La bobina del tubo come superficie primaria di trasferimento di calore
Una bobina di tubo di riscaldamento a fuoco è l'assemblaggio tubolare continuo attraverso il quale scorre il fluido di processo mentre viene riscaldato dai gas di combustione all'interno di un riscaldatore a fuoco.La bobina del tubo è la superficie primaria di trasferimento del calore del riscaldatore a fuoco, che assorbe l'energia termica da radiazione di fiamma (sezione radiante) e convezione di gas di combustione caldi (sezione di convezione).
Il riscaldatore a fuoco è un dispositivo di riscaldamento a fuoco diretto in cui il fluido di processo scorre all'interno dei tubi mentre la combustione del combustibile avviene all'esterno dei tubi.La bobina del tubo è il componente critico contenente la pressione del riscaldatore a combustione e è progettato e fabbricato secondo API 560 (Scaldatori a combustione per il servizio generale di raffinazione), ASME B31.3 (Process Piping) e GB/T 16507 (Water-Tube Boilers) per applicazioni domestiche.
Sezioni di riscaldamento a fuoco
Coil di sezione radiante
La sezione radiante (firebox) è quella in cui il fluido di processo riceve la maggior parte del suo carico termico attraverso la radiazione diretta di fiamma.I tubi nella sezione radiante sono esposti al più alto flusso di calore e temperature del metallo del tubo.
Disposizione dei tubi: verticale (elicoidale o serpentina) o orizzontale (singola o multifila)
Sostegno dei tubi: i tubi radianti sono supportati da appendiabiti, supporti di guida o ancore refrattarie
Flusso di calore: predominante trasferimento di calore radiante; la temperatura del metallo del tubo è in genere di 50°C-100°C superiore alla temperatura di uscita del fluido di processo
Configurazioni comuni:
bobina elicoidale: tubi a spirale attorno alla circonferenza della cassetta del fuoco; comune nei riscaldatori cilindrici
Serpentina: tubi disposti in più passaggi orizzontali o verticali con curve di ritorno che collegano i tubi adiacenti
bobina a passaggio singolo: ogni tubo passa da ingresso a uscita senza curve intermedie
Coil multi-pass: il fluido di processo fa più passaggi attraverso la sezione radiante tramite curve di ritorno
Coil di sezione di convezione
La sezione di convezione si trova sopra la sezione radiante, dove il trasferimento di calore avviene principalmente per convezione forzata da gas di combustione caldi.I tubi nella sezione di convezione funzionano a un flusso di calore inferiore e a temperature del metallo del tubo.
Disposizione dei tubi: file orizzontali o verticali con passo scaglionato o in linea
Superficie estesa: i tubi di convezione sono spesso dotati di pinne o perni per aumentare l'area di trasferimento del calore
Tubi a scudo: le prime 2 ̊3 file di tubi di convezione esposti al calore radiante della cassetta del fuoco sono in genere nude (senza pinne) per evitare danni alle pinne dall'esposizione ad alta temperatura
Tipologie di tubi comuni: tubi nudi, tubi a pinna, tubi a puntini
Transition / Crossover Piping
Le condotte incrociate collegano l'uscita della sezione di convezione all'ingresso della sezione radiante (o viceversa), in genere situata al di fuori dell'involucro del riscaldatore.I tubi incrociati devono consentire l'espansione termica tra le sezioni.
Parametri di progettazione della bobina Per API 560 / ASME B31.3
| Parametro | Distanza | Standard / Nota |
|---|---|---|
| Dose eccessiva di tubo | 50.8mm 273.1mm (2" 10.75") | Per API 560 Tabella 4 |
| Spessore della parete del tubo | 30,0 mm 25,0 mm | Per API 530 (calcolo dello spessore del tubo) |
| Lunghezza del tubo (per sezione retta) | 3.0m 15.0m | Limitato al trasporto e alla movimentazione |
| Pressione di progetto | Fino a 35 MPa | Per ASME B31.3 / API 560 |
| Temperatura di progettazione (metallo del tubo) | Fino a 590°C | Materiale dipendente; Cr-Mo per > 425°C |
| Limitazione alla corrosione | Per API 560 7.1.2 | Specifica minima per acquirente |
| Passaggio del tubo (centro-centro) | 2 × tubo OD (radio corto standard) | Per API 560 Tabella 4 |
| Flusso termico massimo ammissibile | Per API 560 / progettazione della sezione radiante | Determina la temperatura del metallo del tubo |
Selezione del materiale Materiali per bobine di tubi (secondo la tabella 5 dell'API 560)
Acciai al carbonio
| Grado | Specificità | Temperatura massima | Applicazione |
|---|---|---|---|
| SA-106 Gr.B / SA-192 | ASTM A106 / A192 | ~425°C | Servizio generale di raffinazione, temperatura moderata |
| SA-210 Gr.A1 | ASTM A210 | ~425°C | Servizio di caldaie e tubi di riscaldamento |
| 20# | GB 9948 | ~425°C | Norma nazionale per il servizio di cracking del petrolio |
Acciai in lega di cromo-molibdeno
| Grado | Composizione | Temperatura massima | Applicazione |
|---|---|---|---|
| SA-209 T1a | 0.5Cr-0.5Mo | ~540°C | Temperatura moderatamente elevata |
| SA-213 T11 | 1.25Cr-0.5Mo | ~ 590°C | Tubi per riscaldamento delle raffinerie; resistenza moderata al sollevamento |
| SA-213 T22 | 2.25Cr-1Mo | ~ 590°C | Hydrocracker, riformatore, ad alta temperatura/alta pressione |
| SA-213 T5 | 5Cr-0,5Mo | ~ 590°C | Servizio corrosivo ad alta temperatura |
| SA-213 T9 | 9Cr-1Mo | ~ 590°C | Servizio erosivo ad alta temperatura |
| SA-213 T91 | 9Cr-1Mo-V | ~ 590°C | Servizio avanzato di scarico ad alta temperatura |
Acciai inossidabili austenitici
| Grado | Temperatura massima | Applicazione |
|---|---|---|
| TP304H / TP321H | ~ 600°C | Temperatura elevata, resistenza alla corrosione, resistenza al sollevamento |
| TP316L | ~ 450°C | Servizio contenente cloruro (moderato) |
| TP347H | ~ 600°C | Resistenza al sollevamento ad alte temperature; grado stabilizzato |
| SUS310S | ~ 700°C | Resistenza all'ossidazione ad altissime temperature |
Leghe di nichel
| Grado | Temperatura massima | Applicazione |
|---|---|---|
| Leghe 800H / 800HT | ~ 600°C | Servizio corrosivo ad alta temperatura; gas acido |
Configurazione della bobina
Secondo l'API 560, i supporti dei tubi sono necessari per mantenere l'allineamento del tubo e prevenire l'affacciamento o le vibrazioni:
Sezione radiante: appendiabiti per tubi (per tubi verticali), supporti di guida (per tubi orizzontali) o ancorature refrattarie
Sezione di convezione: piastre di supporto o fogli di tubi con fori per accogliere i tubi
Distanza tra i supporti: Determinata dalla dimensione del tubo, dal materiale e dalla temperatura di funzionamento
Guida del tubo: consentire l'espansione termica assiale limitando il movimento laterale
Gestione dell'espansione termica
Le bobine di riscaldamento a fuoco presentano una significativa espansione termica a causa dei differenziali di temperatura tra le condizioni di avvio e di funzionamento
L'espansione è realizzata attraverso:
Curve di ritorno: accessori a forma di U che assorbono l'espansione differenziale tra tubi adiacenti
Cicli di espansione: configurazioni di tubazioni che assorbono l'espansione assiale
Supporti guidati: consentono di far scorrere i tubi azionalmente mantenendo l'allineamento
Manifold galleggianti: intestazioni che si muovono con la bobina per assorbire l'espansione
Superficie estesa ️ pinne e puntini (sezione di convezione)
Per aumentare il trasferimento di calore nella sezione di convezione, i tubi sono spesso dotati di superficie estesa:
| Tipo di superficie estesa | Descrizione | Applicazione |
|---|---|---|
| Tubo a pinne | Velli a elica saldate o estruse sul tubo OD | Sezione di convezione; aumenta la superficie di 5×10 |
| tubi a spillo | di larghezza superiore a 50 mm | Servizio di inquinamento; consente di soffiare la fuliggine senza danneggiare le pinne |
| Pinna seghettata | Apparecchiature per la produzione di energia elettrica | Servizio di convezione ad alta efficienza |
Parametri tipici delle pinne e dei bastoni:
Altezza delle pinne: 12 mm 25 mm
Distanza tra le pinne: 4 12 pinne per pollice (FPI)
Materiale delle pinne: acciaio al carbonio, acciaio inossidabile o acciaio legato
Materiale per le canne: in genere lo stesso del materiale per tubi o di una lega compatibile
Fenditure di ritorno connessioni a bobina
Le curve di ritorno collegano i tubi adiacenti in bobine multipass, invertendo la direzione del flusso di 180°:
Localizzazione: all'interno della cassetta di accensione (sezione radiante) o all'interno di una cassetta di accensione (compartimento isolato al di fuori della cassetta di accensione)
Pressione e temperatura di progettazione: curve di ritorno all'interno della cassetta di accensione, identiche a quelle dei tubi di collegamento; all'interno della casella di intestazione, stessa pressione di progettazione, temperatura del fluido +30°C
Spessore: almeno lo stesso spessore dei tubi di collegamento
Fittings: non devono essere utilizzati accessori saldatisi longitudinalmente
Norme: SH/T 3065 (Ritorno a curva del riscaldatore tubulare petrolchimico), ASME B16.9
Dimensioni della curva di ritorno centro-centro (secondo la tabella 4 dell'API 560):
| OD del tubo (mm) | Intestazione Centro-Centro (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 |
Testazioni e manifesti
Le intestazioni (collettori di ingresso e di uscita) distribuiscono il fluido di processo verso e dal tubo:
Capo di presa: tappe rimovibili per l'accesso ai tubi; utilizzate per il servizio di pulizia
Coperture di piastre di copertura: coperture a bullone per l'accesso completo del tubo; utilizzate per il servizio di inquinamento
Cappelle per varietà di tubi: costruzione saldata; utilizzate per il servizio ad alta pressione
Pressione di progettazione: uguale a quella dei tubi di collegamento
Temperatura di progettazione: temperatura del fluido in tale posizione +30°C per l'installazione della casella dell'intestazione
Processo di fabbricazione
Preparazione di tubi: tubi tagliati in lunghezza; estremità bisellate secondo la norma ASME B16.25 per la saldatura a nastri
Attachamento a curva di ritorno: curve di ritorno saldate alle estremità del tubo (radice GTAW + riempimento SMAW) per ASME Sezione IX
Saldatura a pinne/pinne: pinne o pinne saldate a tubi di convezione (saldatura ad alta frequenza o saldatura a resistenza)
Fabbricazione a bobina: tubi montati in fila e fissati a supporti
Attrezzatura per le testate: testate saldate all'entrata/uscita della bobina
PWHT: richiesto per leghe Cr-Mo e sezioni in acciaio al carbonio a parete spessa (per ASME B31.3 / API 560)
Prova idrostatica: 1,5 × pressione di progettazione (secondo API 560 / ASME B31.3)
Applicazione refrattaria/isolatrice: applicata a involucri e supporti di tubi (installati sul campo)
Ispezione e collaudo (secondo API 560 / ASME B31.3)
Esame non distruttivo (NDE)
| Esame | Metodo | Portata | Criteri di accettazione |
|---|---|---|---|
| Superficie del tubo | PT o MT | 100% di saldature e pieghe | Per ASME / API 560 |
| Saldature a poppa | RT o UT | 100% (secondo API 560 / ASME B31.3) | Per ASME sezione VIII / B31.3 |
| Saldature a piega di ritorno | PT + RT | 100% | Per SH/T 3065 / ASME B16.9 |
| Saldature a pinna/sottovoce | Prova visiva + trazione | Campione per lotto | Nessuna fessura; forza di trazione ≥ specificata |
| Dimensioni | Modello / CMM | Per disegno della bobina | Per ASME B16.9 / SH/T 3065 |
| PMI | Spettometro XRF | 100% dei lotti di materiale | Certificato di corrispondenza |
Prova idrostatica
Pressione di prova: 1,5 × pressione di progettazione (secondo API 560 / ASME B31.3)
Medio di prova: acqua pulita con inibitore della corrosione
Tempo di attesa: ≥ 30 minuti
Accettabilità: nullo calo di pressione; nessuna perdita visibile in qualsiasi saldatura o montaggio
Prova di perdita pneumatica (se specificata)
Pressione di prova: aria o azoto di 0,6 MPa
Determinazione delle perdite: spettrometria di massa a bolla di sapone o di elio
Accettazione: Nessuna bolla; tasso di fuga ≤ 1×10−5 Pa·m3/s
Profili di applicazione Configurazioni delle bobine per tipo di riscaldatore
Caldaia cilindrica (verticale)
Tipo di bobina: bobina radiante elicoidale + bobina di convezione orizzontale
Disposizione dei tubi: tubi verticali in cerchi concentrici; curve di ritorno in alto e in basso
Applicazione: riscaldatori di piccole e medie raffinerie; ribotterie; riscaldatori di processo
Scaldabagno (orizzontale)
Tipo di bobina: bobina radiante serpentina (passaggi orizzontali o verticali) + bobina di convezione orizzontale
Disposizione dei tubi: tubi in più file; curve di ritorno nelle caselle di intestazione al di fuori della casella di accensione
Applicazione: grandi apparecchi di riscaldamento delle raffinerie; apparecchi di riscaldamento del greggio; apparecchi di riscaldamento a vuoto
Scaldacamere a doppio fuoco / multicellulare
Tipo di bobina: doppia sezione radiante con una sezione di convezione comune
Disposizione dei tubi: tubi sparati da entrambi i lati
Applicazione: riscaldatori per raffinerie ad alta capacità; forni riformatori
Scaldaie speciali
Fornaci per riformatori: tubi carichi di catalizzatori (verticali) con curva in U; materiali in lega ad alta temperatura
Forno di cracking dell'etilene: tubi di alta lega con geometria di bobina specializzata
Forno di produzione di idrogeno: tubi riformatori con catalizzatore; servizio di idrogeno ad alta pressione
Documentazione per spedizione
Certificati di prova dei materiali (EN 10204 3.1 o 3.2) tubature, accessori, testate, pinne/tordini
Fogli di dati API 560 / ASME B31.3
Rapporto di ispezione dimensionale (DO del tubo, spessore della parete, passo, raggio di curvatura, centro-centro)
Rapporti di NDE ‡ PT/MT/RT/UT/PMI, a seconda dei casi
Rapporto di prova idrostatica (con registrazione della pressione e del tempo)
Rapporto di prova di perdita pneumatica (se eseguito)
Specifica della procedura di saldatura (WPS) e record di qualificazione della procedura (PQR)
Grafico PWHT (registrazione tempo-temperatura)
Disegno della bobina come costruita con numero di tubi, configurazione del passaggio, dimensioni dell'intestazione
Procedura di saldatura delle pinne/sottili e registrazione delle prove di trazione (se con pinne/sottili)
Lista di controllo di selezione
Tipo di riscaldatore cilindrico / scatola / a doppio fuoco / riformatore / cracking
Sezione di bobina Radiante / Convezione / Entrambi
OD e spessore della parete del tubo Per API 560 / ASME B31.3
Grado del materiale del tubo CS / Cr-Mo / SS / lega per API 560 Tabella 5
Pressione e temperatura di progettazione Per API 560 / ASME B31.3
Configurazione della bobina Serpentine / Helical / Single-pass / Multi-pass
Numero di passaggi Determina la quantità e la disposizione della curva di ritorno
Richiesta di superficie estesa ️ nuda / con pinne / con puntini ️ specificare i parametri delle pinne/del puntino
Tipo di curva di ritorno
Tipo di intestazione Plug / cover-plate / manifold per tubi
Permetto di corrosione Per API 560 7.1.2
Requisito PWHT Basato sul materiale e sullo spessore
Requisito di NDE per API 560 o specifica del progetto
Metodo di pulizia: decollaggio a vapore/aria / pigging meccanico
Dichiarazione relativa alle limitazioni di progettazione √ bobina del tubo di riscaldamento a fuoco
La bobina del tubo di riscaldamento è soggetta alle seguenti limitazioni:
È indicato solo per la pressione e la temperatura di progetto specificate sul foglio dati; il funzionamento al di fuori di questi limiti annulla il progetto
La temperatura del metallo del tubo non deve superare la temperatura massima di servizio ammissibile del materiale alla pressione di progettazione specificata
Non devono essere utilizzati accessori saldati longitudinalmente (curve di ritorno) secondo l'API 560 8.3.4
La bobina deve essere progettata per l'espansione termica; un'adeguata accomodamento di espansione porta a distorsione del tubo, danni al supporto o guasto della saldatura
Non adatto a fluidi con un elevato contenuto di solidi (> 2% in peso) senza selezione di materiali resistenti all'erosione o maggiore spessore della parete
I tubi a pinne/piatti nelle sezioni di convezione richiedono soffiatura o pulizia della fuliggine per mantenere le prestazioni; l'inquinamento aumenta il calo di pressione e riduce il trasferimento di calore
La sostituzione della bobina richiede un'adeguata corrispondenza con la geometria del riscaldatore esistente (dislivello del tubo, configurazione del passaggio, dimensioni dell'intestazione)
