Rohrbündel als primäre Wärmeübertragungsbaugruppe
Ein Rohrbündel ist die zentrale Wärmeübertragungsbaugruppe eines Rohrbündelwärmetauschers. Es besteht aus Rohren, Rohrböden, Leitblechen oder Stützplatten, Zugankern, Abstandshaltern und zugehörigen Komponenten. Das Bündel trennt die rohrseitige Flüssigkeit von der mantelseitigen Flüssigkeit und stellt die Wärmeübertragungsoberfläche zwischen den beiden Strömen bereit.
Ein Rohrbündel kann als Austauschbündel, Reservebündel oder komplette Baugruppe für neue Wärmetauscher geliefert werden. Es wurde gemäß TEMA Klasse C, B oder R, ASME Abschnitt VIII Division 1 oder Division 2 und GB/T 151 für Haushaltsanwendungen entwickelt und hergestellt.
Rohrbündeltypen – Strukturklassifizierung
Festes Rohrbodenbündel (TEMA L / M / N)
Die Rohre werden an beiden Enden in feststehenden Rohrböden befestigt. Die Rohrböden werden mit dem Mantel verschweißt oder verschraubt. Die Wärmeausdehnung wird durch eine Dehnungsfuge am Mantel ausgeglichen, wenn der Temperaturunterschied zwischen Rohren und Mantel den zulässigen Grenzwert für die Materialkombination überschreitet.
Typische Anwendung: saubere gehäuseseitige Flüssigkeiten, mäßige Temperaturdifferenz, nicht verschmutzender Betrieb.
U-Rohr-Bundle (TEMA U)
Die Rohre werden U-förmig gebogen und an beiden Enden an einem einzigen Rohrboden befestigt. Jedes Rohr dehnt sich unabhängig aus, so dass bei großen Temperaturunterschieden kein Mantelkompensator erforderlich ist.
Typische Anwendung: hohe thermische Differenz, Hochdruckgasbetrieb, Wasserstoffbetrieb, Thermoschockbedingungen.
Einschränkung: Einzelne Rohre können nicht mechanisch von innen gereinigt werden; Eine chemische Reinigung ist erforderlich.
Floating-Head-Bundle (TEMA P / S / T / W)
Ein Rohrboden ist feststehend, der andere kann sich bei Wärmeausdehnung frei bewegen. Der hintere Kopf ist abnehmbar, so dass das Bündel zur mechanischen Reinigung entnommen werden kann.
Typische Anwendung: starker Verschmutzungsbetrieb, großer Temperaturunterschied, hoher mantelseitiger Verschmutzungsfaktor.
Kernkomponenten – Spezifikationen
Röhren
| Parameter | Reichweite | Notizen |
|---|---|---|
| Rohr-Außendurchmesser | 12,7 mm – 50,8 mm | Kleinerer Außendurchmesser für höheren Druck; größerer Außendurchmesser für Verschmutzungsanwendungen |
| Rohrwandstärke | 0,9 mm – 5,0 mm | Ausgewählt gemäß ASME VIII-1 UG-27 |
| Rohrlänge | 1,5 m – 12,0 m | Zu den Standardlängen gehören 2,44 m, 4,88 m, 6,10 m, 9,75 m |
| Rohrabstand | 1,25 × – 2,0 × Rohr-Außendurchmesser | Dreiecksteilung für höhere Wärmeübertragung; quadratische Teilung zur maschinellen Reinigung |
| Rohranordnung | Dreieckig (30°/60°) / Quadratisch (90°/45°) | Dreieckig ergibt eine größere Oberfläche pro Schalenquerschnitt |
Rohrplatten
| Parameter | Bereich/Wert | Notizen |
|---|---|---|
| Dicke | 15 mm – 350 mm | Gemäß ASME VIII-1 Anhang AA / TEMA RCB-4.3 |
| Toleranz des Lochdurchmessers | H11 gemäß ISO 286 | Beispiel: Ø25,2 mm +0,13/0 |
| Lochende | Ra ≤ 1,6 μm für Dehnungsfugen; Ra ≤ 3,2 μm für Schweißverbindungen | Für die Erweiterung ist eine feinere Oberfläche erforderlich |
| Bänderbreite | Mindestens 0,8 × Lochdurchmesser | Gemäß ASME VIII-1 Anhang A |
| Material | CS / SS / Duplex / Ti / Legierung / plattiert | Abgestimmt auf rohrseitige und mantelseitige Flüssigkeiten |
Leitbleche und Stützplatten
| Parameter | Bereich/Wert | Notizen |
|---|---|---|
| Schallwandtyp | Segmental / Doppelsegmental / Spiralförmig / Volle Unterstützung | Segmentschnitt typischerweise 20 % – 35 % |
| Schallwandabstand | 0,2 × – 1,0 × Gehäuse-ID | Basierend auf der Länge des nicht unterstützten Rohrs und der Querströmungsgeschwindigkeit |
| Maximale nicht unterstützte Rohrlänge | CS: ≤ 36 × Rohr-Außendurchmesser; SS: ≤ 30 × Rohr-Außendurchmesser | Gemäß TEMA RCB-4.2 |
| Dicke der Schallwand | 3,0 mm – 16 mm | Basierend auf Druckdifferenz und Stützspanne |
| Spurstangendurchmesser | M8 – M24 oder gleichwertig | Mindestens 4 Spurstangen pro Bündel |
Materialauswahl – Rohre und Rohrplatten
Rohrmaterialien
| Material | Spezifikation | Temperaturbereich | Chlorid-Grenzwert | Anwendung |
|---|---|---|---|---|
| Kohlenstoffstahl | SA-179 / SA-106 Gr.B / 20# | -20°C bis +425°C | Nicht zutreffend | Wasser, Öl, Dampf, saubere Kohlenwasserstoffe |
| Edelstahl 304L / 304 | ASTM A213 TP304L | -196°C bis +600°C | ≤ 200 ppm | Leicht korrosive Flüssigkeiten, sauberer Dampf, Lebensmittelqualität |
| Edelstahl 316L / 316 | ASTM A213 TP316L | -196°C bis +500°C | ≤ 200 ppm | Organische Säuren, Salzlösungen, chloridhaltige Kohlenwasserstoffe |
| Duplex 2205 | ASTM A789 S32205 | -40°C bis +280°C | ≤ 300 ppm bei 80 °C | Offshore-, Meerwasser-, CO₂/H₂S-Service |
| Titan Gr.2 | ASTM B338 | -40°C bis +230°C | Bis zu 20.000 ppm | Meerwasser, Sole, Umgebungen mit hohem Chloridgehalt |
| Kupfer-Nickel C70600 | ASTM B111 | -40°C bis +200°C | < 500 ppm | Meereskühlwasser, Brackwasser |
| Legierung 625/825/800H | ASTM B163 / B444 | -196°C bis +600°C | Bis zu 500 ppm | Hochtemperatur-Korrosionseinsatz, Sauergas |
Rohrplattenmaterialien
Kohlenstoffstahl SA-516 Gr.70 für nicht korrosive rohrseitige Flüssigkeiten
Edelstahlbeschichtung auf Kohlenstoffstahl für korrosiven Einsatz bei hohem Druck; Beplankungsdicke mindestens 3 mm
Massiver Edelstahl 304L/316L für vollständig korrosiven Einsatz
Duplex oder Titan für Offshore- und Meerwasseranwendungen
Legierungsüberzug wie Inconel 625 für schwere saure oder chloridhaltige Anwendungen
Arten von Rohr-zu-Rohrboden-Verbindungen
| Gelenktyp | Verfahren | Auszugsfestigkeit | Anwendbarer Dienst |
|---|---|---|---|
| Nur erweitert | Hydraulische Expansion bei 160–220 MPa, 5–8 s halten | ≥ 20 MPa für CS; ≥ 25 MPa für SS | Ungiftige, nicht zyklische, saubere Flüssigkeiten |
| Nur geschweißt | GTAW-Kehlnaht, Schenkel 1,5–2,0 mm | Mechanische Sicherung nur durch Schweißen | Hochdruckgas- und Wasserstoffservice |
| Schweißen + erweitern | Schweißnaht abdichten plus hydraulische Ausdehnung bei 160–200 MPa | ≥ 25 MPa | Zyklischer thermischer Betrieb, hoher Druck, giftige Flüssigkeiten |
| Vollständige Schweißnaht | GTAW volle Durchdringung | ≥ 30 MPa | Extremer Druck, Wasserstoff, hoher Sicherheitsfaktor |
Herstellungsprozess – Schlüsselkontrollen
Bohren von Rohrböden
Bohrergröße kontrolliert auf H11-Toleranz gemäß ISO 286
Bandabweichung ≤ ±0,2 mm von der Zeichnung
Lochoberflächenbeschaffenheit Ra ≤ 1,6 μm für Dehnfugen
Alle Löcher werden auf beiden Seiten entgratet und vor dem Einsetzen des Rohrs gereinigt
Rohrerweiterung
Hydraulischer Expansionsdruck 160–220 MPa; Haltezeit 5–8 Sekunden
Ausdehnungstiefe mindestens 1,5 × Rohraußendurchmesser oder 2 × Rohrwandstärke in den Rohrboden hinein
Überprüfung des Messgeräts nach der Dehnung: 100 % der Rohre sind für eine Messkugel geeignet, die 0,5 mm kleiner als der Rohrinnendurchmesser ist
Auszugstest am ersten Artikel pro Bündel
Rohr-zu-Rohrboden-Schweißen
GTAW-Prozess, automatisch oder manuell
Kehlschenkelhöhe 1,5–2,0 mm für Siegelschweißung
Vollständig durchgeschweißte Schweißwurzeleindringung ≥ 0,5 mm in die Rohrwand
100 % Flüssigkeitseindringprüfung gemäß ASME VIII-1 UW-51
Schweißverfahren gemäß ASME Abschnitt IX qualifiziert
Wärmebehandlung nach dem Schweißen
Erforderlich, wenn die Dicke des Rohrblechs aus Kohlenstoffstahl mehr als 38 mm beträgt
Erforderlich, wenn der Betrieb nasses H₂S gemäß NACE MR0175 / ISO 15156 enthält
Typischer PWHT-Zyklus: 620 °C ± 10 °C, 1 Stunde halten pro 25 mm Dicke, mindestens 1 Stunde
Kontrollierte Abkühlrate ≤ 50 °C/Stunde bis 400 °C
Inspektion und Tests pro Bundle
Maßprüfung
| Artikel | Toleranz | Verfahren |
|---|---|---|
| Rohr-Außendurchmesser | ±0,11 mm gemäß ASTM B730 | Mikrometer |
| Rohrwandstärke | ±10 % vom Nennwert | Ultraschallmessgerät |
| Bündellänge | ±1,5 mm pro TEMA RCB-8 | Maßband oder Laser |
| Schallwandabstand | ±1,5 mm | Messschieber oder Schablone |
| Lochbandabweichung | ≤ ±0,2 mm | Optischer Komparator |
| U-Biegeradius | R ≥ 2 × Rohr-Außendurchmesser | Schablonenlehre |
Zerstörungsfreie Prüfung
Rohr-zu-Rohrboden-Schweißungen: 100 % Flüssigkeitseindringprüfung gemäß ASME VIII-1 UW-51
Rohrbodenverkleidung: 100 % Ultraschallprüfung auf Verbindungsintegrität gemäß ASME VIII-1 UW-13
Rohrinnenoberfläche: Endoskopinspektion anhand einer Stichprobe; 100 % der Rohre bestehen die Messkugel
Gegebenenfalls Rippenrohre: Sichtprüfung auf lose oder fehlende Rippen
Druckprüfung
Hydrostatischer Test: 1,3-facher Auslegungsdruck gemäß ASME VIII-1 UG-99
Haltezeit: mindestens 30 Minuten
Akzeptanz: Kein Druckabfall und keine sichtbare Leckage
Pneumatische Dichtheitsprüfung, falls vorgeschrieben: 0,6 MPa Luft oder Stickstoff; Seifenblasenerkennung
Akzeptanz der Leckrate: ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s pro äquivalenter Öffnungsmethode
Dokumentation pro Sendung
Materialprüfzeugnisse nach EN 10204 3.1 oder 3.2
ASME-U-Stamp-Datenbericht, falls zutreffend
TEMA-Datenblatt pro Design ausgefüllt
Maßkontrollbericht
Hydrostatischer Testbericht mit Druckaufzeichnungsdiagramm
NTE-Berichte für PT, UT, RT oder VT wie durchgeführt
Schweißverfahrensspezifikation und Verfahrensqualifikationsprotokoll
Bestandszeichnung des Rohrbündels
Tubenauszugs-Testbericht zum Erstartikel
Packliste mit Paketversandabmessungen und -gewicht
Auswahl-Checkliste – Röhrenbündel
TEMA-Typ – Fester Rohrboden/U-Rohr/Schwimmkopf
Mantelinnendurchmesser und Rohrbodendurchmesser
Rohraußendurchmesser, Wandstärke und Länge
Rohrteilung und Anordnung – Dreieckig / Quadratisch
Rohrmaterial und Rohrbodenmaterial
Rohr-zu-Rohrboden-Verbindungstyp – erweitert/geschweißt/kombiniert
Auslegungsdruck für Rohrseite und Mantelseite
Auslegungstemperatur für Rohrseite und Mantelseite
Flüssigkeitszusammensetzung für beide Seiten – zur Überprüfung der Materialverträglichkeit
Korrosionszuschlag für Rohre und Rohrböden
Art und Abstand der Leitbleche – basierend auf zulässigen Druckabfall- und Vibrationskriterien
NDE- und Testanforderungen gemäß Projektspezifikation
PWHT-Anforderung basierend auf Material und Service
Menge – Ersatzpaket, Ersatzpaket oder neue Ausrüstung
Erklärung zu Designeinschränkungen – Rohrbündel
Für das Rohrbündel gelten folgende Einschränkungen:
Es muss mit der Mantelgeometrie, den Rohrbodenabmessungen und dem Flanschmuster des vorhandenen Wärmetauschers übereinstimmen.
Es ist erst dann für den Innendruck ausgelegt, wenn es mit dem Gehäuse, den Kanälen und den Flanschen zusammengebaut ist.
Ein rohrseitiger Feststoffgehalt über 2 Gew.-% wird ohne vorgeschaltete Filtration aufgrund der Gefahr von Erosion und Rohrverstopfung nicht empfohlen.
Nur expandierte Verbindungen werden nicht für Temperaturwechsel über 500 Zyklen pro Jahr oder für toxischen Betrieb empfohlen.
U-Rohrbündel können im Inneren der Rohre nicht mechanisch gereinigt werden; Eine chemische Reinigung ist erforderlich.
Bei festen Rohrbodenbündeln kann eine Schalenkompensatorverbindung erforderlich sein, wenn die Temperaturdifferenz den zulässigen Grenzwert überschreitet.
Für den Vakuumbetrieb unter 1 kPa absolut ist möglicherweise eine zusätzliche Versteifung oder Unterstützung gemäß ASME VIII-1 UG-29 erforderlich.
Hydrotestwasser für austenitischen Edelstahl muss einen Chloridgehalt von ≤ 50 ppm haben, um Spannungsrisskorrosion zu verhindern.
