حزمة الأنابيب كوحدة نقل حرارة أساسية
حزمة الأنابيب هي وحدة نقل الحرارة الأساسية لمبادل حراري من نوع الأنبوب والغلاف. تتكون من أنابيب، وألواح أنابيب، وحواجز أو ألواح دعم، وقضبان ربط، وفواصل، ومكونات مرتبطة بها. تفصل الحزمة سائل جانب الأنبوب عن سائل جانب الغلاف وتوفر سطح نقل الحرارة بين التدفقين.
يمكن توريد حزمة الأنابيب كحزمة بديلة، أو حزمة احتياطية، أو تجميع كامل لمبادلات حرارية جديدة. يتم تصميمها وتصنيعها وفقًا لمعايير TEMA Class C، B، أو R، و ASME Section VIII Division 1 أو Division 2، و GB/T 151 للتطبيقات المحلية.
أنواع حزم الأنابيب - التصنيف الهيكلي
حزمة الأنابيب الثابتة (TEMA L / M / N)
تُثبت الأنابيب عند كلا الطرفين في ألواح أنابيب ثابتة. تُلحم ألواح الأنابيب أو تُربط بالبراغي بالغلاف. يتم استيعاب التمدد الحراري بواسطة وصلة تمدد على الغلاف عندما يتجاوز فرق درجة الحرارة بين الأنابيب والغلاف الحد المسموح به لمزيج المواد.
التطبيق النموذجي: سوائل نظيفة على جانب الغلاف، فرق درجة حرارة معتدل، خدمة غير مسببة للترسبات.
حزمة الأنابيب على شكل حرف U (TEMA U)
تُثنى الأنابيب على شكل حرف U، ويُثبت كلا الطرفين في لوح أنابيب واحد. تتمدد كل أنبوبة بشكل مستقل، لذلك لا يلزم وجود وصلة تمدد للغلاف لفروق درجات الحرارة الكبيرة.
التطبيق النموذجي: فرق حراري عالي، خدمة غاز عالي الضغط، خدمة الهيدروجين، ظروف الصدمة الحرارية.
القيود: لا يمكن تنظيف الأنابيب الفردية ميكانيكيًا من الداخل؛ يلزم التنظيف الكيميائي.
حزمة الرأس العائم (TEMA P / S / T / W)
يُثبت لوح أنابيب واحد، والآخر حر في الحركة مع التمدد الحراري. الرأس الخلفي قابل للإزالة، مما يسمح باستخراج الحزمة للتنظيف الميكانيكي.
التطبيق النموذجي: خدمة ترسبات شديدة، فرق درجة حرارة كبير، عامل ترسب عالي على جانب الغلاف.
المكونات الأساسية - المواصفات
الأنابيب
| المعلمة | النطاق | ملاحظات |
|---|---|---|
| قطر الأنبوب الخارجي | 12.7 مم - 50.8 مم | قطر خارجي أصغر للضغط الأعلى؛ قطر خارجي أكبر لخدمة الترسبات |
| سمك جدار الأنبوب | 0.9 مم - 5.0 مم | يتم الاختيار وفقًا لـ ASME VIII-1 UG-27 |
| طول الأنبوب | 1.5 م - 12.0 م | الأطوال القياسية تشمل 2.44 م، 4.88 م، 6.10 م، 9.75 م |
| مسافة الأنابيب | 1.25 × - 2.0 × قطر الأنبوب الخارجي | مسافة مثلثة لنقل حرارة أعلى؛ مسافة مربعة للتنظيف الميكانيكي |
| ترتيب الأنابيب | مثلثي (30 درجة / 60 درجة) / مربع (90 درجة / 45 درجة) | المسافة المثلثية تعطي مساحة سطح أكبر لكل مقطع عرضي للغلاف |
ألواح الأنابيب
| المعلمة | النطاق / القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| السماكة | 15 مم - 350 مم | وفقًا لـ ASME VIII-1 Appendix AA / TEMA RCB-4.3 |
| تفاوت قطر الفتحة | H11 وفقًا لـ ISO 286 | مثال: Ø25.2 مم +0.13/0 |
| تشطيب الفتحة | Ra ≤ 1.6 ميكرومتر للمفاصل الموسعة؛ Ra ≤ 3.2 ميكرومتر للمفاصل الملحومة | تشطيب أدق مطلوب للتمدد |
| عرض الرباط | الحد الأدنى 0.8 × قطر الفتحة | وفقًا لـ ASME VIII-1 Appendix A |
| المادة | فولاذ كربوني / فولاذ مقاوم للصدأ / دوبلكس / تيتانيوم / سبيكة / مكسو | مطابقة لسوائل جانب الأنبوب وجانب الغلاف |
الحواجز وألواح الدعم
| المعلمة | النطاق / القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| نوع الحاجز | قطاعي / مزدوج قطاعي / حلزوني / دعم كامل | قطع الحاجز عادة 20% - 35% |
| تباعد الحواجز | 0.2 × - 1.0 × قطر الغلاف الداخلي | بناءً على طول الأنبوب غير المدعوم وسرعة التدفق المتقاطع |
| الحد الأقصى لطول الأنبوب غير المدعوم | فولاذ كربوني: ≤ 36 × قطر الأنبوب؛ فولاذ مقاوم للصدأ: ≤ 30 × قطر الأنبوب | وفقًا لـ TEMA RCB-4.2 |
| سمك الحاجز | 3.0 مم - 16 مم | بناءً على فرق الضغط وسبان الدعم |
| قطر قضيب الربط | M8 - M24 أو ما يعادلها | الحد الأدنى 4 قضبان ربط لكل حزمة |
اختيار المواد - الأنابيب وألواح الأنابيب
مواد الأنابيب
| المادة | المواصفات | نطاق درجة الحرارة | حد الكلوريد | التطبيق |
|---|---|---|---|---|
| فولاذ كربوني | SA-179 / SA-106 Gr.B / 20# | -20 درجة مئوية إلى +425 درجة مئوية | غير قابل للتطبيق | ماء، زيت، بخار، هيدروكربونات نظيفة |
| فولاذ مقاوم للصدأ 304L / 304 | ASTM A213 TP304L | -196 درجة مئوية إلى +600 درجة مئوية | ≤ 200 جزء في المليون | سوائل مسببة للتآكل بشكل طفيف، بخار نظيف، درجة غذائية |
| فولاذ مقاوم للصدأ 316L / 316 | ASTM A213 TP316L | -196 درجة مئوية إلى +500 درجة مئوية | ≤ 200 جزء في المليون | أحماض عضوية، محاليل ملحية، هيدروكربونات تحتوي على كلوريد |
| دوبلكس 2205 | ASTM A789 S32205 | -40 درجة مئوية إلى +280 درجة مئوية | ≤ 300 جزء في المليون عند 80 درجة مئوية | خدمة بحرية، مياه بحر، خدمة CO₂/H₂S |
| تيتانيوم Gr.2 | ASTM B338 | -40 درجة مئوية إلى +230 درجة مئوية | حتى 20,000 جزء في المليون | مياه بحر، محلول ملحي، بيئات عالية الكلوريد |
| نحاس-نيكل C70600 | ASTM B111 | -40 درجة مئوية إلى +200 درجة مئوية | < 500 جزء في المليون | مياه تبريد بحرية، مياه قليلة الملوحة |
| سبيكة 625 / 825 / 800H | ASTM B163 / B444 | -196 درجة مئوية إلى +600 درجة مئوية | حتى 500 جزء في المليون | خدمة تآكل عالية الحرارة، غاز حامض |
مواد ألواح الأنابيب
فولاذ كربوني SA-516 Gr.70 للسوائل غير المسببة للتآكل على جانب الأنبوب
مكسو بالفولاذ المقاوم للصدأ فوق الفولاذ الكربوني للخدمة المسببة للتآكل مع ضغط عالٍ؛ الحد الأدنى لسمك الكسوة 3 مم
فولاذ مقاوم للصدأ صلب 304L / 316L للخدمة المسببة للتآكل بالكامل
دوبلكس أو تيتانيوم للخدمة البحرية ومياه البحر
طلاء سبيكة مثل Inconel 625 للخدمة الشديدة الحامضة أو المسببة للتآكل بالكلوريد
أنواع وصلات الأنبوب بألواح الأنابيب
| نوع الوصلة | الطريقة | قوة السحب | الخدمة المطبقة |
|---|---|---|---|
| موسع فقط | تمدد هيدروليكي عند 160-220 ميجا باسكال، احتفاظ 5-8 ثوانٍ | ≥ 20 ميجا باسكال للفولاذ الكربوني؛ ≥ 25 ميجا باسكال للفولاذ المقاوم للصدأ | سوائل غير سامة، غير دورية، نظيفة |
| ملحوم فقط | لحام فيليه GTAW، ساق 1.5-2.0 مم | احتفاظ ميكانيكي من اللحام فقط | غاز عالي الضغط، خدمة الهيدروجين |
| لحام + توسيع | لحام ختم بالإضافة إلى تمدد هيدروليكي عند 160-200 ميجا باسكال | ≥ 25 ميجا باسكال | خدمة حرارية دورية، ضغط عالٍ، سوائل سامة |
| لحام اختراق كامل | GTAW اختراق كامل | ≥ 30 ميجا باسكال | ضغط شديد، هيدروجين، عامل أمان عالٍ |
عملية التصنيع - الضوابط الرئيسية
حفر ألواح الأنابيب
حجم لقمة الحفر يتم التحكم فيه لتفاوت H11 وفقًا لـ ISO 286
انحراف الرباط ≤ ±0.2 مم عن الرسم
تشطيب سطح الفتحة Ra ≤ 1.6 ميكرومتر للمفاصل الموسعة
جميع الفتحات تُشطب على كلا الوجهين وتُنظف قبل إدخال الأنبوب
تمدد الأنابيب
ضغط التمدد الهيدروليكي 160-220 ميجا باسكال؛ وقت الاحتفاظ 5-8 ثوانٍ
عمق التمدد الأدنى 1.5 × قطر الأنبوب أو 2 × سمك جدار الأنبوب في لوح الأنابيب
فحص مقياس ما بعد التمدد: 100% من الأنابيب تقبل كرة قياس أصغر بـ 0.5 مم من القطر الداخلي للأنبوب
اختبار السحب على أول قطعة لكل حزمة
لحام الأنابيب بألواح الأنابيب
عملية GTAW، تلقائية أو يدوية
ارتفاع ساق اللحام 1.5-2.0 مم للحام الختم
اختراق جذر لحام الاختراق الكامل ≥ 0.5 مم في جدار الأنبوب
اختبار اختراق سائل بنسبة 100% وفقًا لـ ASME VIII-1 UW-51
إجراء اللحام مؤهل وفقًا لـ ASME Section IX
المعالجة الحرارية بعد اللحام
مطلوبة عندما يتجاوز سمك لوح الأنابيب المصنوع من الفولاذ الكربوني 38 مم
مطلوبة عندما تحتوي الخدمة على H₂S رطب وفقًا لـ NACE MR0175 / ISO 15156
دورة PWHT نموذجية: 620 درجة مئوية ± 10 درجة مئوية، احتفاظ 1 ساعة لكل 25 مم سمك، الحد الأدنى 1 ساعة
معدل التبريد المتحكم فيه ≤ 50 درجة مئوية/ساعة حتى 400 درجة مئوية
الفحص والاختبار لكل حزمة
الفحص البعدي
| البند | التفاوت | الطريقة |
|---|---|---|
| قطر الأنبوب الخارجي | ±0.11 مم وفقًا لـ ASTM B730 | ميكرومتر |
| سمك جدار الأنبوب | ±10% من القيمة الاسمية | مقياس فوق صوتي |
| طول الحزمة | ±1.5 مم وفقًا لـ TEMA RCB-8 | شريط قياس أو ليزر |
| تباعد الحواجز | ±1.5 مم | فرجار أو قالب |
| انحراف رباط الفتحة | ≤ ±0.2 مم | مقارن بصري |
| نصف قطر انحناء U | R ≥ 2 × قطر الأنبوب الخارجي | قالب قياس |
الفحص غير الإتلافي
لحامات الأنبوب بألواح الأنابيب: اختبار اختراق سائل بنسبة 100% وفقًا لـ ASME VIII-1 UW-51
كسوة لوح الأنابيب: اختبار فوق صوتي بنسبة 100% لسلامة الالتصاق وفقًا لـ ASME VIII-1 UW-13
السطح الداخلي للأنبوب: فحص منظاري على عينة عشوائية؛ 100% من الأنابيب تمرر كرة قياس
الأنابيب المضلعة، إذا كانت قابلة للتطبيق: فحص بصري للزعانف المفكوكة أو المفقودة
اختبار الضغط
اختبار هيدروستاتيكي: 1.3 × ضغط التصميم وفقًا لـ ASME VIII-1 UG-99
وقت الاحتفاظ: الحد الأدنى 30 دقيقة
القبول: انخفاض ضغط صفر وعدم وجود تسرب مرئي
اختبار تسرب هوائي إذا تم تحديده: 0.6 ميجا باسكال هواء أو نيتروجين؛ كشف فقاعات الصابون
قبول معدل التسرب: ≤ 1×10⁻⁵ باسكال·م³/ثانية وفقًا لطريقة الفتحة المكافئة
الوثائق لكل شحنة
شهادات اختبار المواد وفقًا لـ EN 10204 3.1 أو 3.2
تقرير بيانات ختم ASME U إذا كان قابلاً للتطبيق
ورقة بيانات TEMA مكتملة وفقًا للتصميم
تقرير الفحص البعدي
تقرير الاختبار الهيدروستاتيكي مع مخطط تسجيل الضغط
تقارير NDE لـ PT، UT، RT، أو VT حسب الأداء
مواصفات إجراء اللحام وسجل تأهيل الإجراء
رسم حزمة الأنابيب كما تم بناؤها
تقرير اختبار سحب الأنبوب لأول قطعة
قائمة التعبئة مع أبعاد ووزن شحن الحزمة
قائمة اختيار - حزمة الأنابيب
نوع TEMA - لوح أنابيب ثابت / أنبوب على شكل U / رأس عائم
قطر الغلاف الداخلي وقطر لوح الأنابيب
قطر الأنبوب الخارجي، سمك الجدار، والطول
مسافة الأنابيب وترتيبها - مثلثي / مربع
مادة الأنبوب ومادة لوح الأنابيب
نوع وصلة الأنبوب بألواح الأنابيب - موسع / ملحوم / مدمج
ضغط التصميم لجانب الأنبوب وجانب الغلاف
درجة حرارة التصميم لجانب الأنبوب وجانب الغلاف
تركيب السائل على كلا الجانبين - للتحقق من توافق المواد
بدل التآكل للأنابيب ولوح الأنابيب
نوع الحواجز وتباعدها - بناءً على انخفاض الضغط المسموح به ومعايير الاهتزاز
متطلبات NDE والاختبار وفقًا لمواصفات المشروع
متطلبات PWHT بناءً على المادة والخدمة
الكمية - حزمة بديلة، حزمة احتياطية، أو معدات جديدة
بيان قيود التصميم - حزمة الأنابيب
تخضع حزمة الأنابيب للقيود التالية:
يجب أن تتطابق مع هندسة الغلاف، وأبعاد ألواح الأنابيب، ونمط الشفة للمبادل الحراري الحالي.
ليست مصنفة للضغط الداخلي حتى يتم تجميعها مع الغلاف والقنوات والشفاه.
لا يُنصح بمحتوى المواد الصلبة على جانب الأنبوب أعلى من 2% بالوزن دون ترشيح مسبق، بسبب خطر التآكل وانسداد الأنابيب.
لا يُنصح بالمفاصل الموسعة فقط للتدوير الحراري الذي يزيد عن 500 دورة في السنة أو للخدمة السامة.
لا يمكن تنظيف حزم الأنابيب على شكل حرف U ميكانيكيًا داخل الأنابيب؛ يلزم التنظيف الكيميائي.
قد تتطلب حزم الأنابيب الثابتة وصلة تمدد للغلاف عندما يتجاوز فرق درجة الحرارة الحد المسموح به.
بالنسبة لخدمة التفريغ أقل من 1 كيلو باسكال مطلق، قد يلزم تدعيم أو دعم إضافي وفقًا لـ ASME VIII-1 UG-29.
يجب أن يكون محتوى الكلوريد في مياه الاختبار الهيدروستاتيكي للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ≤ 50 جزء في المليون لمنع التشققات الناتجة عن التآكل الإجهادي.
