Buiskolom als primair warmteoverdrachtsoppervlak
Een gestookte verwarmingsbuiskolom is de continue buisvormige assemblage waardoor het procesfluïdum stroomt terwijl het wordt verwarmd door verbrandingsgassen in een gestookte verwarming. De buiskolom is het primaire warmteoverdrachtsoppervlak van de gestookte verwarming, die thermische energie absorbeert van vlamstraling (stralingssectie) en hete rookgasconvectie (convectiesectie).
De gestookte verwarming is een direct gestookt verwarmingsapparaat waarin het procesfluïdum binnen de buizen stroomt terwijl de brandstofverbranding extern van de buizen plaatsvindt. De buiskolom is het kritieke drukdragende onderdeel van de gestookte verwarming en is ontworpen en vervaardigd volgens API 560 (Gestookte verwarmingen voor algemene raffinaderijtoepassingen), ASME B31.3 (Procesleidingen) en GB/T 16507 (Waterbuisketels) voor binnenlandse toepassingen.
Secties van gestookte verwarmingen – Kolomconfiguratie per locatie
Stralingssectie kolom
De stralingssectie (vuurhaard) is waar het procesfluïdum het grootste deel van zijn warmteopdracht ontvangt via directe vlamstraling. Buisen in de stralingssectie zijn blootgesteld aan de hoogste warmteflux en buismetaaltemperaturen.
Buizenopstelling: Verticaal (spiraalvormig of serpentijn) of horizontaal (enkele of meerrijige)
Buisondersteuning: Stralingsbuizen worden ondersteund door buishangers, geleideondersteuningen of vuurvaste ankers
Warmteflux: Stralingsoverdracht overheerst; buismetaaltemperatuur is doorgaans 50°C–100°C boven de uitlaattemperatuur van het procesfluïdum
Veelvoorkomende configuraties:
Spiraalkolom: Buisen die rond de omtrek van de vuurhaard spiraalvormig lopen; gebruikelijk in cilindrische verwarmingen
Serpentijnkolom: Buisen opgesteld in meerdere horizontale of verticale doorlopen met retourbochten die aangrenzende buizen verbinden
Eén-doorloopkolom: Elke buis loopt van inlaat tot uitlaat zonder tussenliggende bochten
Meer-doorloopkolom: Procesfluïdum maakt meerdere doorlopen door de stralingssectie via retourbochten
Convectiesectie kolom
De convectiesectie bevindt zich boven de stralingssectie, waar warmteoverdracht voornamelijk plaatsvindt door geforceerde convectie van hete rookgassen. Buisen in de convectiesectie werken bij lagere warmteflux en buismetaaltemperaturen.
Buizenopstelling: Horizontale of verticale rijen met versprongen of in-lijn buizenafstand
Uitgebreid oppervlak: Convectiebuizen zijn vaak voorzien van vinnen of noppen om het warmteoverdrachtsoppervlak te vergroten
Afschermbuizen: De eerste 2–3 rijen convectiebuizen die blootgesteld zijn aan stralingswarmte van de vuurhaard zijn doorgaans kaal (ongevind) om schade aan de vinnen door blootstelling aan hoge temperaturen te voorkomen
Veelvoorkomende buistypen: Kale buis, gevinde buis, beknopte buis (pinbuis)
Overgang / Kruisverbindingen
Kruisverbindingen verbinden de uitlaat van de convectiesectie met de inlaat van de stralingssectie (of vice versa), doorgaans buiten de behuizing van de verwarming geplaatst. Kruisverbindingen moeten thermische uitzetting tussen secties opvangen.
Ontwerpparameters kolom – Volgens API 560 / ASME B31.3
| Parameter | Bereik | Standaard / Opmerking |
|---|---|---|
| Buis OD | 50,8 mm – 273,1 mm (2" – 10,75") | Volgens API 560 Tabel 4 |
| Buiswanddikte | 3,0 mm – 25,0 mm | Volgens API 530 (berekening buisdikte) |
| Buislengte (per recht stuk) | 3,0 m – 15,0 m | Beperkt door transport en hantering |
| Ontwerpdruk | Tot 35 MPa | Volgens ASME B31.3 / API 560 |
| Ontwerptemperatuur (buismetaal) | Tot 590°C | Materiaalspecifiek; Cr-Mo voor > 425°C |
| Corrosietoelage | Volgens API 560 7.1.2 | Minimaal volgens specificatie van de koper |
| Buisafstand (hart-op-hart) | 2× buis OD (standaard korte radius) | Volgens API 560 Tabel 4 |
| Maximaal toegestane warmteflux | Volgens API 560 / ontwerp stralingssectie | Bepaalt buismetaaltemperatuur |
Materiaalkeuze – Buiskolommateriaal (Volgens API 560 Tabel 5)
Koolstofstaal
| Kwaliteit | Specificatie | Max Temp | Toepassing |
|---|---|---|---|
| SA-106 Gr.B / SA-192 | ASTM A106 / A192 | ~425°C | Algemene raffinaderijtoepassingen, gematigde temperatuur |
| SA-210 Gr.A1 | ASTM A210 | ~425°C | Ketel- en verwarmingsbuistoepassingen |
| 20# | GB 9948 | ~425°C | Binnenlandse standaard voor petroleumkraaktoepassingen |
Chroom-Molybdeen Legeringsstaal
| Kwaliteit | Samenstelling | Max Temp | Toepassing |
|---|---|---|---|
| SA-209 T1a | 0,5Cr-0,5Mo | ~540°C | Gematigde verhoogde temperatuur |
| SA-213 T11 | 1,25Cr-0,5Mo | ~590°C | Raffinaderijverwarmingsbuizen; gematigde kruipweerstand |
| SA-213 T22 | 2,25Cr-1Mo | ~590°C | Hydrokraken, reformer, hoge temperatuur/hoge druk |
| SA-213 T5 | 5Cr-0,5Mo | ~590°C | Corrosieve toepassingen bij hoge temperatuur |
| SA-213 T9 | 9Cr-1Mo | ~590°C | Erosieve toepassingen bij hoge temperatuur |
| SA-213 T91 | 9Cr-1Mo-V | ~590°C | Geavanceerde kruiptoepassingen bij hoge temperatuur |
Austenitisch Roestvast Staal
| Kwaliteit | Max Temp | Toepassing |
|---|---|---|
| TP304H / TP321H | ~600°C | Verhoogde temperatuur, corrosiebestendigheid, kruipweerstand |
| TP316L | ~450°C | Dienst met chloride (gematigd) |
| TP347H | ~600°C | Kruipweerstand bij hoge temperatuur; gestabiliseerde kwaliteit |
| SUS310S | ~700°C | Extreme oxidatieweerstand bij hoge temperatuur |
Nikkel Legeringen
| Kwaliteit | Max Temp | Toepassing |
|---|---|---|
| Alloy 800H / 800HT | ~600°C | Corrosieve toepassingen bij hoge temperatuur; zure gassen |
Configuratie kolom – Buisondersteuningen en geleiders
Volgens API 560 zijn buisondersteuningen vereist om de buisuitlijning te handhaven en doorzakken of trillingen te voorkomen:
Stralingssectie: Buisophangers (voor verticale buizen), geleideondersteuningen (voor horizontale buizen) of vuurvaste ankers
Convectiesectie: Ondersteuningsplaten of buisplaten met geboorde gaten voor buizen
Ondersteuningsafstand: Bepaald door buisafmeting, materiaal en bedrijfstemperatuur – doorgaans 1,5 m – 3,0 m
Buiskgeleiders: Maken axiale thermische uitzetting mogelijk terwijl laterale beweging wordt beperkt
Beheer thermische uitzetting
Kolommen van gestookte verwarmingen ondergaan aanzienlijke thermische uitzetting als gevolg van temperatuurverschillen tussen opstart- en bedrijfsomstandigheden
Uitzetting wordt opgevangen door:
Retourbochten: U-vormige fittingen die differentiële uitzetting tussen aangrenzende buizen opvangen
Uitzettingslussen: Leidingconfiguraties die axiale uitzetting opvangen
Geleide ondersteuningen: Laten buizen axiaal schuiven terwijl de uitlijning behouden blijft
Zwevende manifolds: Headers die met de kolom meebewegen om uitzetting op te vangen
Uitgebreid Oppervlak – Vinnen en Noppen (Convectiesectie)
Om de warmteoverdracht in de convectiesectie te vergroten, worden buizen vaak voorzien van uitgebreid oppervlak:
| Type uitgebreid oppervlak | Beschrijving | Toepassing |
|---|---|---|
| Gevinde buis | Spiraalvormige vinnen gelast of geëxtrudeerd op de buis OD | Convectiesectie; vergroot het oppervlak met 5–10x |
| Beknopte buis (pinbuis) | Noppen (pinnen) aan het buisoppervlak gelast | Vervuilingsdienst; maakt roetblazen mogelijk zonder schade aan de vinnen |
| Gekartelde vin | Gespleten of gekartelde vin voor hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt | Hoog-efficiënte convectiedienst |
Typische vin/noppen parameters:
Vinhoogte: 12 mm – 25 mm
Vinafstand: 4 – 12 vinnen per inch (FPI)
Vinmateriaal: Koolstofstaal, roestvast staal of gelegeerd staal
Noppenmateriaal: Doorgaans hetzelfde als buismateriaal of compatibele legering
Retourbochten – Kolomaansluitingen
Retourbochten verbinden aangrenzende buizen in meer-doorloopkolommen, waarbij de stromingsrichting met 180° wordt omgekeerd:
Locatie: Binnen de vuurhaard (stralingssectie) of binnen een headerbox (geïsoleerd compartiment buiten de vuurhaard)
Ontwerpdruk en temperatuur: Retourbochten binnen de vuurhaard – hetzelfde als verbindende buizen; binnen headerbox – dezelfde ontwerpdruk, vloeistoftemperatuur +30°C
Dikte: Minimaal dezelfde dikte als de verbindende buizen
Fittingen: Langsmatig gelaste fittingen mogen niet worden gebruikt
Normen: SH/T 3065 (Petrochemische buisverwarmingsretourbochten), ASME B16.9
Retourbocht hart-op-hart afmetingen (volgens API 560 Tabel 4):
| Buis OD (mm) | Header Hart-op-Hart (mm) |
|---|---|
| 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 |
Headers en Manifolds
Headers (inlaat- en uitlaatmanifolds) verdelen procesfluïdum naar en van de buiskolom:
Plug headers: Verwijderbare pluggen voor buistoegang; gebruikt voor schone dienst
Dekselplaat headers: Bouten deksel voor volledige buistoegang; gebruikt voor vervuilingsdienst
Leidingmanifold headers: Gelaste constructie; gebruikt voor dienst met hoge druk
Ontwerpdruk: Zelfde als verbindende buizen
Ontwerptemperatuur: Vloeistoftemperatuur op die locatie +30°C voor installatie in headerbox
Fabricageproces – Buiskolom assemblage
Buisonderbereiding: Buis op lengte gesneden; uiteinden afgeschuind volgens ASME B16.25 voor stompe lassen
Bevestiging retourbocht: Retourbochten aan buisuiteinden gelast (GTAW wortel + SMAW vulling) volgens ASME Sectie IX
Vin/noppen lassen: Vinnen of noppen aan convectiebuizen gelast (hoogfrequent lassen of weerstandlassen)
Kolom assemblage: Buisen in rijen gemonteerd en aan ondersteuningen bevestigd
Header bevestiging: Headers aan inlaat/uitlaat van de kolom gelast
PWHT: Vereist voor Cr-Mo legeringen en dikwandige koolstofstaal secties (volgens ASME B31.3 / API 560)
Hydrostatische test: 1,5 × ontwerpdruk (volgens API 560 / ASME B31.3)
Vuurvast/isolatie aanbrengen: Aangebracht op behuizing en buisondersteuningen (veld geïnstalleerd)
Inspectie en Testen (Volgens API 560 / ASME B31.3)
Niet-destructief Onderzoek (NDE)
| Onderzoek | Methode | Omvang | Acceptatiecriteria |
|---|---|---|---|
| Buisoppervlak | PT of MT | 100% van lassen en bochten | Volgens ASME / API 560 |
| Stompe lassen | RT of UT | 100% (volgens API 560 / ASME B31.3) | Volgens ASME Sectie VIII / B31.3 |
| Retourbocht lassen | PT + RT | 100% | Volgens SH/T 3065 / ASME B16.9 |
| Vin/noppen lassen | Visueel + trektest | Monster per batch | Geen scheuren; treksterkte ≥ gespecificeerd |
| Dimensionaal | Mal / CMM | Volgens kolomtekening | Volgens ASME B16.9 / SH/T 3065 |
| PMI | XRF spectrometer | 100% van materiaalpartijen | Komt overeen met materiaalcertificaat |
Hydrostatische Test
Testdruk: 1,5 × ontwerpdruk (volgens API 560 / ASME B31.3)
Testmedium: Schoon water met corrosieremmer
Houdtijd: ≥ 30 minuten
Acceptatie: Geen drukval; geen zichtbare lekkage bij lassen of fittingen
Pneumatische lektest (indien gespecificeerd)
Testdruk: 0,6 MPa lucht of stikstof
Lekdetectie: Zeepbel of heliummassaspectrometrie
Acceptatie: Geen bellen; lekkage snelheid ≤ 1×10&sup7;&sup5; Pa·m³/s
Toepassingsprofielen – Kolomconfiguraties per verwarmingstype
Cilindrische Verwarming (Verticaal)
Kolomtype: Spiraalvormige (spiraal) stralingskolom + horizontale convectiekolom
Buizenopstelling: Verticale buizen in concentrische cirkels; retourbochten aan boven- en onderkant
Toepassing: Kleine tot middelgrote raffinaderijverwarmingen; reboilers; procesverwarmingen
Box Verwarming (Horizontaal)
Kolomtype: Serpentijn stralingskolom (horizontale of verticale doorlopen) + horizontale convectiekolom
Buizenopstelling: Buisen in meerdere rijen; retourbochten in headerboxen buiten de vuurhaard
Toepassing: Grote raffinaderijverwarmingen; ruwe olie verwarmingen; vacuümverwarmingen
Dubbel Gestookte / Meer-cel Verwarming
Kolomtype: Dubbele stralingssecties die een gemeenschappelijke convectiesectie delen
Buizenopstelling: Buisen van beide zijden gestookt
Toepassing: Hoge capaciteit raffinaderijverwarmingen; reformerovens
Speciale Verwarmingen
Reformer oven: Katalysator gevulde buizen (verticaal) met U-bochten; legeringen voor hoge temperaturen
Etheen kraakoven: Hoge legering buizen met gespecialiseerde kolomgeometrie
Waterstofproductie oven: Reformer buizen met katalysator; waterstofdienst onder hoge druk
Documentatie per Zending
Materiaaltestertificaten (EN 10204 3.1 of 3.2) – buizen, fittingen, headers, vinnen/noppen
API 560 / ASME B31.3 datasheet
Dimensionaal inspectierapport (buis OD, wanddikte, afstand, bochtradius, hart-op-hart)
NDE rapporten – PT/MT/RT/UT/PMI indien van toepassing
Hydrostatisch testrapport (met druk- en tijdsopnames)
Pneumatisch lektestrapport (indien uitgevoerd)
Lasprocedure specificatie (WPS) en procedure kwalificatie record (PQR)
PWHT grafiek (tijd-temperatuur opname) – indien uitgevoerd
As-built tekening kolom – met buisaantal, doorloopconfiguratie, header afmetingen
Vin/noppen lasprocedure en trektest rapporten (indien gevind/beknoopt)
Selectie Checklist – Gestookte Verwarming Buiskolom
Verwarmingstype – Cilindrisch / Box / Dubbel gestookt / Reformer / Kraken
Kolomsectie – Straling / Convectie / Beide
Buis OD en wanddikte – Volgens API 560 / ASME B31.3
Buis materiaal kwaliteit – CS / Cr-Mo / SS / Legering – volgens API 560 Tabel 5
Ontwerpdruk en temperatuur – Volgens API 560 / ASME B31.3
Kolomconfiguratie – Serpentijn / Spiraalvormig / Eén-doorloop / Meer-doorloop
Aantal doorlopen – Bepaalt aantal en lay-out retourbochten
Uitgebreid oppervlak vereist – Kaal / Gevind / Beknoopt – specificeer vin/noppen parameters
Retourbocht type – Korte radius (2× buis OD) / Lange radius (3× buis OD)
Header type – Plug / Dekselplaat / Leiding manifold
Corrosietoelage – Volgens API 560 7.1.2
PWHT vereiste – Gebaseerd op materiaal en dikte
NDE vereiste – Volgens API 560 of project specificatie
Reinigingsmethode – Stoom-lucht ontkooling / Mechanisch piggen – beïnvloedt kolomontwerp
Ontwerpbeperking Verklaring – Gestookte Verwarming Buiskolom
De buiskolom van de gestookte verwarming is onderworpen aan de volgende beperkingen:
Deze is alleen gekwalificeerd voor de ontwerpdruk en -temperatuur gespecificeerd op het datasheet; bedrijf buiten deze limieten maakt het ontwerp ongeldig
Buis metaaltemperatuur mag de maximaal toegestane servicetemperatuur van het materiaal bij de gespecificeerde ontwerpdruk niet overschrijden
Langsmatig gelaste fittingen (retourbochten) mogen niet worden gebruikt volgens API 560 8.3.4
De kolom moet ontworpen zijn voor thermische uitzetting; onvoldoende opvang van uitzetting leidt tot buisvervorming, schade aan ondersteuningen of lasbreuk
Niet geschikt voor vloeistoffen met een hoog vaste stofgehalte (> 2% gewichtspercentage) zonder selectie van erosiebestendig materiaal of verhoogde wanddikte
Gevinde/beknopte buizen in convectiesecties vereisen roetblazen of reiniging om de prestaties te handhaven; vervuiling verhoogt de drukval en vermindert de warmteoverdracht
Vervanging van de kolom vereist zorgvuldige afstemming op de bestaande verwarmingsgeometrie (buisafstand, doorloopconfiguratie, header afmetingen) – veldwijzigingen kunnen een herbeoordeling vereisen
