ملف الأنبوب كسطح أساسي لنقل الحرارة
ملف الأنبوب المسخن بالوقود هو التجميع الأنبوبي المستمر الذي يتدفق من خلاله سائل العملية أثناء تسخينه بواسطة غازات الاحتراق داخل سخان الوقود. ملف الأنبوب هو سطح نقل الحرارة الأساسي للسخان، حيث يمتص الطاقة الحرارية من إشعاع اللهب (القسم المشع) وحمل الغازات الساخنة (قسم الحمل الحراري).
السخان هو جهاز تسخين مباشر يتم فيه تدفق سائل العملية داخل الأنابيب بينما يحدث احتراق الوقود خارج الأنابيب. ملف الأنبوب هو المكون الحرج الذي يحتوي على الضغط للسخان، ويتم تصميمه وتصنيعه وفقًا لـ API 560 (سخانات الوقود لخدمة المصافي العامة)، و ASME B31.3 (أنابيب العمليات)، و GB/T 16507 (غلايات الأنابيب المائية) للتطبيقات المحلية.
أقسام السخان – تكوين الملف حسب الموقع
ملف القسم المشع
القسم المشع (صندوق النار) هو المكان الذي يتلقى فيه سائل العملية غالبية واجب الحرارة الخاص به من خلال إشعاع اللهب المباشر. تتعرض الأنابيب في القسم المشع لأعلى تدفق حراري ودرجات حرارة معدن الأنبوب.
ترتيب الأنابيب: عمودي (حلزوني أو متعرج) أو أفقي (صف واحد أو متعدد الصفوف)
دعم الأنابيب: تدعم الأنابيب المشعة بواسطة معلقات الأنابيب، أو دعامات التوجيه، أو مثبتات الحراريات
التدفق الحراري: يسود نقل الحرارة بالإشعاع؛ درجة حرارة معدن الأنبوب عادة ما تكون أعلى بـ 50 درجة مئوية – 100 درجة مئوية من درجة حرارة مخرج سائل العملية
التكوينات الشائعة:
ملف حلزوني: أنابيب تتلوى حول محيط صندوق النار؛ شائعة في السخانات الأسطوانية
ملف متعرج: أنابيب مرتبة في ممرات أفقية أو رأسية متعددة مع منحنيات ارتداد تربط الأنابيب المتجاورة
ملف أحادي الممر: يمتد كل أنبوب من المدخل إلى المخرج بدون منحنيات وسيطة
ملف متعدد الممرات: يقوم سائل العملية بعمل ممرات متعددة عبر القسم المشع عبر منحنيات الارتداد
ملف قسم الحمل الحراري
يقع قسم الحمل الحراري فوق القسم المشع، حيث يحدث نقل الحرارة بشكل أساسي عن طريق الحمل القسري من الغازات الساخنة. تعمل الأنابيب في قسم الحمل الحراري بتدفق حراري ودرجات حرارة معدن أنابيب أقل.
ترتيب الأنابيب: صفوف أفقية أو رأسية مع تباعد متناوب أو في خط
سطح ممتد: غالبًا ما يتم تزويد أنابيب الحمل الحراري بزعانف أو مسامير لزيادة مساحة نقل الحرارة
أنابيب الحماية: عادة ما تكون الصفوف 2-3 الأولى من أنابيب الحمل الحراري المعرضة للحرارة المشعة من صندوق النار عارية (بدون زعانف) لمنع تلف الزعانف من التعرض لدرجات الحرارة العالية
أنواع الأنابيب الشائعة: أنبوب عاري، أنبوب مزعنف، أنبوب مسمر (أنبوب دبوس)
أنابيب الانتقال / التوصيل
تقوم أنابيب التوصيل بربط مخرج قسم الحمل الحراري بمدخل القسم المشع (أو العكس)، وتقع عادة خارج غلاف السخان. يجب أن تستوعب أنابيب التوصيل التمدد الحراري بين الأقسام.
معلمات تصميم الملف – وفقًا لـ API 560 / ASME B31.3
| المعلمة | النطاق | المعيار / ملاحظة |
|---|---|---|
| قطر الأنبوب الخارجي | 50.8 مم – 273.1 مم (2 بوصة – 10.75 بوصة) | وفقًا لـ API 560 الجدول 4 |
| سمك جدار الأنبوب | 3.0 مم – 25.0 مم | وفقًا لـ API 530 (حساب سمك الأنبوب) |
| طول الأنبوب (لكل قسم مستقيم) | 3.0 م – 15.0 م | محدود بالنقل والمناولة |
| ضغط التصميم | حتى 35 ميجا باسكال | وفقًا لـ ASME B31.3 / API 560 |
| درجة حرارة التصميم (معدن الأنبوب) | حتى 590 درجة مئوية | يعتمد على المادة؛ Cr-Mo لـ > 425 درجة مئوية |
| بدل التآكل | وفقًا لـ API 560 7.1.2 | الحد الأدنى حسب مواصفات المشتري |
| مسافة الأنابيب (من المركز إلى المركز) | 2 × قطر الأنبوب الخارجي (نصف قطر قصير قياسي) | وفقًا لـ API 560 الجدول 4 |
| أقصى تدفق حراري مسموح به | وفقًا لـ API 560 / تصميم القسم المشع | يحدد درجة حرارة معدن الأنبوب |
اختيار المواد – مواد ملف الأنبوب (وفقًا لـ API 560 الجدول 5)
الفولاذ الكربوني
| الدرجة | المواصفات | درجة الحرارة القصوى | التطبيق |
|---|---|---|---|
| SA-106 Gr.B / SA-192 | ASTM A106 / A192 | ~425 درجة مئوية | خدمة المصافي العامة، درجة حرارة معتدلة |
| SA-210 Gr.A1 | ASTM A210 | ~425 درجة مئوية | خدمة أنابيب الغلايات والسخانات |
| 20# | GB 9948 | ~425 درجة مئوية | المعيار المحلي لخدمة تكسير البترول |
سبائك الفولاذ بالكروم والموليبدينوم
| الدرجة | التركيب | درجة الحرارة القصوى | التطبيق |
|---|---|---|---|
| SA-209 T1a | 0.5Cr-0.5Mo | ~540 درجة مئوية | درجة حرارة مرتفعة معتدلة |
| SA-213 T11 | 1.25Cr-0.5Mo | ~590 درجة مئوية | أنابيب سخانات المصافي؛ مقاومة زحف معتدلة |
| SA-213 T22 | 2.25Cr-1Mo | ~590 درجة مئوية | الهيدروكراكر، المصلح، درجات حرارة عالية / ضغوط عالية |
| SA-213 T5 | 5Cr-0.5Mo | ~590 درجة مئوية | خدمة أكالة عالية الحرارة |
| SA-213 T9 | 9Cr-1Mo | ~590 درجة مئوية | خدمة تآكلية عالية الحرارة |
| SA-213 T91 | 9Cr-1Mo-V | ~590 درجة مئوية | خدمة زحف عالية الحرارة متقدمة |
الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي
| الدرجة | درجة الحرارة القصوى | التطبيق |
|---|---|---|
| TP304H / TP321H | ~600 درجة مئوية | درجة حرارة مرتفعة، مقاومة للتآكل، مقاومة للزحف |
| TP316L | ~450 درجة مئوية | خدمة تحتوي على الكلوريدات (معتدلة) |
| TP347H | ~600 درجة مئوية | مقاومة زحف عالية الحرارة؛ درجة مثبتة |
| SUS310S | ~700 درجة مئوية | مقاومة أكسدة عالية الحرارة للغاية |
سبائك النيكل
| الدرجة | درجة الحرارة القصوى | التطبيق |
|---|---|---|
| Alloy 800H / 800HT | ~600 درجة مئوية | خدمة أكالة عالية الحرارة؛ غاز حامضي |
تكوين الملف – دعامات وأدلة الأنابيب
وفقًا لـ API 560، يلزم وجود دعامات للأنابيب للحفاظ على محاذاة الأنابيب ومنع الترهل أو الاهتزاز:
القسم المشع: معلقات الأنابيب (للأنابيب الرأسية)، دعامات التوجيه (للأنابيب الأفقية)، أو مثبتات الحراريات
قسم الحمل الحراري: ألواح دعم أو صفائح أنابيب بفتحات محفورة لاستيعاب الأنابيب
تباعد الدعم: يتم تحديده حسب حجم الأنبوب والمادة ودرجة حرارة التشغيل – عادة ما يكون 1.5 متر – 3.0 متر
أدلة الأنابيب: تسمح بالتمدد الحراري المحوري مع تقييد الحركة الجانبية
إدارة التمدد الحراري
تتعرض ملفات السخانات لتمدد حراري كبير بسبب فروق درجات الحرارة بين ظروف البدء والتشغيل
يتم استيعاب التمدد من خلال:
منحنيات الارتداد: تركيبات على شكل حرف U تستوعب التمدد التفاضلي بين الأنابيب المتجاورة
حلقات التمدد: تكوينات أنابيب تستوعب التمدد المحوري
دعامات موجهة: تسمح للأنابيب بالانزلاق محوريًا مع الحفاظ على المحاذاة
مجمعات عائمة: رؤوس تتحرك مع الملف لاستيعاب التمدد
السطح الممتد – الزعانف والمسامير (قسم الحمل الحراري)
لزيادة نقل الحرارة في قسم الحمل الحراري، غالبًا ما يتم تزويد الأنابيب بسطح ممتد:
| نوع السطح الممتد | الوصف | التطبيق |
|---|---|---|
| أنبوب مزعنف | زعانف حلزونية ملحومة أو مبثوقة على القطر الخارجي للأنبوب | قسم الحمل الحراري؛ يزيد مساحة السطح بمقدار 5-10 أضعاف |
| أنبوب مسمر (أنبوب دبوس) | مسامير (دبابيس) ملحومة على سطح الأنبوب | خدمة الترسبات؛ تسمح بنفخ السخام دون تلف الزعانف |
| زعنفة مسننة | زعنفة مشقوقة أو مسننة لمعامل نقل حرارة أعلى | خدمة حمل حراري عالية الكفاءة |
معلمات الزعانف/المسامير النموذجية:
ارتفاع الزعنفة: 12 مم – 25 مم
مسافة الزعنفة: 4 – 12 زعنفة لكل بوصة (FPI)
مادة الزعنفة: فولاذ كربوني، فولاذ مقاوم للصدأ، أو سبائك فولاذية
مادة المسمار: عادة ما تكون نفس مادة الأنبوب أو سبيكة متوافقة
منحنيات الارتداد – وصلات الملف
تربط منحنيات الارتداد الأنابيب المتجاورة في الملفات متعددة الممرات، وتعكس اتجاه التدفق بمقدار 180 درجة:
الموقع: داخل صندوق النار (القسم المشع) أو داخل صندوق رأس (حجرة معزولة خارج صندوق النار)
ضغط ودرجة حرارة التصميم: منحنيات الارتداد داخل صندوق النار – نفس الأنابيب المتصلة؛ داخل صندوق الرأس – نفس ضغط التصميم، درجة حرارة السائل +30 درجة مئوية
السماكة: على الأقل نفس سماكة الأنابيب المتصلة
التركيبات: لا يجوز استخدام التركيبات الملحومة طوليًا
المعايير: SH/T 3065 (منحنيات ارتداد سخانات الأنابيب البتروكيماوية)، ASME B16.9
أبعاد منحنى الارتداد من المركز إلى المركز (وفقًا لـ API 560 الجدول 4):
| قطر الأنبوب الخارجي (مم) | مركز الرأس إلى المركز (مم) |
|---|---|
| 60.3 | 101.6 |
| 73.0 | 127.0 |
| 88.9 | 152.4 |
| 101.6 | 177.8 |
| 114.3 | 203.2 |
| 127.0 | 228.6 |
| 141.3 | 254.0 |
| 152.4 | 279.4 |
| 168.3 | 304.8 |
| 193.7 | 355.6 |
| 219.1 | 406.4 |
| 273.1 | 508.0 |
الرؤوس والمجمعات
توزع الرؤوس (مجمعات المدخل والمخرج) سائل العملية إلى ومن ملف الأنبوب:
رؤوس سدادة: سدادات قابلة للإزالة للوصول إلى الأنبوب؛ تستخدم للخدمة النظيفة
رؤوس لوحة الغطاء: غطاء مثبت بمسامير للوصول الكامل إلى الأنبوب؛ تستخدم لخدمة الترسبات
رؤوس مجمعات الأنابيب: بناء ملحوم؛ تستخدم لخدمة الضغط العالي
ضغط التصميم: نفس الأنابيب المتصلة
درجة حرارة التصميم: درجة حرارة السائل في ذلك الموقع +30 درجة مئوية لتركيب صندوق الرأس
عملية التصنيع – تجميع ملف الأنبوب
تحضير الأنبوب: تقطيع الأنابيب إلى الطول؛ شطف الأطراف وفقًا لـ ASME B16.25 للحام الأنبوب
تركيب منحنى الارتداد: لحام منحنيات الارتداد بأطراف الأنبوب (GTAW جذر + SMAW ملء) وفقًا لـ ASME القسم IX
لحام الزعانف/المسامير: لحام الزعانف أو المسامير بأنابيب الحمل الحراري (لحام عالي التردد أو لحام مقاومة)
تجميع الملف: تجميع الأنابيب في صفوف وتثبيتها بالدعامات
تركيب الرأس: لحام الرؤوس بمدخل/مخرج الملف
المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT): مطلوبة لسبائك Cr-Mo وأقسام الفولاذ الكربوني ذات الجدران السميكة (وفقًا لـ ASME B31.3 / API 560)
الاختبار الهيدروستاتيكي: 1.5 × ضغط التصميم (وفقًا لـ API 560 / ASME B31.3)
تطبيق الحراريات/العزل: يتم تطبيقه على الغلاف ودعامات الأنابيب (يتم تركيبه في الموقع)
الفحص والاختبار (وفقًا لـ API 560 / ASME B31.3)
الفحص غير الإتلافي (NDE)
| الفحص | الطريقة | النطاق | معايير القبول |
|---|---|---|---|
| سطح الأنبوب | PT أو MT | 100% من اللحامات والمنحنيات | وفقًا لـ ASME / API 560 |
| لحامات الأنبوب | RT أو UT | 100% (وفقًا لـ API 560 / ASME B31.3) | وفقًا لـ ASME القسم VIII / B31.3 |
| لحامات منحنى الارتداد | PT + RT | 100% | وفقًا لـ SH/T 3065 / ASME B16.9 |
| لحامات الزعانف/المسامير | فحص بصري + اختبار سحب | عينة لكل دفعة | لا توجد شقوق؛ قوة السحب ≥ محددة |
| الأبعاد | قالب / CMM | وفقًا لرسم الملف | وفقًا لـ ASME B16.9 / SH/T 3065 |
| PMI | مطياف XRF | 100% من دفعات المواد | تطابق شهادة المواد |
الاختبار الهيدروستاتيكي
ضغط الاختبار: 1.5 × ضغط التصميم (وفقًا لـ API 560 / ASME B31.3)
وسط الاختبار: ماء نظيف مع مثبط للتآكل
مدة الاحتفاظ: ≥ 30 دقيقة
القبول: لا يوجد انخفاض في الضغط؛ لا يوجد تسرب مرئي عند أي لحام أو تركيب
اختبار تسرب هوائي (إذا تم تحديده)
ضغط الاختبار: 0.6 ميجا باسكال هواء أو نيتروجين
كشف التسرب: فقاعة صابون أو مطياف كتلة الهيليوم
القبول: لا توجد فقاعات؛ معدل التسرب ≤ 1 × 10⁻⁵ باسكال · متر مكعب / ثانية
ملفات التطبيق – تكوينات الملف حسب نوع السخان
سخان أسطواني (رأسي)
نوع الملف: ملف مشع حلزوني (لولبي) + ملف حمل حراري أفقي
ترتيب الأنابيب: أنابيب رأسية في دوائر متحدة المركز؛ منحنيات ارتداد في الأعلى والأسفل
التطبيق: سخانات مصافي صغيرة إلى متوسطة؛ إعادة غليان؛ سخانات عمليات
سخان صندوقي (أفقي)
نوع الملف: ملف مشع متعرج (ممرات أفقية أو رأسية) + ملف حمل حراري أفقي
ترتيب الأنابيب: أنابيب في صفوف متعددة؛ منحنيات ارتداد في صناديق رؤوس خارج صندوق النار
التطبيق: سخانات مصافي كبيرة؛ سخانات خام؛ سخانات فراغ
سخان مزدوج / متعدد الخلايا
نوع الملف: أقسام مشعة مزدوجة تشترك في قسم حمل حراري مشترك
ترتيب الأنابيب: أنابيب مشتعلة من كلا الجانبين
التطبيق: سخانات مصافي عالية السعة؛ أفران مصلح
سخانات متخصصة
فرن مصلح: أنابيب مملوءة بالمحفز (رأسية) مع منحنيات على شكل حرف U؛ مواد سبائك عالية الحرارة
فرن تكسير الإيثيلين: أنابيب سبائك عالية مع هندسة ملف متخصصة
فرن إنتاج الهيدروجين: أنابيب مصلح مع محفز؛ خدمة هيدروجين عالية الضغط
وثائق لكل شحنة
شهادات اختبار المواد (EN 10204 3.1 أو 3.2) – أنابيب، تركيبات، رؤوس، زعانف/مسامير
ورقة بيانات API 560 / ASME B31.3
تقرير فحص الأبعاد (قطر الأنبوب الخارجي، سمك الجدار، المسافة، نصف قطر الانحناء، من المركز إلى المركز)
تقارير NDE – PT/MT/RT/UT/PMI حسب الاقتضاء
تقرير الاختبار الهيدروستاتيكي (مع سجلات الضغط والوقت)
تقرير اختبار تسرب هوائي (إذا تم إجراؤه)
مواصفات إجراء اللحام (WPS) وسجل تأهيل الإجراء (PQR)
مخطط PWHT (تسجيل الوقت ودرجة الحرارة) – إذا تم إجراؤه
رسم الملف النهائي – مع عدد الأنابيب، تكوين الممرات، أبعاد الرأس
إجراء لحام الزعانف/المسامير وسجلات اختبار السحب (إذا كانت مزعنفة/مسمرة)
قائمة اختيار – ملف أنبوب السخان
نوع السخان – أسطواني / صندوقي / مزدوج / مصلح / تكسير
قسم الملف – مشع / حمل حراري / كلاهما
قطر الأنبوب الخارجي وسمك الجدار – وفقًا لـ API 560 / ASME B31.3
درجة مادة الأنبوب – CS / Cr-Mo / SS / سبائك – وفقًا لـ API 560 الجدول 5
ضغط ودرجة حرارة التصميم – وفقًا لـ API 560 / ASME B31.3
تكوين الملف – متعرج / حلزوني / أحادي الممر / متعدد الممرات
عدد الممرات – يحدد كمية وتخطيط منحنيات الارتداد
السطح الممتد المطلوب – عاري / مزعنف / مسمر – تحديد معلمات الزعانف/المسامير
نوع منحنى الارتداد – نصف قطر قصير (2 × قطر الأنبوب الخارجي) / نصف قطر طويل (3 × قطر الأنبوب الخارجي)
نوع الرأس – سدادة / لوحة غطاء / مجمع أنابيب
بدل التآكل – وفقًا لـ API 560 7.1.2
متطلب PWHT – بناءً على المادة والسماكة
متطلب NDE – وفقًا لـ API 560 أو مواصفات المشروع
طريقة التنظيف – إزالة فحم الكوك بالبخار والهواء / التنظيف الميكانيكي – يؤثر على تصميم الملف
بيان قيود التصميم – ملف أنبوب السخان
يخضع ملف أنبوب السخان للقيود التالية:
إنه مصنف فقط لضغط ودرجة حرارة التصميم المحددين في ورقة البيانات؛ التشغيل خارج هذه الحدود يبطل التصميم
يجب ألا تتجاوز درجة حرارة معدن الأنبوب درجة الحرارة القصوى المسموح بها للمادة عند ضغط التصميم المحدد
لا يجوز استخدام التركيبات الملحومة طوليًا (منحنيات الارتداد) وفقًا لـ API 560 8.3.4
يجب تصميم الملف للتمدد الحراري؛ يؤدي عدم كفاية استيعاب التمدد إلى تشوه الأنبوب، أو تلف الدعم، أو فشل اللحام
غير مناسب للسوائل ذات المحتوى العالي من المواد الصلبة (> 2% بالوزن) دون اختيار مواد مقاومة للتآكل أو زيادة سمك الجدار
تتطلب الأنابيب المزعنفة/المسمرة في أقسام الحمل الحراري نفخ السخام أو التنظيف للحفاظ على الأداء؛ يؤدي الترسب إلى زيادة انخفاض الضغط وتقليل نقل الحرارة
يتطلب استبدال الملف مطابقة دقيقة مع هندسة السخان الموجودة (مسافة الأنابيب، تكوين الممرات، أبعاد الرأس) – قد تتطلب التعديلات الميدانية إعادة التصنيف
