Fascio tubiero come gruppo primario di trasferimento del calore
Un fascio tubiero è il gruppo di trasferimento del calore del nucleo di uno scambiatore di calore a fascio tubiero. È costituito da tubi, piastre tubiere, deflettori o piastre di supporto, tiranti, distanziatori e componenti associati. Il fascio separa il fluido lato tubo dal fluido lato mantello e fornisce la superficie di trasferimento del calore tra i due flussi.
Un fascio tubiero può essere fornito come fascio sostitutivo, fascio di riserva o gruppo completo per nuovi scambiatori di calore. È progettato e prodotto secondo TEMA Classe C, B o R, ASME Sezione VIII Divisione 1 o Divisione 2 e GB/T 151 per applicazioni domestiche.
Tipi di fasci tubieri – Classificazione strutturale
Fascio di piastre tubiere fisse (TEMA L / M / N)
I tubi sono fissati su entrambe le estremità in piastre tubiere fisse. Le piastre tubiere sono saldate o imbullonate al guscio. L'espansione termica è compensata da un giunto di dilatazione sul guscio quando la differenza di temperatura tra tubi e guscio supera il limite consentito per la combinazione di materiali.
Applicazione tipica: fluidi puliti sul lato mantello, differenziale di temperatura moderato, servizio senza incrostazioni.
Pacchetto tubo a U (TEMA U)
I tubi sono piegati a forma di U ed entrambe le estremità sono fissate a un'unica piastra tubiera. Ciascun tubo si espande in modo indipendente, quindi non è necessario alcun giunto di dilatazione del guscio per grandi differenze di temperatura.
Applicazione tipica: differenziale termico elevato, servizio con gas ad alta pressione, servizio con idrogeno, condizioni di shock termico.
Limitazione: i singoli tubi non possono essere puliti meccanicamente dall'interno; è necessaria la pulizia chimica.
Pacchetto testa flottante (TEMA P/S/T/W)
Una piastra tubiera è fissa e l'altra è libera di muoversi con l'espansione termica. La testata posteriore è asportabile, permettendo l'estrazione del fardello per la pulizia meccanica.
Applicazione tipica: servizio con incrostazioni severe, ampio differenziale di temperatura, elevato fattore di incrostazione sul lato mantello.
Componenti principali: specifiche
Tubi
| Parametro | Allineare | Note |
|---|---|---|
| Diametro esterno del tubo | 12,7 mm – 50,8 mm | OD più piccolo per una pressione più elevata; diametro esterno maggiore per il servizio di incrostazione |
| Spessore della parete del tubo | 0,9 mm – 5,0 mm | Selezionato secondo ASME VIII-1 UG-27 |
| Lunghezza del tubo | 1,5 – 12,0 metri | Le lunghezze standard includono 2,44 m, 4,88 m, 6,10 m, 9,75 m |
| Passo del tubo | 1,25 × – 2,0 × diametro esterno del tubo | Passo triangolare per un maggiore trasferimento di calore; passo quadro per pulizia meccanica |
| Disposizione dei tubi | Triangolare (30°/60°) / Quadrato (90°/45°) | Il triangolare offre una superficie maggiore per sezione trasversale del guscio |
Fogli tubieri
| Parametro | Intervallo/valore | Note |
|---|---|---|
| Spessore | 15 mm – 350 mm | Secondo ASME VIII-1 Appendice AA / TEMA RCB-4.3 |
| Tolleranza del diametro del foro | H11 secondo ISO 286 | Esempio: Ø25,2 mm +0,13/0 |
| Finitura del foro | Ra ≤ 1,6 μm per giunti dilatati; Ra ≤ 3,2 μm per giunti saldati | Finitura più fine richiesta per l'espansione |
| Larghezza del legamento | Minimo 0,8 × diametro del foro | Secondo ASME VIII-1 Appendice A |
| Materiale | CS / SS / Duplex / Ti / Lega / Rivestito | Abbinato ai fluidi lato tubo e lato mantello |
Deflettori e Piastre di Supporto
| Parametro | Intervallo/valore | Note |
|---|---|---|
| Tipo deflettore | Segmentale/Doppio segmento/Elicoidale/Supporto completo | Taglio segmentato tipicamente 20% – 35% |
| Spaziatura del deflettore | 0,2 × – 1,0 × ID shell | Basato sulla lunghezza del tubo non supportata e sulla velocità del flusso incrociato |
| Lunghezza massima del tubo non supportata | CS: ≤ 36 × diametro esterno del tubo; SS: ≤ 30 × diametro esterno del tubo | Secondo TEMA RCB-4.2 |
| Spessore del deflettore | 3,0 mm – 16 mm | In base al differenziale di pressione e alla portata del supporto |
| Diametro tirante | M8 – M24 o equivalente | Minimo 4 tiranti per fascio |
Selezione dei materiali: tubi e piastre tubiere
Materiali dei tubi
| Materiale | Specifica | Intervallo di temperatura | Limite di cloruro | Applicazione |
|---|---|---|---|---|
| Acciaio al carbonio | SA-179 / SA-106 Gr.B / 20# | Da -20°C a +425°C | Non applicabile | Acqua, olio, vapore, idrocarburi puliti |
| Acciaio inossidabile 304L/304 | ASTM A213TP304L | Da -196°C a +600°C | ≤ 200 ppm | Fluidi leggermente corrosivi, vapore pulito, per uso alimentare |
| Acciaio inossidabile 316L/316 | ASTM A213TP316L | Da -196°C a +500°C | ≤ 200 ppm | Acidi organici, soluzioni saline, idrocarburi contenenti cloruri |
| Duplex 2205 | ASTM A789 S32205 | Da -40°C a +280°C | ≤ 300ppm a 80°C | Offshore, acqua di mare, servizio CO₂/H₂S |
| Titanio Gr.2 | ASTM B338 | Da -40°C a +230°C | Fino a 20.000 ppm | Ambienti con acqua di mare, salamoia e ad alto contenuto di cloruri |
| Rame-nichel C70600 | ASTM B111 | Da -40°C a +200°C | < 500 ppm | Acqua di raffreddamento marina, acqua salmastra |
| Lega 625/825/800H | ASTM B163/B444 | Da -196°C a +600°C | Fino a 500 ppm | Servizio corrosivo ad alta temperatura, gas acido |
Materiali delle piastre tubiere
Acciaio al carbonio SA-516 Gr.70 per fluidi lato tubo non corrosivi
Rivestimento inossidabile su acciaio al carbonio per servizio corrosivo con alta pressione; spessore rivestimento minimo 3 mm
Solido acciaio inossidabile 304L/316L per un servizio completamente corrosivo
Duplex o titanio per servizi offshore e in acqua di mare
Rivestimento in lega come Inconel 625 per servizi severi con acidi o cloruri
Tipi di giunti tubo-piastra tubiera
| Tipo di giunto | Metodo | Forza di estrazione | Servizio applicabile |
|---|---|---|---|
| Solo espanso | Espansione idraulica a 160–220 MPa, durata 5–8 s | ≥ 20 MPa per CS; ≥ 25 MPa per SS | Fluidi atossici, non ciclici e puliti |
| Solo saldato | Saldatura d'angolo GTAW, gamba 1,5–2,0 mm | Ritenzione meccanica solo dalla saldatura | Gas ad alta pressione, servizio idrogeno |
| Saldare + espandere | Saldatura di tenuta più espansione idraulica a 160–200 MPa | ≥ 25MPa | Servizio termico ciclico, alta pressione, fluidi tossici |
| Saldatura a piena penetrazione | GTAW penetrazione completa | ≥ 30MPa | Pressione estrema, idrogeno, elevato fattore di sicurezza |
Processo di fabbricazione – Controlli chiave
Foratura di piastre tubiere
Dimensioni della punta da trapano controllate secondo la tolleranza H11 secondo ISO 286
Deviazione del legamento ≤ ±0,2 mm dal disegno
Finitura superficiale del foro Ra ≤ 1,6 μm per giunti dilatati
Tutti i fori sono sbavati su entrambe le facce e puliti prima dell'inserimento del tubo
Espansione del tubo
Pressione di espansione idraulica 160–220 MPa; tenere premuto il tempo per 5-8 secondi
Profondità di espansione minima 1,5 × diametro esterno del tubo o 2 × spessore della parete del tubo nella piastra tubiera
Controllo del calibro post-espansione: il 100% dei tubi accetta una sfera di calibro più piccola di 0,5 mm rispetto al diametro interno del tubo
Test di estrazione sul primo articolo per pacco
Saldatura tubo-piastra tubiera
Processo GTAW, automatico o manuale
Altezza gamba d'angolo 1,5–2,0 mm per saldatura di tenuta
Penetrazione completa della radice di saldatura ≥ 0,5 mm nella parete del tubo
Test al 100% con liquidi penetranti secondo ASME VIII-1 UW-51
Procedura di saldatura qualificata secondo ASME Sezione IX
Trattamento Termico Post Saldatura
Necessario quando lo spessore della piastra tubiera in acciaio al carbonio supera 38 mm
Richiesto quando il servizio contiene H₂S umido secondo NACE MR0175/ISO 15156
Ciclo PWHT tipico: 620°C ± 10°C, mantenimento 1 ora per 25 mm di spessore, minimo 1 ora
Velocità di raffreddamento controllata da ≤ 50°C/ora a 400°C
Ispezione e test per pacchetto
Controllo dimensionale
| Articolo | Tolleranza | Metodo |
|---|---|---|
| Diametro esterno del tubo | ±0,11 mm secondo ASTM B730 | Micrometro |
| Spessore della parete del tubo | ±10% del nominale | Misuratore ad ultrasuoni |
| Lunghezza del pacco | ±1,5 mm per TEMA RCB-8 | Metro a nastro o laser |
| Spaziatura del deflettore | ±1,5 mm | Calibro o modello |
| Deviazione del legamento del foro | ≤±0,2 mm | Comparatore ottico |
| Raggio di curvatura a U | R ≥ 2 × diametro esterno del tubo | Calibro del modello |
Esame non distruttivo
Saldature tubo-piastra tubiera: test con liquidi penetranti al 100% secondo ASME VIII-1 UW-51
Rivestimento della piastra tubiera: test a ultrasuoni al 100% per l'integrità del legame secondo ASME VIII-1 UW-13
Superficie interna del tubo: ispezione periscopica su campione casuale; Il 100% dei tubi supera la sfera del calibro
Tubi alettati, se applicabile: ispezione visiva per alette allentate o mancanti
Test di pressione
Test idrostatico: 1,3 × pressione di progetto secondo ASME VIII-1 UG-99
Tempo di attesa: minimo 30 minuti
Accettazione: caduta di pressione pari a zero e nessuna perdita visibile
Test di tenuta pneumatica se specificato: 0,6 MPa aria o azoto; rilevamento bolle di sapone
Accettazione del tasso di perdita: ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s per metodo con orifizio equivalente
Documentazione per spedizione
Certificati di prova dei materiali secondo EN 10204 3.1 o 3.2
Rapporto dati ASME U-stamp, se applicabile
Scheda tecnica TEMA completata per progetto
Rapporto di controllo dimensionale
Rapporto di prova idrostatica con grafico di registrazione della pressione
Rapporti NDE per PT, UT, RT o VT come eseguiti
Specifiche della procedura di saldatura e registro delle qualifiche della procedura
Disegno as-built del fascio tubiero
Rapporto di prova di estrazione del tubo per il primo articolo
Lista di imballaggio con dimensioni e peso della spedizione del pacco
Lista di controllo per la selezione – Fascio tubiero
Tipo TEMA – Piastra tubiera fissa / Tubo a U / Testa flottante
Diametro interno del guscio e diametro della piastra tubiera
Diametro esterno del tubo, spessore della parete e lunghezza
Passo e disposizione dei tubi – Triangolare/Quadrato
Materiale del tubo e materiale della piastra tubiera
Tipo di giunto tubo-piastra tubiera – Espanso / Saldato / Combinato
Pressione di progetto per lato tubo e lato mantello
Temperatura di progetto per lato tubo e lato mantello
Composizione del fluido per entrambi i lati – per verificare la compatibilità dei materiali
Tolleranza alla corrosione per tubi e piastre tubiere
Tipo e spaziatura del deflettore: in base alla caduta di pressione consentita e ai criteri di vibrazione
NDE e requisiti di test in base alle specifiche del progetto
Requisito PWHT basato su materiale e servizio
Quantità: pacchetto sostitutivo, pacchetto di riserva o nuova attrezzatura
Dichiarazione di limitazione di progettazione – Fascio tubiero
Il fascio tubiero è soggetto alle seguenti limitazioni:
Deve corrispondere alla geometria del mantello, alle dimensioni della piastra tubiera e al modello della flangia dello scambiatore di calore esistente.
Non è classificato per la pressione interna finché non viene assemblato con guscio, canali e flange.
Un contenuto di solidi sul lato del tubo superiore al 2% in peso non è consigliato senza filtrazione a monte, a causa del rischio di erosione e di blocco del tubo.
I giunti solo espansi non sono consigliati per cicli termici superiori a 500 cicli all'anno o per servizi tossici.
I fasci di tubi ad U non possono essere puliti meccanicamente all'interno dei tubi; è necessaria la pulizia chimica.
I fasci di piastre tubiere fisse possono richiedere un giunto di dilatazione a guscio quando il differenziale di temperatura supera il limite consentito.
Per il servizio con vuoto inferiore a 1 kPa assoluto, potrebbe essere necessario un ulteriore irrigidimento o supporto in conformità con ASME VIII-1 UG-29.
L'acqua per l'idrotest dell'acciaio inossidabile austenitico deve avere un contenuto di cloruro ≤ 50 ppm per prevenire la tensocorrosione.
