Rohrschlange als primäre Wärmeübertragungsfläche
Eine Rohrschlange für befeuerte Erhitzer ist die kontinuierliche rohrförmige Anordnung, durch die das Prozessfluid fließt, während es von Verbrennungsgasen in einem befeuerten Erhitzer erwärmt wird. Die Rohrschlange ist die primäre Wärmeübertragungsfläche des befeuerten Erhitzers und absorbiert thermische Energie aus Flammenstrahlung (Strahlungsbereich) und Heißgas-Konvektion (Konvektionsbereich).
Der befeuerte Erhitzer ist ein direkt befeuerter Heizgerät, bei dem das Prozessfluid im Inneren der Rohre fließt, während die Brennstoffverbrennung außerhalb der Rohre stattfindet. Die Rohrschlange ist die kritische druckhaltende Komponente des befeuerten Erhitzers und wird gemäß API 560 (Befeuerte Erhitzer für allgemeine Raffineriedienste), ASME B31.3 (Prozessrohrleitungen) und GB/T 16507 (Wasserrohrkessel) für inländische Anwendungen ausgelegt und hergestellt.
Bereiche von befeuerten Erhitzern – Schlangenkonfiguration nach Standort
Rohrschlange im Strahlungsbereich
Der Strahlungsbereich (Feuerraum) ist der Ort, an dem das Prozessfluid den Großteil seiner Wärme durch direkte Flammenstrahlung erhält. Rohre im Strahlungsbereich sind dem höchsten Wärmefluss und den höchsten Rohrwandtemperaturen ausgesetzt.
Rohranordnung: Vertikal (spiralförmig oder mäanderförmig) oder horizontal (ein- oder mehrreihig)
Rohrstützen: Strahlungsrohre werden von Rohraufhängungen, Führungslagern oder feuerfesten Ankern gestützt
Wärmefluss: Wärmeübertragung durch Strahlung dominiert; die Rohrwandtemperatur liegt typischerweise 50 °C – 100 °C über der Prozesstemperatur am Auslass.
Gängige Konfigurationen:
Spiralschlange: Rohre, die sich um den Umfang des Feuerraums winden; üblich in zylindrischen Erhitzern
Mäanderschlange: Rohre, die in mehreren horizontalen oder vertikalen Durchgängen angeordnet sind, mit Rückbiegungen, die benachbarte Rohre verbinden
Einzeldurchgangsschlange: Jedes Rohr verläuft von Einlass zu Auslass ohne Zwischenbiegungen
Mehrfachdurchgangsschlange: Prozessfluid durchläuft den Strahlungsbereich mehrmals über Rückbiegungen
Rohrschlange im Konvektionsbereich
Der Konvektionsbereich befindet sich oberhalb des Strahlungsbereichs, wo die Wärmeübertragung hauptsächlich durch erzwungene Konvektion von heißen Rauchgasen erfolgt. Rohre im Konvektionsbereich arbeiten bei geringerem Wärmefluss und niedrigeren Rohrwandtemperaturen.
Rohranordnung: Horizontale oder vertikale Reihen mit versetztem oder in-line Rohrversatz
Erweiterte Oberfläche: Konvektionsrohre sind oft mit Rippen oder Stiften versehen, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern
Schutzrohre: Die ersten 2–3 Reihen von Konvektionsrohren, die der Strahlungswärme aus dem Feuerraum ausgesetzt sind, sind typischerweise blank (unberippt), um eine Beschädigung der Rippen durch hohe Temperaturen zu verhindern
Gängige Rohrtypen: Blankrohr, beripptes Rohr, gestiftetes Rohr (Pin-Rohr)
Übergangs- / Kreuzungsrohrleitungen
Kreuzungsrohrleitungen verbinden den Auslass des Konvektionsbereichs mit dem Einlass des Strahlungsbereichs (oder umgekehrt) und befinden sich typischerweise außerhalb des Erhitzergehäuses. Kreuzungsrohrleitungen müssen die thermische Ausdehnung zwischen den Bereichen aufnehmen.
Auslegungsparameter der Schlange – gemäß API 560 / ASME B31.3
| Parameter | Bereich | Standard / Anmerkung |
|---|---|---|
| Rohr-Außendurchmesser | 50,8 mm – 273,1 mm (2 Zoll – 10,75 Zoll) | Gemäß API 560 Tabelle 4 |
| Rohrwanddicke | 3,0 mm – 25,0 mm | Gemäß API 530 (Berechnung der Rohrwanddicke) |
| Rohrlänge (pro geradem Abschnitt) | 3,0 m – 15,0 m | Begrenzt durch Transport und Handhabung |
| Auslegungsdruck | Bis zu 35 MPa | Gemäß ASME B31.3 / API 560 |
| Auslegungstemperatur (Rohrwand) | Bis zu 590 °C | Materialabhängig; Cr-Mo für > 425 °C |
| Korrosionszuschlag | Gemäß API 560 7.1.2 | Mindestens gemäß Kundenspezifikation |
| Rohrversatz (Mitte-zu-Mitte) | 2 × Rohr-Außendurchmesser (Standard-Kurzradius) | Gemäß API 560 Tabelle 4 |
| Maximal zulässiger Wärmefluss | Gemäß API 560 / Auslegung des Strahlungsbereichs | Bestimmt die Rohrwandtemperatur |
Materialauswahl – Rohrschlangenmaterialien (gemäß API 560 Tabelle 5)
Kohlenstoffstähle
| Güte | Spezifikation | Max. Temp. | Anwendung |
|---|---|---|---|
| SA-106 Gr.B / SA-192 | ASTM A106 / A192 | ~425 °C | Allgemeiner Raffineriedienst, moderate Temperatur |
| SA-210 Gr.A1 | ASTM A210 | ~425 °C | Kessel- und Erhitzerrohrdienst |
| 20# | GB 9948 | ~425 °C | Inländischer Standard für Erdölspaltungsverfahren |
Chrom-Molybdän-Legierungsstähle
| Güte | Zusammensetzung | Max. Temp. | Anwendung |
|---|---|---|---|
| SA-209 T1a | 0,5Cr-0,5Mo | ~540 °C | Moderate erhöhte Temperatur |
| SA-213 T11 | 1,25Cr-0,5Mo | ~590 °C | Raffinerie-Erhitzerrohre; moderate Kriechfestigkeit |
| SA-213 T22 | 2,25Cr-1Mo | ~590 °C | Hydrocracker, Reformer, Hochtemperatur/Hochdruck |
| SA-213 T5 | 5Cr-0,5Mo | ~590 °C | Korrosiver Dienst bei hohen Temperaturen |
| SA-213 T9 | 9Cr-1Mo | ~590 °C | Erosiver Dienst bei hohen Temperaturen |
| SA-213 T91 | 9Cr-1Mo-V | ~590 °C | Fortgeschrittener Kriechdienst bei hohen Temperaturen |
Austenitische Edelstähle
| Güte | Max. Temp. | Anwendung |
|---|---|---|
| TP304H / TP321H | ~600 °C | Erhöhte Temperatur, Korrosionsbeständigkeit, Kriechfestigkeit |
| TP316L | ~450 °C | Chloridhaltiger Dienst (moderat) |
| TP347H | ~600 °C | Hohe Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen; stabilisierte Güte |
| SUS310S | ~700 °C | Extreme Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen |
Nickellegierungen
| Güte | Max. Temp. | Anwendung |
|---|---|---|
| Legierung 800H / 800HT | ~600 °C | Korrosiver Dienst bei hohen Temperaturen; Sauergas |
Konfiguration der Schlange – Rohrstützen und Führungen
Gemäß API 560 sind Rohrstützen erforderlich, um die Rohrflucht beizubehalten und Durchhängen oder Vibrationen zu verhindern:
Strahlungsbereich: Rohraufhängungen (für vertikale Rohre), Führungslager (für horizontale Rohre) oder feuerfeste Anker
Konvektionsbereich: Stützplatten oder Rohrböden mit Bohrungen zur Aufnahme der Rohre
Abstand der Stützen: Bestimmt durch Rohrgröße, Material und Betriebstemperatur – typischerweise 1,5 m – 3,0 m
Rohrführungen: Ermöglichen axiale thermische Ausdehnung bei gleichzeitiger Begrenzung der seitlichen Bewegung
Management der thermischen Ausdehnung
Rohrschlangen von befeuerten Erhitzern erfahren aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen Anfahr- und Betriebsbedingungen eine erhebliche thermische Ausdehnung
Die Ausdehnung wird durch Folgendes aufgenommen:
Rückbiegungen: U-förmige Fittings, die die differentielle Ausdehnung zwischen benachbarten Rohren aufnehmen
Ausdehnungsschleifen: Rohrleitungskonfigurationen, die die axiale Ausdehnung aufnehmen
Geführte Stützen: Ermöglichen das axiale Gleiten der Rohre bei gleichzeitiger Beibehaltung der Ausrichtung
Schwimmende Verteiler: Verteiler, die sich mit der Schlange bewegen, um die Ausdehnung aufzunehmen
Erweiterte Oberfläche – Rippen und Stifte (Konvektionsbereich)
Um die Wärmeübertragung im Konvektionsbereich zu erhöhen, werden Rohre oft mit erweiterter Oberfläche versehen:
| Art der erweiterten Oberfläche | Beschreibung | Anwendung |
|---|---|---|
| Beripptes Rohr | Spiralrippen, die auf den Außendurchmesser des Rohrs geschweißt oder extrudiert sind | Konvektionsbereich; vergrößert die Oberfläche um das 5- bis 10-fache |
| Gestiftetes Rohr (Pin-Rohr) | An der Rohroberfläche verschweißte Stifte (Pins) | Ablagerungsdienst; ermöglicht Rußblasen ohne Beschädigung der Rippen |
| Sägezahnrippe | Geschlitzte oder sägezahnförmige Rippe für höheren Wärmeübergangskoeffizienten | Hocheffizienter Konvektionsdienst |
Typische Rippen-/Stiftparameter:
Rippenhöhe: 12 mm – 25 mm
Rippenabstand: 4 – 12 Rippen pro Zoll (FPI)
Rippenmaterial: Kohlenstoffstahl, Edelstahl oder legierter Stahl
Stiftmaterial: Typischerweise dasselbe wie das Rohrmaterial oder eine kompatible Legierung
Rückbiegungen – Schlangenverbindungen
Rückbiegungen verbinden benachbarte Rohre in Mehrfachdurchgangsschlangen und kehren die Strömungsrichtung um 180° um:
Ort: Innerhalb des Feuerraums (Strahlungsbereich) oder innerhalb einer Verteilerbox (isolierter Hohlraum außerhalb des Feuerraums)
Auslegungsdruck und -temperatur: Rückbiegungen im Feuerraum – gleich wie bei den verbindenden Rohren; in der Verteilerbox – gleicher Auslegungsdruck, Fluidtemperatur +30 °C
Dicke: Mindestens die gleiche Dicke wie die verbindenden Rohre
Fittings: Längsgeschweißte Fittings dürfen nicht verwendet werden
Normen: SH/T 3065 (Rohrheizungen für Petrochemie – Rückbiegungen), ASME B16.9
Mittel-zu-Mittel-Abmessungen von Rückbiegungen (gemäß API 560 Tabelle 4):
| Rohr-Außendurchmesser (mm) | Mittel-zu-Mittel-Abstand des Verteilers (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 |
Verteiler und Kollektoren
Verteiler (Einlass- und Auslasskollektoren) verteilen das Prozessfluid zur und von der Rohrschlange:
Stopfenverteiler: Herausnehmbare Stopfen für den Rohrzugang; für saubere Dienste verwendet
Deckelplattenverteiler: Verschraubter Deckel für vollen Rohrzugang; für Ablagerungsdienste verwendet
Rohrverteiler: Geschweißte Konstruktion; für Hochdruckdienste verwendet
Auslegungsdruck: Gleich wie bei den verbindenden Rohren
Auslegungstemperatur: Fluidtemperatur an dieser Stelle +30 °C für die Installation in der Verteilerbox
Fertigungsprozess – Montage der Rohrschlange
Rohrvorbereitung: Rohre auf Länge geschnitten; Enden gemäß ASME B16.25 für Stumpfschweißung angefast
Anbringen der Rückbiegungen: Rückbiegungen an Rohrenden geschweißt (GTAW-Wurzel + SMAW-Füllung) gemäß ASME Section IX
Schweißen von Rippen/Stiften: Rippen oder Stifte werden an Konvektionsrohren geschweißt (Hochfrequenzschweißen oder Widerstandsschweißen)
Schlangenmontage: Rohre werden zu Reihen montiert und an Stützen befestigt
Anbringen der Verteiler: Verteiler werden an Einlass/Auslass der Schlange geschweißt
PWHT: Erforderlich für Cr-Mo-Legierungen und dickwandige Kohlenstoffstahlabschnitte (gemäß ASME B31.3 / API 560)
Hydrostatische Prüfung: 1,5 × Auslegungsdruck (gemäß API 560 / ASME B31.3)
Aufbringen von Feuerfestmaterial/Isolierung: Wird auf Gehäuse und Rohrstützen aufgetragen (vor Ort installiert)
Inspektion und Prüfung (gemäß API 560 / ASME B31.3)
Zerstörungsfreie Prüfung (NDE)
| Prüfung | Methode | Umfang | Akzeptanzkriterien |
|---|---|---|---|
| Rohroberfläche | PT oder MT | 100 % der Schweißnähte und Biegungen | Gemäß ASME / API 560 |
| Stumpfnähte | RT oder UT | 100 % (gemäß API 560 / ASME B31.3) | Gemäß ASME Section VIII / B31.3 |
| Rückbiegungsschweißnähte | PT + RT | 100 % | Gemäß SH/T 3065 / ASME B16.9 |
| Rippen-/Stiftschweißnähte | Visuell + Zugtest | Stichprobe pro Charge | Keine Risse; Zugfestigkeit ≥ spezifiziert |
| Maßhaltigkeit | Schablone / CMM | Gemäß Schlangenzeichnung | Gemäß ASME B16.9 / SH/T 3065 |
| PMI | RFA-Spektrometer | 100 % der Materialchargen | Entspricht Materialzertifikat |
Hydrostatische Prüfung
Prüfdruck: 1,5 × Auslegungsdruck (gemäß API 560 / ASME B31.3)
Prüfmedium: Sauberes Wasser mit Korrosionsinhibitor
Haltezeit: ≥ 30 Minuten
Akzeptanz: Kein Druckabfall; keine sichtbare Leckage an Schweißnähten oder Fittings
Pneumatische Dichtheitsprüfung (falls spezifiziert)
Prüfdruck: 0,6 MPa Luft oder Stickstoff
Leckerkennung: Seifenblase oder Helium-Massenspektrometrie
Akzeptanz: Keine Blasen; Leckrate ≤ 1 × 10⁻⁵ Pa·m³/s
Anwendungsprofile – Schlangenkonfigurationen nach Erhitzertyp
Zylindrischer Erhitzer (vertikal)
Schlangentyp: Spiralförmige Strahlungsspirale + horizontale Konvektionsspirale
Rohranordnung: Vertikale Rohre in konzentrischen Kreisen; Rückbiegungen oben und unten
Anwendung: Kleine bis mittlere Raffinerie-Erhitzer; Rückverdampfer; Prozess-Erhitzer
Kasten-Erhitzer (horizontal)
Schlangentyp: Mäanderspirale (horizontale oder vertikale Durchgänge) + horizontale Konvektionsspirale
Rohranordnung: Rohre in mehreren Reihen; Rückbiegungen in Verteilerkästen außerhalb des Feuerraums
Anwendung: Große Raffinerie-Erhitzer; Rohöl-Erhitzer; Vakuum-Erhitzer
Doppelt befeuerter / Mehrzellen-Erhitzer
Schlangentyp: Zwei Strahlungsbereiche, die sich einen gemeinsamen Konvektionsbereich teilen
Rohranordnung: Von beiden Seiten befeuerte Rohre
Anwendung: Raffinerie-Erhitzer mit hoher Kapazität; Reformeröfen
Spezial-Erhitzer
Reformerofen: Katalysatorgefüllte Rohre (vertikal) mit U-Bögen; Hochtemperatur-Legierungsmaterialien
Ethylen-Cracking-Ofen: Hochlegierte Rohre mit spezieller Schlangen-Geometrie
Wasserstoffproduktions-Ofen: Reformer-Rohre mit Katalysator; Hochdruck-Wasserstoffdienst
Dokumentation pro Lieferung
Materialprüfzeugnisse (EN 10204 3.1 oder 3.2) – Rohre, Fittings, Verteiler, Rippen/Stifte
API 560 / ASME B31.3 Datenblatt
Maßprüfbericht (Rohr-Außendurchmesser, Wanddicke, Abstand, Biegeradius, Mittel-zu-Mittel-Abstand)
NDE-Berichte – PT/MT/RT/UT/PMI, je nach Anwendbarkeit
Hydrostatischer Prüfbericht (mit Druck- und Zeitaufzeichnungen)
Pneumatischer Dichtheitsprüfbericht (falls durchgeführt)
Schweißverfahrensspezifikation (WPS) und Verfahrensprüfbericht (PQR)
PWHT-Diagramm (Zeit-Temperatur-Aufzeichnung) – falls durchgeführt
As-built-Zeichnung der Schlange – mit Rohranzahl, Pass-Konfiguration, Verteilerabmessungen
Verfahren für Rippen-/Stiftschweißen und Zugtestaufzeichnungen (falls berippt/gestiftet)
Auswahlliste – Befeuerter Erhitzer Rohrschlange
Erhitzertyp – Zylindrisch / Kasten / Doppelt befeuert / Reformer / Cracking
Schlangenbereich – Strahlung / Konvektion / Beide
Rohr-Außendurchmesser und Wanddicke – Gemäß API 560 / ASME B31.3
Rohrmaterialgüte – CS / Cr-Mo / SS / Legierung – gemäß API 560 Tabelle 5
Auslegungsdruck und -temperatur – Gemäß API 560 / ASME B31.3
Schlangenkonfiguration – Mäanderförmig / Spiral / Einzeldurchgang / Mehrfachdurchgang
Anzahl der Durchgänge – Bestimmt die Menge und Anordnung der Rückbiegungen
Erweiterte Oberfläche erforderlich – Blank / Berippt / Gestiftet – Spezifizieren Sie Rippen-/Stiftparameter
Rückbiegungstyp – Kurzradius (2 × Rohr-Außendurchmesser) / Langradius (3 × Rohr-Außendurchmesser)
Verteilertyp – Stopfen / Deckelplatte / Rohrverteiler
Korrosionszuschlag – Gemäß API 560 7.1.2
PWHT-Anforderung – Basierend auf Material und Dicke
NDE-Anforderung – Gemäß API 560 oder Projektspezifikation
Reinigungsmethode – Dampf-Luft-Entkoken / Mechanisches Verpökeln – beeinflusst die Schlangenauslegung
Design-Limitierungs-Erklärung – Befeuerter Erhitzer Rohrschlange
Die Rohrschlange des befeuerten Erhitzers unterliegt folgenden Einschränkungen:
Sie ist nur für den auf dem Datenblatt angegebenen Auslegungsdruck und die Auslegungstemperatur ausgelegt; der Betrieb außerhalb dieser Grenzen macht die Auslegung ungültig
Die Rohrwandtemperatur darf die maximal zulässige Betriebstemperatur des Materials bei dem angegebenen Auslegungsdruck nicht überschreiten
Längsgeschweißte Fittings (Rückbiegungen) dürfen gemäß API 560 8.3.4 nicht verwendet werden
Die Schlange muss für thermische Ausdehnung ausgelegt sein; unzureichende Ausdehnungsaufnahme führt zu Rohrverformung, Beschädigung der Stützen oder Schweißnahtversagen
Nicht geeignet für Fluide mit hohem Feststoffgehalt (> 2 Gew.-%) ohne Auswahl erosionsbeständiger Materialien oder erhöhte Wanddicke
Berippte/gestiftete Rohre in Konvektionsbereichen erfordern Rußblasen oder Reinigung zur Aufrechterhaltung der Leistung; Ablagerungen erhöhen den Druckabfall und verringern die Wärmeübertragung
Der Austausch der Schlange erfordert eine sorgfältige Anpassung an die vorhandene Erhitzergeometrie (Rohrversatz, Pass-Konfiguration, Verteilerabmessungen) – Feldänderungen können eine Neubewertung erfordern
