Scambiatore di calore a forcella TEMA/ASME
Lo scambiatore di calore a forcina è una configurazione del tipo a fascio tubiero costituita da un fascio tubiero a forma di U racchiuso all'interno di un guscio che include un alloggiamento della curva di ritorno a un'estremità. Il fluido dal lato del guscio entra dalla testa anteriore, scorre lungo la gamba dritta fino alla curva di ritorno, inverte la direzione ed esce dalla testa anteriore. Il fluido dal lato tubo entra attraverso la piastra tubiera anteriore, passa attraverso i tubi a U e ritorna attraverso la stessa piastra tubiera. Questa disposizione produce un flusso in controcorrente a passaggio singolo tra i fluidi lato tubo e lato mantello.
Questo prodotto è progettato e fabbricato in conformità con TEMA (Classe C, B o R) e ASME Sezione VIII Divisione 1 o Divisione 2, con i materiali applicabili selezionati secondo ASME Sezione II.
Tipi di costruzione
Forcina per tubo doppio (tubo singolo)
- Tubo: tubo singolo senza saldature o saldato (diametro esterno da 20 mm a 114 mm), concentrico all'interno di un tubo a guscio più grande
- Guscio: tubo singolo (da DN50 a DN200) che funge da limite di pressione esterno
- Applicazione: aree di servizio piccole (da 1 a 20 m²), servizi ad alta pressione (lato tubo fino a 35 MPa), fluidi puliti su entrambi i lati
- Ispezione: accesso completo alla superficie interna del tubo dalla piastra tubiera anteriore; lato mantello ispezionabile tramite copertura curva di ritorno removibile
Forcina multitubo (più tubi nel guscio)
- Fascio tubiero: tubi multipli (da 4 a 200+) disposti a passo triangolare o quadrato all'interno di un guscio cilindrico
- Mantello: da DN80 a DN600, con un alloggiamento della curva di ritorno all'estremità
- Applicazione: Lavori medio-grandi (da 20 a 500 m²), pressione moderata (lato mantello fino a 10 MPa, lato tubo fino a 20 MPa)
- Supporto del tubo: Piastre deflettori o griglie di supporto completo secondo TEMA RCB-4.2 (lunghezza massima del tubo non supportata: per acciaio al carbonio ≤ 36* diametro esterno del tubo; per acciaio inossidabile ≤ 30* diametro esterno del tubo)
Parametri geometrici (gamma standard)
| Parametro |
Tipo a doppio tubo |
Tipo multitubo |
| Diametro nominale mantello (DN) |
Da DN50 a DN200 |
Da DN80 a DN600 |
| Diametro esterno del tubo |
Da 20 mm a 114 mm |
Da 12 mm a 38 mm |
| Spessore della parete del tubo |
Da 2,0 mm a 8,0 mm (senza cuciture) |
Da 1,5 mm a 3,0 mm (senza giunture o saldato) |
| Lunghezza gamba dritta (per gamba) |
da 2,0 a 10,0 m |
da 2,0 a 12,0 m |
| Raggio di curvatura a U (linea centrale) |
R ≥ 2* diametro esterno del tubo (min. per la pulizia) |
R ≥ 2* diametro esterno del tubo |
| Numero di tubi per fascio |
1 |
Da 4 a 200+ |
| Tipo di guscio TEMA |
N/A (doppio tubo) |
Forcina (guscio di piegatura di ritorno) |
Selezione dei materiali (in base alle condizioni di servizio)
Opzioni del materiale del tubo
- Acciaio al carbonio (SA-106 Gr.B / SA-210 Gr.A1 / 20#): Acqua, olio, gas non corrosivi; temperatura da -20°C a +425°C
- Acciaio inossidabile 304/304L (SA-213 TP304L): fluidi di processo leggermente corrosivi, vapore pulito; cloruro ≤ 200 ppm; temperatura da -196°C a +600°C (declassata oltre 425°C secondo ASME II-D)
- Acciaio inossidabile 316/316L (SA-213 TP316L): acidi organici, soluzioni saline (cloruro ≤ 200 ppm per 316L); temperatura da -196°C a +500°C
- Titanio Gr.2 (SB-338): soluzioni di acqua di mare, salamoia, cloruro fino a 20.000 ppm; temperatura ≤ 230°C
- Duplex 2205 (SA-789 UNS S32205): idrocarburi contenenti cloruro, acqua di mare; cloruro fino a 300ppm a 80°C; temperatura da -40°C a +280°C
Opzioni del materiale del guscio
- Acciaio al carbonio (SA-516 Gr.70): non corrosivo o leggermente corrosivo sul lato del guscio; temperatura di progetto da -20°C a +425°C
- Acciaio inossidabile 304L/316L: mezzi corrosivi sul lato mantello o requisiti di elevata purezza
- Titanio (per il lato del guscio dell'acqua di mare, dove il fluido del lato del guscio è acqua di mare)
Materiali della guarnizione (per intervallo di temperatura)
- Senza amianto/fibra compressa: da -40°C a +250°C, pressione ≤ 4,0 MPa
- Avvolgimento a spirale (SS 304/316 + grafite): da -196°C a +450°C, pressione ≤ 25 MPa (flangia a doppio tubo)
- Guarnizione busta in PTFE: da -40°C a +200°C, per servizi farmaceutici o corrosivi dove la contaminazione è limitata
Intervallo operativo (non esagerato)
| Parametro |
Tipo a doppio tubo |
Tipo multitubo |
| Pressione di progetto (lato tubo) |
Fino a 35 MPa (ASME VIII-2) |
Fino a 20MPa |
| Pressione di progetto (lato mantello) |
Fino a 10MPa |
Fino a 10 MPa (standard); superiore per disegno speciale |
| Temperatura di progetto (lato tubo) |
Da -40°C a +500°C (a seconda del materiale) |
Da -196°C a +500°C (a seconda del materiale) |
| Temperatura di progetto (lato mantello) |
Da -40°C a +450°C (a seconda del materiale) |
Da -40°C a +450°C (a seconda del materiale) |
| ΔT minimo consentito (ingresso tubo/guscio) |
Nessun limite fisso (estremità libera del fascio a U) |
Nessun limite fisso (estremità libera del fascio a U) |
| Velocità massima lato tubo (acqua) |
3,0 m/s (acciaio al carbonio), 4,5 m/s (titanio) |
2,5 m/s (acciaio al carbonio), 4,0 m/s (titanio) |
| Velocità massima sul lato del guscio |
1,5 m/s (corrosivo), 3,0 m/s (pulito) |
1,0 m/s (corrosivo), 2,5 m/s (pulito) |
Parametri di progettazione termica e di flusso
Flusso lato tubo
- Passaggio singolo (tutti i tubi condividono lo stesso ingresso e uscita sulla piastra tubiera anteriore)
- Intervallo di velocità di massa lato tubo: da 300 a 2.500 kg/m²*s (per acqua); inferiore per fluidi viscosi
- Obiettivo del numero di Reynolds: ≥ 10.000 (turbolento) per un servizio pulito; ≥ 4.000 per fluidi viscosi
Flusso lato guscio
- Passaggio singolo (entra nella testa anteriore, attraversa la gamba dritta, inverte al ritorno della curva, attraversa la seconda gamba, esce dalla testa anteriore)
- Intervallo di velocità di massa lato mantello: da 50 a 500 kg/m²*s (gas), da 200 a 1.500 kg/m²*s (liquido)
- Percentuale di taglio del deflettore (deflettori segmentali, se utilizzati): dal 20% al 30% del diametro del guscio
- Spaziatura del deflettore: determinata in base a TEMA RCB-4.2 - la lunghezza massima del tubo non supportato non deve superare il diametro esterno del tubo di 36* per l'acciaio al carbonio; spaziatura selezionata per mantenere la velocità del flusso incrociato e prevenire le vibrazioni del tubo. Intervallo di spaziatura tipico: da 0,2* ID shell a 0,5* ID shell.
Fattore di correzione LMTD
Per la vera configurazione a passaggio singolo in controcorrente, F = 1,0 secondo gli standard TEMA (nessuna limitazione incrociata di temperatura).
Avvicinarsi alla temperatura
Approccio pratico minimo: da 3°C a 5°C (limitato dalla superficie disponibile e dalla NTU; il valore effettivo ottenibile dipende dalla caduta di pressione specificata e dalle proprietà del fluido, non garantite senza simulazione del processo).
Parametri di fabbricazione e saldatura
Giunto tubo-piastra tubiera
- Giunto espanso: espansione idraulica a 160-220 MPa, mantenimento 5-8 secondi. Requisito del test di estrazione (secondo TEMA RCB-4.3): ≥ 20 MPa per tubi in acciaio al carbonio; ≥ 25 MPa per acciaio inossidabile.
- Giunto saldato: saldatura di tenuta (gambo d'angolo 1,5-2,0 mm) più penetrazione completa (per servizi tossici/ad alta pressione). Procedura di saldatura qualificata secondo ASME Sezione IX.
- Combinato (saldatura + espansione): utilizzato per servizio a temperatura ciclica (ciclo termico > 100 cicli) e ad alta pressione (lato tubo > 10 MPa).
Saldatura dell'alloggiamento della piegatura di ritorno
- Tappo piegato di ritorno del guscio: saldatura di testa a piena penetrazione (se tappo permanente) o coperchio imbullonato con guarnizione a spirale (se rimovibile).
- Saldature interne: ispezione visiva (VT) al 100% + test con liquidi penetranti (PT) su saldature d'angolo critiche (secondo ASME VIII-1 UW-50).
Trattamento termico post-saldatura (PWHT)
Richiesto secondo ASME VIII-1 UCS-56 quando:
- Spessore del guscio in acciaio al carbonio > 38 mm (P-No.1, gruppo 1/2) per parti a pressione saldate
- Spessore del materiale del tubo > 19 mm (per l'acciaio inossidabile, è specificata la solubilizzazione dopo la saldatura anziché PWHT)
- Il servizio contiene H₂S umido (secondo NACE MR0175 / ISO 15156) - PWHT a 620±10°C per 1 ora per 25 mm di spessore, minimo 1 ora.
Ispezione e test (per unità)
Controllo dimensionale
- Tolleranza sulla lunghezza complessiva delle gambe: ±3 mm (per gambe dritte) secondo TEMA RCB-8
- Tolleranza del raggio centrale della curva a U: ±1,5 mm per R ≤ 500 mm; ±3mm per R > 500mm
- Spaziatura deflettore/piastra di supporto: ±1,5 mm
- Deviazione del legamento (nastro) del foro del tubo: ≤ ±0,2 mm dal disegno
Esame non distruttivo
- Giunti tubo-piastra tubiera: 100% liquido penetrante (PT) per saldature di tenuta (secondo ASME VIII-1 UW-51)
- Cuciture longitudinali e circonferenziali del guscio: radiografia spot (RT) secondo ASME VIII-1 UW-52 (o radiografia completa se specificata)
- Saldature d'angolo dell'alloggiamento della curva di ritorno: 100% particelle magnetiche (MT) per acciaio al carbonio / PT per acciaio inossidabile
- Ispezione interna del tubo: verifica tramite boroscopio della rettilineità e del passaggio (nessun tubo bloccato) - superata se il 100% dei tubi accetta una sfera di calibro inferiore di 0,5 mm rispetto al diametro interno del tubo.
Test di pressione
- Test idrostatico (acqua): pressione di prova = 1,3 * pressione di progetto * (sollecitazione minima consentita alla temperatura di prova/alla temperatura di progetto), secondo ASME VIII-1 UG-99. Aspetta 30 minuti. Accettazione: nessuna perdita visibile e nessuna caduta di pressione.
- Test pneumatico (opzionale, per servizio a secco o a gas): Pressione di prova = 1,1 * pressione di progetto. Aria compressa o azoto. Controllo delle bolle di sapone su tutte le giunture. Il tasso di perdita non deve superare 1*10⁻⁵ Pa*m³/s per metodo con orifizio equivalente (secondo ASME Appendice VI).
Accesso per la pulizia e la manutenzione
Pulizia lato tubo
- Pulizia meccanica: il pulitore o la spazzola del tubo attraversa l'intera lunghezza del tubo tramite la curva a U. Raggio minimo della curvatura a U R ≥ 2* diametro esterno del tubo richiesto da TEMA RCB-4.52 per il passaggio della spazzola. Si consigliano spazzole standard con diametro interno del tubo OD 0,8*.
Pulizia lato mantello
- Pulizia chimica solo per forcina a fascio fisso (copertura curva di ritorno rimovibile ma fascio non tirabile). La pulizia meccanica del lato guscio tramite le porte di accesso è limitata alle sezioni della gamba dritta; interno curva di ritorno non accessibile da raschiatori meccanici.
- Se il fattore di incrostazione lato mantello > 0,0005 m²*K/W (secondo tabella TEMA), si consiglia uno scambiatore a testa flottante pull-through o a mantello dritto con tubo a U invece dell'hairpin. Per hairpin, frequenza del ciclo di pulizia chimica basata sull'aumento della caduta di pressione: pulire quando il ΔP sul lato mantello supera il ΔP di progetto del 30% o quando l'aumento del ΔP raggiunge 50 kPa (a seconda di quale evento si verifica per primo).
Documentazione fornita per spedizione
- Rapporto dati ASME U-stamp (se applicabile)
- Certificati di prova dei materiali (EN 10204 3.1 o 3.2)
- Specifica della procedura di saldatura (WPS) e registro di qualificazione della procedura (PQR)
- Rapporto di prova di pressione con registrazione su grafico
- Rapporto di controllo dimensionale
- Disegno del fascio tubiero (as-built)
- Rapporto NDE (PT/MT/RT/UT a seconda dei casi)
Dichiarazione sui limiti di progettazione
Lo scambiatore a forcina non è applicabile per:
- Fluidi sul lato mantello con contenuto di solidi > 5% in peso o incrostazioni fibrose che richiedono l'estrazione meccanica del fascio per la pulizia, poiché il fascio a forcina è fisso e non può essere tirato attraverso l'alloggiamento della curva di ritorno.
- Portate di massa lato mantello superiori all'equivalente di 500 kg/s attraverso il mantello DN600 - a causa del singolo passaggio del mantello che causa una caduta di pressione superiore al limite di progettazione tipico di 50-80 kPa (secondo le linee guida TEMA sulla caduta di pressione consentita).
- Servizio di vuoto molto elevato sul lato mantello (< 1 kPa assoluto): l'alloggiamento della curva di ritorno può richiedere anelli di rinforzo aggiuntivi secondo ASME VIII-1 UG-29 per evitare il collasso sotto pressione esterna; consultare la progettazione.
Input di dimensionamento richiesto per il preventivo
Per fornire una progettazione termica e meccanica preliminare, inviare i seguenti dati di processo:
- Nome e composizione del fluido lato tubo (se miscela)
- Nome e composizione del fluido lato shell
- Temperature di ingresso/uscita lato tubo
- Temperature di ingresso/uscita lato mantello
- Caduta di pressione ammissibile lato tubo
- Caduta di pressione ammissibile lato mantello
- Pressione di esercizio lato tubo
- Pressione di esercizio lato mantello
- Ingombro massimo disponibile (lunghezza della gamba dritta, altezza libera)
- Fattori di incrostazione (lato tubo e lato mantello), se noti; in caso contrario verranno applicati i valori TEMA standard
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