Συστοιχία Σωλήνων ως η Κύρια Διάταξη Μεταφοράς Θερμότητας
Μια συστοιχία σωλήνων είναι η κεντρική διάταξη μεταφοράς θερμότητας ενός εναλλάκτη θερμότητας τύπου κελύφους και σωλήνων. Αποτελείται από σωλήνες, φύλλα σωλήνων, διαφράγματα ή πλάκες στήριξης, ράβδους σύνδεσης, αποστάτες και συναφή εξαρτήματα. Η συστοιχία διαχωρίζει το ρευστό από την πλευρά των σωλήνων από το ρευστό από την πλευρά του κελύφους και παρέχει την επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας μεταξύ των δύο ροών.
Μια συστοιχία σωλήνων μπορεί να παραδοθεί ως εφεδρική συστοιχία, ανταλλακτική συστοιχία ή πλήρης διάταξη για νέους εναλλάκτες θερμότητας. Σχεδιάζεται και κατασκευάζεται σύμφωνα με τα πρότυπα TEMA Class C, B, ή R, ASME Section VIII Division 1 ή Division 2, και GB/T 151 για εγχώριες εφαρμογές.
Τύποι Συστοιχίας Σωλήνων – Δομική Ταξινόμηση
Συστοιχία Σταθερού Φύλλου Σωλήνων (TEMA L / M / N)
Οι σωλήνες είναι σταθεροί και στα δύο άκρα σε σταθερά φύλλα σωλήνων. Τα φύλλα σωλήνων είναι συγκολλημένα ή βιδωμένα στο κέλυφος. Η θερμική διαστολή αντιμετωπίζεται με έναν σύνδεσμο διαστολής στο κέλυφος όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των σωλήνων και του κελύφους υπερβαίνει το επιτρεπόμενο όριο για τον συνδυασμό υλικών.
Τυπική εφαρμογή: καθαρά ρευστά στην πλευρά του κελύφους, μέτρια διαφορά θερμοκρασίας, μη επικαθιστική λειτουργία.
Συστοιχία Σωλήνων U (TEMA U)
Οι σωλήνες είναι λυγισμένοι σε σχήμα U και τα δύο άκρα είναι σταθερά σε ένα ενιαίο φύλλο σωλήνων. Κάθε σωλήνας διαστέλλεται ανεξάρτητα, οπότε δεν απαιτείται σύνδεσμος διαστολής κελύφους για μεγάλες διαφορές θερμοκρασίας.
Τυπική εφαρμογή: υψηλή θερμική διαφορά, λειτουργία αερίου υψηλής πίεσης, λειτουργία υδρογόνου, συνθήκες θερμικού σοκ.
Περιορισμός: οι μεμονωμένοι σωλήνες δεν μπορούν να καθαριστούν μηχανικά από μέσα. απαιτείται χημικός καθαρισμός.
Συστοιχία Κεφαλής Ελεύθερης Διαστολής (TEMA P / S / T / W)
Ένα φύλλο σωλήνων είναι σταθερό και το άλλο είναι ελεύθερο να κινείται με τη θερμική διαστολή. Η πίσω κεφαλή είναι αφαιρούμενη, επιτρέποντας την εξαγωγή της συστοιχίας για μηχανικό καθαρισμό.
Τυπική εφαρμογή: σοβαρή επικαθιστική λειτουργία, μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας, υψηλός συντελεστής επικαθίσεων στην πλευρά του κελύφους.
Βασικά Εξαρτήματα – Προδιαγραφές
Σωλήνες
| Παράμετρος | Εύρος | Σημειώσεις |
|---|---|---|
| Εξωτερική Διάμετρος Σωλήνα (OD) | 12,7 mm – 50,8 mm | Μικρότερη εξωτερική διάμετρος για υψηλότερη πίεση, μεγαλύτερη εξωτερική διάμετρος για επικαθιστική λειτουργία |
| Πάχος τοιχώματος σωλήνα | 0,9 mm – 5,0 mm | Επιλέγεται σύμφωνα με το ASME VIII-1 UG-27 |
| Μήκος σωλήνα | 1,5 m – 12,0 m | Τυπικά μήκη περιλαμβάνουν 2,44 m, 4,88 m, 6,10 m, 9,75 m |
| Βήμα σωλήνων | 1,25 × – 2,0 × εξωτερική διάμετρος σωλήνα | Τριγωνικό βήμα για υψηλότερη μεταφορά θερμότητας, τετράγωνο βήμα για μηχανικό καθαρισμό |
| Διάταξη σωλήνων | Τριγωνική (30°/60°) / Τετράγωνη (90°/45°) | Η τριγωνική παρέχει μεγαλύτερη επιφάνεια ανά διατομή κελύφους |
Φύλλα Σωλήνων
| Παράμετρος | Εύρος / Τιμή | Σημειώσεις |
|---|---|---|
| Πάχος | 15 mm – 350 mm | Σύμφωνα με ASME VIII-1 Appendix AA / TEMA RCB-4.3 |
| Ανοχή διαμέτρου οπής | H11 σύμφωνα με ISO 286 | Παράδειγμα: Ø25,2 mm +0,13/0 |
| Φινίρισμα οπής | Ra ≤ 1,6 μm για πρεσαριστές συνδέσεις, Ra ≤ 3,2 μm για συγκολλητές συνδέσεις | Απαιτείται λεπτότερο φινίρισμα για πρεσάρισμα |
| Πλάτος συνδέσμου | Ελάχιστο 0,8 × διάμετρος οπής | Σύμφωνα με ASME VIII-1 Appendix A |
| Υλικό | CS / SS / Duplex / Ti / Alloy / Clad | Αντιστοιχισμένο με τα ρευστά στην πλευρά των σωλήνων και του κελύφους |
Διαφράγματα και Πλάκες Στήριξης
| Παράμετρος | Εύρος / Τιμή | Σημειώσεις |
|---|---|---|
| Τύπος διαφράγματος | Τμηματικό / Διπλό τμηματικό / Ελικοειδές / Πλήρης στήριξη | Τυπική τομή τμήματος 20% – 35% |
| Απόσταση διαφραγμάτων | 0,2 × – 1,0 × εσωτερική διάμετρος κελύφους | Βασισμένο στο μήκος ακάλυπτου σωλήνα και την ταχύτητα εγκάρσιας ροής |
| Μέγιστο μήκος ακάλυπτου σωλήνα | CS: ≤ 36 × εξωτερική διάμετρος σωλήνα, SS: ≤ 30 × εξωτερική διάμετρος σωλήνα | Σύμφωνα με TEMA RCB-4.2 |
| Πάχος διαφράγματος | 3,0 mm – 16 mm | Βασισμένο στη διαφορά πίεσης και το διάστημα στήριξης |
| Διάμετρος ράβδου σύνδεσης | M8 – M24 ή ισοδύναμο | Ελάχιστες 4 ράβδοι σύνδεσης ανά συστοιχία |
Επιλογή Υλικών – Σωλήνες και Φύλλα Σωλήνων
Υλικά Σωλήνων
| Υλικό | Προδιαγραφή | Εύρος Θερμοκρασίας | Όριο Χλωριδίων | Εφαρμογή |
|---|---|---|---|---|
| Ανθρακούχος χάλυβας | SA-179 / SA-106 Gr.B / 20# | -20°C έως +425°C | Δεν ισχύει | Νερό, λάδι, ατμός, καθαροί υδρογονάνθρακες |
| Ανοξείδωτος 304L / 304 | ASTM A213 TP304L | -196°C έως +600°C | ≤ 200 ppm | Ήπια διαβρωτικά ρευστά, καθαρός ατμός, ποιότητας τροφίμων |
| Ανοξείδωτος 316L / 316 | ASTM A213 TP316L | -196°C έως +500°C | ≤ 200 ppm | Οργανικά οξέα, διαλύματα αλάτων, υδρογονάνθρακες που περιέχουν χλώριο |
| Duplex 2205 | ASTM A789 S32205 | -40°C έως +280°C | ≤ 300 ppm στους 80°C | Υπηρεσία υπεράκτιας πλατφόρμας, θαλασσινό νερό, CO₂/H₂S |
| Τιτάνιο Gr.2 | ASTM B338 | -40°C έως +230°C | Έως 20.000 ppm | Θαλασσινό νερό, άλμη, περιβάλλοντα υψηλής περιεκτικότητας σε χλώριο |
| Χαλκο-νικέλιο C70600 | ASTM B111 | -40°C έως +200°C | < 500 ppm | Νερό ψύξης ναυτιλιακών εφαρμογών, υφάλμυρο νερό |
| Κράμα 625 / 825 / 800H | ASTM B163 / B444 | -196°C έως +600°C | Έως 500 ppm | Διαβρωτική λειτουργία υψηλής θερμοκρασίας, όξινο αέριο |
Υλικά Φύλλων Σωλήνων
Ανθρακούχος χάλυβας SA-516 Gr.70 για μη διαβρωτικά ρευστά στην πλευρά των σωλήνων
Επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα πάνω σε ανθρακούχο χάλυβα για διαβρωτική λειτουργία με υψηλή πίεση, πάχος επένδυσης ελάχιστο 3 mm
Συμπαγής ανοξείδωτος 304L / 316L για πλήρως διαβρωτική λειτουργία
Duplex ή τιτάνιο για υπεράκτιες εφαρμογές και θαλασσινό νερό
Επικάλυψη κράματος όπως Inconel 625 για σοβαρή όξινη ή χλωριούχα λειτουργία
Τύποι Συνδέσεων Σωλήνα-προς-Φύλλο Σωλήνων
| Τύπος Σύνδεσης | Μέθοδος | Αντοχή σε Εξαγωγή | Εφαρμόσιμη Λειτουργία |
|---|---|---|---|
| Μόνο πρεσαριστή | Υδραυλική πρεσάρισμα στα 160–220 MPa, κράτημα 5–8 s | ≥ 20 MPa για CS, ≥ 25 MPa για SS | Μη τοξικά, μη κυκλικά, καθαρά ρευστά |
| Μόνο συγκολλητή | Συγκόλληση φιλέτου GTAW, πλευρά 1,5–2,0 mm | Μηχανική συγκράτηση μόνο από τη συγκόλληση | Λειτουργία αερίου υψηλής πίεσης, υδρογόνου |
| Συγκόλληση + πρεσάρισμα | Σφραγιστική συγκόλληση συν υδραυλική πρεσάρισμα στα 160–200 MPa | ≥ 25 MPa | Κυκλική θερμική λειτουργία, υψηλή πίεση, τοξικά ρευστά |
| Συγκόλληση πλήρους διείσδυσης | GTAW πλήρους διείσδυσης | ≥ 30 MPa | Ακραία πίεση, υδρογόνο, υψηλός συντελεστής ασφαλείας |
Διαδικασία Κατασκευής – Βασικοί Έλεγχοι
Διάτρηση Φύλλου Σωλήνων
Μέγεθος τρυπανιού ελεγχόμενο στην ανοχή H11 σύμφωνα με ISO 286
Απόκλιση συνδέσμου ≤ ±0,2 mm από το σχέδιο
Φινίρισμα επιφάνειας οπής Ra ≤ 1,6 μm για πρεσαριστές συνδέσεις
Όλες οι οπές απορροφούνται και στις δύο όψεις και καθαρίζονται πριν την εισαγωγή του σωλήνα
Πρεσάρισμα Σωλήνων
Πίεση υδραυλικής πρεσάρισμα 160–220 MPa, χρόνος κράτησης 5–8 δευτερόλεπτα
Βάθος πρεσαρίσματος ελάχιστο 1,5 × εξωτερική διάμετρος σωλήνα ή 2 × πάχος τοιχώματος σωλήνα μέσα στο φύλλο σωλήνων
Έλεγχος μετρητή μετά το πρεσάρισμα: 100% των σωλήνων δέχονται μια μπάλα μέτρησης 0,5 mm μικρότερη από την εσωτερική διάμετρο του σωλήνα
Δοκιμή εξαγωγής στο πρώτο τεμάχιο ανά συστοιχία
Συγκόλληση Σωλήνα-προς-Φύλλο Σωλήνων
Διαδικασία GTAW, αυτόματη ή χειροκίνητη
Ύψος πλευράς φιλέτου 1,5–2,0 mm για σφραγιστική συγκόλληση
Βάθος διείσδυσης συγκόλλησης πλήρους διείσδυσης ≥ 0,5 mm στο τοίχωμα του σωλήνα
100% έλεγχος διεισδυτικών υγρών σύμφωνα με ASME VIII-1 UW-51
Διαδικασία συγκόλλησης πιστοποιημένη σύμφωνα με ASME Section IX
Θερμική Επεξεργασία μετά τη Συγκόλληση (PWHT)
Απαιτείται όταν το πάχος του φύλλου σωλήνων από ανθρακούχο χάλυβα υπερβαίνει τα 38 mm
Απαιτείται όταν η λειτουργία περιέχει υγρό H₂S σύμφωνα με NACE MR0175 / ISO 15156
Τυπικός κύκλος PWHT: 620°C ± 10°C, κράτημα 1 ώρα ανά 25 mm πάχους, ελάχιστο 1 ώρα
Ελεγχόμενος ρυθμός ψύξης ≤ 50°C/ώρα έως 400°C
Επιθεώρηση και Δοκιμές ανά Συστοιχία
Διαστατικός Έλεγχος
| Στοιχείο | Ανοχή | Μέθοδος |
|---|---|---|
| Εξωτερική Διάμετρος Σωλήνα (OD) | ±0,11 mm σύμφωνα με ASTM B730 | Μικρόμετρο |
| Πάχος τοιχώματος σωλήνα | ±10% του ονομαστικού | Υπερηχητικό όργανο |
| Μήκος συστοιχίας | ±1,5 mm σύμφωνα με TEMA RCB-8 | Μετροταινία ή λέιζερ |
| Απόσταση διαφραγμάτων | ±1,5 mm | Χάρακας ή πρότυπο |
| Απόκλιση συνδέσμου οπής | ≤ ±0,2 mm | Οπτικός συγκριτής |
| Ακτίνα καμπύλης U | R ≥ 2 × εξωτερική διάμετρος σωλήνα | Πρότυπο μέτρησης |
Μη Καταστροφική Εξέταση
Συγκολλήσεις σωλήνα-προς-φύλλο σωλήνων: 100% έλεγχος διεισδυτικών υγρών σύμφωνα με ASME VIII-1 UW-51
Επένδυση φύλλου σωλήνων: 100% υπερηχητικός έλεγχος για ακεραιότητα συγκόλλησης σύμφωνα με ASME VIII-1 UW-13
Εσωτερική επιφάνεια σωλήνα: Επιθεώρηση με ενδοσκόπιο σε τυχαίο δείγμα, 100% των σωλήνων περνούν από μπάλα μέτρησης
Σωλήνες με πτερύγια, εάν ισχύει: Οπτική επιθεώρηση για χαλαρά ή ελλιπή πτερύγια
Δοκιμή Πίεσης
Υδροστατική δοκιμή: 1,3 × πίεση σχεδιασμού σύμφωνα με ASME VIII-1 UG-99
Χρόνος κράτησης: ελάχιστο 30 λεπτά
Αποδοχή: μηδενική πτώση πίεσης και καμία ορατή διαρροή
Δοκιμή διαρροής με πεπιεσμένο αέρα εάν έχει καθοριστεί: 0,6 MPa αέρας ή άζωτο, ανίχνευση με σαπουνάδα
Αποδοχή ρυθμού διαρροής: ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s σύμφωνα με τη μέθοδο ισοδύναμου ανοίγματος
Τεκμηρίωση ανά Αποστολή
Πιστοποιητικά δοκιμής υλικού σύμφωνα με EN 10204 3.1 ή 3.2
Αναφορά δεδομένων ASME U-stamp εάν ισχύει
Φύλλο δεδομένων TEMA συμπληρωμένο σύμφωνα με το σχέδιο
Έκθεση διαστατικής επιθεώρησης
Έκθεση υδροστατικής δοκιμής με διάγραμμα καταγραφής πίεσης
Εκθέσεις NDE για PT, UT, RT, ή VT όπως πραγματοποιήθηκαν
Προδιαγραφή διαδικασίας συγκόλλησης και αρχείο πιστοποίησης διαδικασίας
Σχέδιο συστοιχίας σωλήνων όπως κατασκευάστηκε
Έκθεση δοκιμής εξαγωγής σωλήνα για το πρώτο τεμάχιο
Λίστα συσκευασίας με διαστάσεις και βάρος αποστολής συστοιχίας
Λίστα Ελέγχου Επιλογής – Συστοιχία Σωλήνων
Τύπος TEMA – Σταθερό φύλλο σωλήνων / Σωλήνας U / Κεφαλή ελεύθερης διαστολής
Εσωτερική διάμετρος κελύφους και διάμετρος φύλλου σωλήνων
Εξωτερική διάμετρος σωλήνα, πάχος τοιχώματος και μήκος
Βήμα σωλήνων και διάταξη – Τριγωνική / Τετράγωνη
Υλικό σωλήνων και υλικό φύλλου σωλήνων
Τύπος σύνδεσης σωλήνα-προς-φύλλο σωλήνων – Πρεσαριστή / Συγκολλητή / Συνδυασμένη
Πίεση σχεδιασμού για την πλευρά των σωλήνων και την πλευρά του κελύφους
Θερμοκρασία σχεδιασμού για την πλευρά των σωλήνων και την πλευρά του κελύφους
Σύνθεση ρευστού και για τις δύο πλευρές – για επαλήθευση συμβατότητας υλικών
Περιθώριο διάβρωσης για σωλήνες και φύλλο σωλήνων
Τύπος και απόσταση διαφραγμάτων – βάσει επιτρεπόμενης πτώσης πίεσης και κριτηρίων δόνησης
Απαιτήσεις NDE και δοκιμών σύμφωνα με τις προδιαγραφές του έργου
Απαίτηση PWHT βάσει υλικού και λειτουργίας
Ποσότητα – ανταλλακτική συστοιχία, εφεδρική συστοιχία ή νέος εξοπλισμός
Δήλωση Περιορισμών Σχεδιασμού – Συστοιχία Σωλήνων
Η συστοιχία σωλήνων υπόκειται στους ακόλουθους περιορισμούς:
Πρέπει να ταιριάζει με τη γεωμετρία του κελύφους, τις διαστάσεις του φύλλου σωλήνων και το μοτίβο φλάντζας του υπάρχοντος εναλλάκτη θερμότητας.
Δεν έχει βαθμολογία για εσωτερική πίεση μέχρι να συναρμολογηθεί με το κέλυφος, τα κανάλια και τις φλάντζες.
Περιεκτικότητα σε στερεά στην πλευρά των σωλήνων άνω του 2% κατά βάρος δεν συνιστάται χωρίς προηγούμενη διήθηση, λόγω κινδύνου διάβρωσης και απόφραξης σωλήνων.
Οι συνδέσεις μόνο πρεσαριστές δεν συνιστώνται για θερμικούς κύκλους άνω των 500 κύκλων ετησίως ή για τοξική λειτουργία.
Οι συστοιχίες σωλήνων U δεν μπορούν να καθαριστούν μηχανικά εσωτερικά στους σωλήνες, απαιτείται χημικός καθαρισμός.
Οι συστοιχίες σταθερού φύλλου σωλήνων ενδέχεται να απαιτούν σύνδεσμο διαστολής κελύφους όταν η διαφορά θερμοκρασίας υπερβαίνει το επιτρεπόμενο όριο.
Για λειτουργία κενού κάτω από 1 kPa απόλυτο, ενδέχεται να απαιτείται πρόσθετη ενίσχυση ή στήριξη σύμφωνα με το ASME VIII-1 UG-29.
Το νερό υδροστατικής δοκιμής για ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα πρέπει να έχει περιεκτικότητα σε χλώριο ≤ 50 ppm για την πρόληψη της ρωγμώδους διάβρωσης υπό τάση.
