگ در برابر آتش وجود دارد که در آن باید اطمینان حاصل شود که دمای فولاد کربنی از 370 درجه سانتی گراد (700 درجه فارنهایت) بالاتر نمی رود تا استحکام کلی آن حفظ شود. بنابراین مزیت فولاد ضد زنگ نسبت به ورق گالوانیزه اصفهان در مقاومت حرارتی بالای آن می باشد. قیمت ورق گالوانیزه نیز بر اساس کیفیت ظاهری و مقاومتی که دارد، تعیین می شود.

زمانی که فولاد کربنی به 500 درجه سانتی گراد (930 درجه فارنهایت) می رسد، حدود 30 درصد از استحکام خود را از دست داده است. فولاد در برابر هوا زدگی، محافظت نشده و حدود نیمی از استحکام خود را در دمای بالاتر از 538 درجه سانتی گراد (1000 درجه فارنهایت) از دست می دهد.

نتایج حاصل از تحقیقات برای تعیین عملکرد ساختاری آلیاژهای مختلف فولاد ضد زنگ در آتش در هر دو منبع زیر گنجانده شده است:

•          Eurocode 3: Part 1.2
•          AISC Steel Design Guide 27: Structural Stainless Steel

به طور کلی فولادهای زنگ نزن آستنیتی در دمای اتاق، استحکام بیشتری را نسبت به فولاد کربنی، بالاتر از دمای حدود 550 درجه سانتی گراد (1000 درجه فارنهایت) حفظ می کنند. تمام فولادهای ضد زنگ نسبت به فولاد کربنی، نسبت سختی بیشتری را در کل محدوده دمایی حفظ می کنند.

منظور از فولادهای کربنی مربوط به ورق های آلیاژی می باشد که در موارد سخت تر به کار برده می شوند. به طور مثال برای اطلاع از قیمت ورق سیاه فولاد مبارکه اصفهان ابتدا باید بدانید برای چه کاربردی قصد استفاده از آن را دارید. آلیاژهایی مانند A316 برای مصارف دریایی کاربرد داشته و از مقاومت بالایی در برابر رطوبت برخوردار می باشند.

برای مطالعه بیشتر درباره تفاوت ورق سیاه و روغنی مراجعه کنید.

تاریخچه تست های بررسی مقاومت حرارتی فولاد ضد زنگ

اولین آزمایش جامع اثر آتش بر روی فولاد ضد زنگ، توسط شرکت Darchem Engineering در اوایل دهه 1990 پس از آتش سوزی سکوی نفتی دریای شمال انجام شد. این برنامه، شامل آزمایش مقاومت فولاد ضد زنگ در برابر آتش و حرارت تابشی و هدایت گرما از طریق اتصالات و دیواره ‌هایی بود که از متریال زیر ساخته شده بودند:

•          فولاد کربنی گالوانیزه
•          پلاستیک تقویت شده با فایبرگلاس (FRP)
•          آلومینیوم 
•          فولاد ضد زنگ گرید 316 حاوی مولیبدن

FRP و آلومینیوم در آزمایشات انجام شده، شکست خوردند. فولاد ضد زنگ، از الزامات تمام آزمایشات بهتر پاسخگو بود و نسبت به فولاد کربنی، انحراف کمتری داشت.

مقایسه فولاد ضد زنگ، آلومینیوم و گالوانیزه

در آزمایش 5 دقیقه ای Darchem Engineering ، برای ارزیابی مقاومت فولاد ضد زنگ در برابر آتش، فلزات و FRP که GRP نیز نامیده می شود) در معرض شعله های مستقیم در دمای 1000-1050 درجه سانتی گراد (1832-1922 درجه فارنهایت) قرار گرفتند.

نتایج و بررسی ها نشان داده که آلومینیوم و FRP در آزمون به نتیجه مطلوب نرسیده اند. فولاد گالوانیزه نیز، زمان پنج دقیقه را پشت سر گذاشت و در طی آن دوره به دمای 642 درجه سانتی گراد (1188 درجه فارنهایت) با انحراف 5/166 میلی متر (6/6 اینچ) رسید. کابل فولادی ضد زنگ گرید 316 نیز آزمون 5 دقیقه ای را پشت سر گذاشت. آزمایش برای فولاد ضد زنگ 316 به مدت 45 دقیقه تمدید شد و به 705 درجه سانتی گراد (1300 درجه فارنهایت) رسید.

در پایان آزمایش وسیع تر، انحراف فولاد ضد زنگ گرید 316 تنها 5/80 میلی متر (2/3 اینچ) بود. به همین علت است که فولاد ضد زنگ از نظر مقاومت حرارتی برتری ویژه نسبت به فولاد نورد سرد دارد. محصولات نورد سرد بیشتر برای محصولات پوشش دار و کاربردهای ضعیف تر به کار می روند. به طور مثال خرید ورق قلع اندود بر نرخ نهایی مواد غذایی تأثیر دارد؛ زیرا از آن برای قوطی روغن ها، کنسرو ها و ... استفاده می شود.

تست شبیه سازی گرمایش

این آزمایش همچنین برای شبیه سازی گرمایش توسط منبع حرارتی تابشی نیز انجام شد و نتایج ثبت شدند. هر دو آلومینیوم و FRP در آزمایش به نتیجه مطلوب نرسیدند. از سوی دیگر فولاد گالوانیزه در مدت زمان 2 ساعت به دمای پایدار 552 درجه سانتی گراد (1026 درجه فارنهایت) رسید و فولاد ضد زنگ نیز در مدت زمان 3 ساعت به ثبات دمایی در 556 درجه سانتی گراد (1033 درجه فارنهایت) رسید. انحراف فولاد ضد زنگ پس از سه ساعت، حدود یک سوم انحراف فولاد گالوانیزه پس از دو ساعت بود.

توانایی فولاد ضد زنگ برای حفظ استحکام، بهتر از فولاد کربنی در دماهای بالا نشان داده شد. علاوه بر این، مولیبدن حاوی فولاد ضد زنگ گرید 316 استحکام خود را بهتر از فولاد ضد زنگ گرید 304 حفظ می کند. در دمای 800 درجه سانتی گراد نیز (1472 درجه فارنهایت)، فولاد کربنی دارای سطح سختی حدود 10٪ است، در حالی که فولاد ضد زنگ تقریباً 60٪ استحکام خود را حفظ می کند.

Darchem Engineering، همچنین مدت زمان لازم برای انتقال گرما از طریق دیوارها را تعیین کرد. این تست برای اندازه ‌گیری مقدار حرارتی که از طریق دیواره‌ های عایق ‌شده منتقل می ‌شود، در زمانی که از میان آن ها امتداد می ‌یابند، طراحی شد. 

متریال آلومینیومی به دلیل ذوب شدن، تنها پس از 1:08 دقیقه فرو ریخت. در طول این آزمایش هیچ تغییر شکلی در فولاد ضد زنگ مشاهده نشد و پس از 90 دقیقه، پایه‌های سرد کناری در دمای 80 درجه و 58 درجه سانتی‌گراد (136 درجه و 176 درجه فارنهایت) تثبیت شدند. این نتیجه با توجه به تفاوت قابل توجه فلزات در هدایت حرارتی، چندان غیر منتظره نیست.

مشخصات فیزیکی

اگر چه چگالی این فلزات مشابه است، اما تفاوت‌ هایی در خواص حرارتی وجود دارد که باید در طول طراحی در نظر گرفته شود:

توجه داشته باشید که ضریب انبساط حرارتی برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی حدود 30 درصد بیشتر از فولاد کربنی است. در جایی که فولاد کربن و فولاد زنگ نزن آستنیتی با یک دیگر استفاده می شوند، اثرات دیفرانسیل انبساط حرارتی باید در طراحی در نظر گرفته شود.

از سوی دیگر رسانایی حرارتی فولادهای زنگ نزن آستنیتی و دوبلکس حدود 30 درصد از فولاد کربنی است. ازدیاد طول بیشتر ناشی از اثرات حرارتی و هدایت حرارتی کمتر در فولاد ضد زنگ در مقایسه با فولاد کربنی، منجر به شیب دمایی تندتر در حین جوشکاری و در نتیجه اعوجاج جوش بیشتر، به ویژه برای گریدهای آستنیتی خواهد شد.

ادامه تحقیقات و نوآوری‌ها در طراحی سازه‌ های فولاد ضد زنگ به طراحان و مهندسان این امکان را می‌ دهد که سازه‌ های قانع‌کننده‌ تری ایجاد کنند که از مقاومت فلز در برابر آتش برای بیان جزئیات سازه سرمایه ‌گذاری کنند.

جمع بندی

در این مطلب تست های مربوط به مقاومت حرارتی محصولات ضد زنگ و گرید های آن بررسی شد و جالب است بدانید این تست ها برای ورق های فولادی قابل مقایسه با این آلیاژ مانند مس، آلومینیوم و گالوانیزه نیز انجام شد تا خریداران بتوانند برای مصارف ساختمانی یا مواردی که نیاز به مقاومت حرارتی بالا و استحکام زیاد است، تصمیم درستی برای انتخاب ورق فولادی مناسب بگیرند.