Nieruchome dno sitowe jako stała granica ciśnieniowa
Nieruchome dno sitowe (zwane również stałym dnem sitowym) to element ciśnieniowy znajdujący się na stałym końcu płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła. Pełni funkcję głównej bariery między płynami po stronie rurkowej i płaszczowej, zapewnia podparcie konstrukcyjne dla wiązki rur oraz przenosi obciążenia z rur na kołnierz płaszcza lub głowicę (komorę). W konstrukcji ze stałym dnem sitowym (typy TEMA L, M lub N) oba dna sitowe są nieruchome i przyspawane lub przykręcone śrubami bezpośrednio do płaszcza, z rurami zamocowanymi na obu końcach.
Produkt ten jest wytwarzany z kutej stali nierdzewnej zgodnie z ASTM A182 / ASME SA182 – specyfikacją obejmującą kute lub walcowane kołnierze rur ze stali nierdzewnej austenitycznej, kute łączniki, zawory oraz części do pracy w wysokich temperaturach i środowiskach korozyjnych. Nieruchome dno sitowe jest projektowane i produkowane zgodnie z ASME Section VIII Division 1 Appendix AA (procedura projektowania stałych den sitowych), TEMA klasa R/B/C oraz GB/T 151 do zastosowań krajowych.
Gatunki materiałów – stale nierdzewne ASTM/ASME A/SA 182
Do produkcji nieruchomych den sitowych dostępne są następujące cztery gatunki austenitycznej stali nierdzewnej. Każdy z nich oferuje odmienną odporność na korozję, wytrzymałość temperaturową oraz charakterystykę stabilizacji.
ASTM/ASME A/SA 182 F304 (UNS S30400)
Typ: stal nierdzewna austenityczna 18Cr‑8Ni (standardowa zawartość węgla)
Główne właściwości: wysoka wytrzymałość, dobra odporność na utlenianie, ogólna odporność korozyjna
Granica plastyczności (min.): 205 MPa
Wytrzymałość na rozciąganie (min.): 515 MPa
Maksymalna temperatura pracy: do 538°C (praca okresowa), 816°C (praca ciągła)
Temperatura topnienia: 1400 – 1450°C
Zastosowanie: ogólne procesy chemiczne, środowiska bezchlorkowe, umiarkowane temperatury
Ograniczenia: ryzyko uczulenia (sensytyzacji) w konstrukcjach spawanych powyżej 425°C; niezalecana dla grubości spawanych powyżej 16 mm bez stabilizacji
ASTM/ASME A/SA 182 F316L (UNS S31603)
Typ: stal nierdzewna austenityczna 16Cr‑10Ni‑2Mo (niska zawartość węgla – maks. 0,030%)
Główne właściwości: dodatek molibdenu poprawia odporność na korozję wżerową i szczelinową; niska zawartość węgla zapobiega korozji międzykrystalicznej po spawaniu
Granica plastyczności (min.): 170 MPa
Wytrzymałość na rozciąganie (min.): 485 MPa
Maksymalna temperatura pracy: do 425°C (opublikowane naprężenia dopuszczalne ASME); praca ciągła do 870°C, zakres roboczy od -196°C do 450°C
Twardość: ≤ 200 HB
Zastosowanie: przemysł petrochemiczny, morski, farmaceutyczny, spożywczy – obsługa kwasów, zasad, soli, wody morskiej
Limit chlorków: ≤ 200 ppm przy długotrwałej pracy
Ograniczenia: nieodpowiednia powyżej 450°C – naprężenia dopuszczalne znacznie spadają w wyższych temperaturach
ASTM/ASME A/SA 182 F321 (UNS S32100)
Typ: stal nierdzewna austenityczna 18Cr‑10Ni‑Ti stabilizowana tytanem
Główne właściwości: tytan wiąże węgiel (Ti ≥ 5 × (C+N)), zapobiegając wydzielaniu węglików chromu w strefie wpływu ciepła podczas spawania
Granica plastyczności (min.): 205 MPa
Wytrzymałość na rozciąganie (min.): 515 MPa
Wydłużenie (min.): 30%
Maksymalna temperatura pracy: odporność na utlenianie do 815°C; wyższa wytrzymałość na pełzanie i zerwanie przy pełzaniu niż w przypadku F304 i F304L
Temperatura przesycania: 950 – 1120°C, a następnie szybkie chłodzenie (hartowanie w wodzie)
Zastosowanie: spawane elementy wymienników ciepła, praca w podwyższonych temperaturach (425°C – 540°C), odporność na korozję międzykrystaliczną po spawaniu
Ograniczenia: nieodpowiednia powyżej 538°C, chyba że poddana obróbce cieplnej w temperaturze co najmniej 1095°C
ASTM/ASME A/SA 182 F316Ti (UNS S31635)
Typ: stal nierdzewna austenityczna 16Cr‑10Ni‑2Mo‑Ti stabilizowana tytanem
Główne właściwości: łączy odporność na korozję wżerową stali 316L (zawartość Mo) ze stabilizacją tytanem; jest odporna na korozję międzykrystaliczną, która występuje, gdy w standardowej stali 316L dochodzi do wydzielania węglików chromu podczas spawania lub długotrwałej ekspozycji cieplnej powyżej 450°C
Granica plastyczności (min.): 205 MPa
Wytrzymałość na rozciąganie (min.): 515 MPa
Wydłużenie (min.): 30%
Przewężenie (min.): 40%
Zakres temperatur roboczych: od -196°C do 700°C
Zastosowanie: wysokotemperaturowe wymienniki ciepła, środowiska korozyjne wymagające zarówno odporności na korozję dzięki Mo, jak i stabilizacji Ti
Ograniczenia: wyższy koszt niż w przypadku F316L; dodatek Ti poprawia wytrzymałość w wysokich temperaturach, lecz w pewnych warunkach może obniżać ciągliwość
Porównanie materiałów – kluczowe parametry doboru
| Właściwość | F304 | F316L | F321 | F316Ti |
|---|---|---|---|---|
| UNS | S30400 | S31603 | S32100 | S31635 |
| Węgiel (maks.) | 0,08% | 0,030% | 0,08% | 0,08% |
| Chrom | 18,0 – 20,0% | 16,0 – 18,0% | 17,0 – 19,0% | 16,0 – 18,0% |
| Nikiel | 8,0 – 11,0% | 10,0 – 14,0% | 9,0 – 12,0% | 10,0 – 14,0% |
| Molibden | — | 2,00 – 3,00% | — | 2,00 – 3,00% |
| Stabilizacja | Brak | Brak | Ti ≥ 5×(C+N) | Ti ≥ 5×(C+N) |
| Granica plastyczności (min. MPa) | 205 | 170 | 205 | 205 |
| Wytrzymałość na rozciąganie (min. MPa) | 515 | 485 | 515 | 515 |
| Maks. temp. (°C) | 538 | 425 | 538 | 700 |
| Odporność na korozję wżerową | Umiarkowana | Dobra (Mo) | Umiarkowana | Dobra (Mo) |
| Ryzyko sensytyzacji | Wysokie (spawane) | Niskie (niski C) | Bardzo niskie (Ti) | Bardzo niskie (Ti) |
Konstrukcja stałego dna sitowego – ASME VIII-1 Appendix AA
Nieruchome dno sitowe w wymienniku ze stałym dnem sitowym (typy TEMA L, M, N) jest projektowane zgodnie z ASME Section VIII Division 1 Appendix AA – Nonmandatory Tubesheet Design Procedure (Niezobligatoryjna procedura projektowania den sitowych).
Kluczowe parametry projektowe
| Parametr | Opis | Podstawa obliczeń |
|---|---|---|
| Efektywne ciśnienie projektowe (P) | Różnica ciśnień po stronie płaszcza i rur | Wg TEMA RCB-7.163 – 7.165 |
| Współczynnik osłabienia ścianki (η) | (p – d) / p (podziałka trójkątna) | Wg ASME VIII-1 Appendix A |
| Grubość (t) | Minimalna wymagana grubość dna sitowego | t = F × (P × D) / (2 × S × E – 0,2 × P) × C |
| G (średnica obliczeniowa dna sitowego) | Średnica wewnętrzna płaszcza (stałe dno sitowe) | Wg TEMA RCB |
| F | Współczynnik podparcia | F = 1,0 dla stałego dna sitowego |
Grubość obliczeniowa uwzględnia:
Współczynnik osłabienia ścianki otworami na rury – zmniejszone pole przekroju poprzecznego z powodu wywierconych otworów
Różnicę ciśnień – maksymalną różnicę ciśnień między stroną rurkową a płaszczową
Współczynnik obniżenia parametrów ze względu na temperaturę – redukcję naprężeń dopuszczalnych w podwyższonych temperaturach wg ASME Section II Part D
Naddatek na korozję – dodatkową grubość na przewidywaną korozję w okresie eksploatacji
Typowe wymiary nieruchomych den sitowych (kuta stal nierdzewna)
| Parametr | Zakres | Norma / Uwaga |
|---|---|---|
| Średnica zewnętrzna | Do 8000 mm (na zamówienie) | Kuta lub walcowana płyta |
| Grubość | 10 mm – 350 mm | Wg ASME VIII-1 Appendix AA / TEMA RCB-4.3 |
| Standardowa grubość (wymiennik ciepła) | 30 mm – 80 mm | Typowa dla zastosowań rafineryjnych |
| Tolerancja wiercenia otworów na rury | +0,05 / –0,00 mm | Wg obróbki precyzyjnej |
| Chropowatość powierzchni | RF / FF / RTJ | Z przylgą z uskokiem (Raised Face) / Z przylgą płaską (Flat Face) / Pod uszczelkę pierścieniową (Ring Type Joint) |
| Układ otworów | Trójkątny (30°/60°) / Kwadratowy (90°) | Wg TEMA RCB-4.3 |
Proces produkcyjny – kute nieruchome dno sitowe
Zgodność materiałowa
Materiał certyfikowany zgodnie z ASTM A182 / ASME SA182
Wybity numer wytopu zapewniający 100% identyfikowalności materiału
Weryfikacja PMI (pozytywna identyfikacja materiału) za pomocą spektrometru XRF – 100% partii materiału
Kucie i obróbka cieplna
Kucie: obróbka plastyczna na gorąco z kęsa lub wlewka do ostatecznego kształtu odkuwki
Przesycanie:
F304 / F321 / F316Ti: 1040°C – 1120°C, a następnie hartowanie w wodzie
F316L: minimum 1040°C, a następnie hartowanie w wodzie
Chłodzenie: hartowanie w wodzie lub szybkie chłodzenie powietrzem po obróbce plastycznej na gorąco
Obróbka skrawaniem i wiercenie
Wiercenie CNC zapewniające precyzyjny rozstaw otworów – tolerancja +0,05 / –0,00 mm
Chropowatość powierzchni otworu: Ra ≤ 1,6 μm dla połączeń rozwalcowywanych; Ra ≤ 3,2 μm dla połączeń spawanych
Mostek (ścianka między otworami): minimum 0,8 × średnica otworu wg ASME VIII-1
Gratowanie: wszystkie otwory odgratowane po obu stronach
Typy połączeń rura-dno sitowe – nieruchome dno sitowe
| Typ połączenia | Metoda | Siła wyrywająca (min.) | Odpowiednie zastosowanie |
|---|---|---|---|
| Tylko rozwalcowywane | Rozwalcowywanie hydrauliczne przy 160–220 MPa, czas utrzymania 5–8 s | ≥ 20 MPa (stal węglowa) / ≥ 25 MPa (stal nierdzewna) | Płyny nietoksyczne, praca bezcykliczna, media czyste |
| Tylko spawane (spaw uszczelniający) | Spoina pachwinowa GTAW (TIG), wymiar boku lica (grubość) 1,5–2,0 mm | Nie dotyczy | Gaz pod wysokim ciśnieniem, instalacje wodorowe |
| Spawane + rozwalcowywane (kombinowane) | Spaw uszczelniający + rozwalcowywanie hydrauliczne przy 160–200 MPa | ≥ 25 MPa | Cykliczne obciążenia termiczne (> 500 cykli/rok), wysokie ciśnienie, media toksyczne |
| Spawane (z pełnym przetopem) | GTAW z pełnym przetopem, pełne połączenie | ≥ 30 MPa | Ekstremalne ciśnienie (> 15 MPa), wodór |
Kontrola i badania – nieruchome dno sitowe
Badania nieniszczące (NDT)
| Badanie | Metoda | Zakres | Kryteria akceptacji |
|---|---|---|---|
| Rozwarstwienia (płyta) | UT (fala podłużna / głowica prosta) | 100% powierzchni płyty | Brak rozwarstwień krawędziowych; rozwarstwienia ≤ 20 mm² na 100 cm² |
| Pęknięcia powierzchniowe | PT (badanie penetracyjne) | 100% powierzchni wierconej + pozostałe powierzchnie | Brak pęknięć; porowatość ≤ 0,8 mm |
| Połączenie plateru (w przypadku platerowania) | UT (fala poprzeczna / głowica skośna) | 100% powierzchni plateru | Brak delaminacji > 20 mm |
| Stan ścianek otworów | Beroskopia | 5% – 10% otworów (losowo) | Brak wrębów lub zarysowań o głębokości > 0,1 mm |
Kontrola wymiarowa
| Parametr | Tolerancja | Metoda |
|---|---|---|
| Średnica otworu | +0,05 / –0,00 mm | Sprawdzian tłoczkowy / średnicówka mikrometryczna |
| Odchyłka podziałki (na odcinku 1 m) | ≤ ±1,0 mm | Współrzędnościowa maszyna pomiarowa (CMM) / komparator optyczny |
| Płaskość | ≤ 1 mm na 1000 mm średnicy | Czujnik zegarowy |
| Odchyłka grubości | ±3% wartości nominalnej | Mikrometr (5 punktów) |
| Chropowatość powierzchni | Ra ≤ 1,6 μm (rozwalcowywane) / ≤ 3,2 μm (spawane) | Profilometr |
Próba hydrostatyczna (po montażu)
Ciśnienie próbne: 1,3 × ciśnienie projektowe wg ASME VIII-1 UG-99
Medium próbne: czysta woda (zawartość chlorków ≤ 50 ppm dla stali austenitycznych w celu zapobiegania pękaniu korozyjnemu naprężeniowemu - SCC)
Czas utrzymania: ≥ 30 minut
Kryterium odbioru: brak spadku ciśnienia; brak widocznych wycieków
Profile zastosowań – dobór materiału na nieruchome dna sitowe
Petrochemiczne i rafineryjne wymienniki ciepła
Zastosowanie: przetwarzanie węglowodorów, wymienniki surowiec/produkt, skraplacze
Zalecany materiał: F316L (środowisko bez obecności H₂S - sweet service) / F321 lub F316Ti (środowisko kwaśne, obecność H₂S - sour service)
Względy projektowe: ciśnienie cząstkowe wodoru; korozja wodorosiarczkowa (NACE MR0175); zawartość chlorków
Zakres temperatur: 150°C – 400°C
Morskie wymienniki ciepła (Marine i Offshore)
Zastosowanie: chłodzenie wodą morską, systemy chłodzenia platform
Zalecany materiał: F316L lub F316Ti (Mo zapewnia odporność na korozję wżerową w wodzie morskiej)
Względy projektowe: stężenie chlorków do 20 000 ppm; ryzyko korozji szczelinowej
Zakres temperatur: 5°C – 150°C
Przemysł farmaceutyczny i spożywczy
Zastosowanie: płyny procesowe o wysokiej czystości, czysta para
Zalecany materiał: F316L (niska zawartość węgla zapobiega sensytyzacji; łatwa pasywacja)
Względy projektowe: chropowatość powierzchni Ra ≤ 0,8 μm (elektropolerowanie); zgodność z FDA
Zakres temperatur: 20°C – 150°C
Wysokotemperaturowe podgrzewacze procesowe
Zastosowanie: chłodzenie gazu o wysokiej temperaturze, odzysk ciepła odpadowego
Zalecany materiał: F321 lub F316Ti (stabilizacja Ti zapobiega wydzielaniu węglików powyżej 425°C)
Względy projektowe: odporność na pełzanie; cykliczność termiczna
Zakres temperatur: 400°C – 600°C
Rozszerzalność cieplna – ograniczenie konstrukcyjne w stałych dnach sitowych
W konstrukcji ze stałym dnem sitowym oba dna sitowe są nieruchome, a różnica rozszerzalności cieplnej między rurami a płaszczem musi zostać skompensowana:
Dopuszczalna ΔT bez kompensatora: ≤ 60°C (rury ze stali węglowej) / ≤ 40°C (rury ze stali nierdzewnej)
Gdy ΔT przekracza wartość dopuszczalną: Należy zamontować kompensator na płaszczu lub wybrać konstrukcję z rurami typu U / głowicą pływającą
Obliczanie naprężeń termicznych: wg ASME VIII-1 UG-23(c) – naprężenia nie mogą przekraczać wartości dopuszczalnych w temperaturze projektowej
Dla nieruchomych den sitowych pracujących przy wysokim ΔT zwykle wymagana jest analiza elementów skończonych (FEA) w celu oceny wymogów dotyczących kompensatora i rozkładu naprężeń w dnie sitowym.
Dokumentacja dołączana do wysyłki
Atesty materiałowe (EN 10204 3.1 lub 3.2) – materiał podstawowy, numer wytopu
Raport danych ASME ze stemplem U (jeśli dotyczy)
Karta danych TEMA (klasa R/B/C)
Raport z kontroli wymiarowej (średnica otworów, podziałka, mostek, płaskość, grubość)
Raporty z badań NDT – UT (rozwarstwienia), PT (powierzchniowe), boroskopia
Raport z badania PMI (weryfikacja XRF)
Wykres obróbki cieplnej (rejestracja czasu i temperatury przesycania)
Specyfikacja procedury spawania (WPS) i protokół kwalifikowania procedury (PQR) – w przypadku wykonywania spoin połączenia rura-dno sitowe
Rysunek powykonawczy dna sitowego – ze współrzędnymi siatki otworów, podziałką i wymiarami
Raport z próby hydrostatycznej (jeśli testowano jako element zespołu)
Lista kontrolna doboru – nieruchome dno sitowe (gatunki ASTM A/SA 182)
Gatunek materiału – F304 / F316L / F321 / F316Ti (w oparciu o korozyjność płynu i temperaturę)
Typ dna sitowego – stałe (nieruchome) / pływające / do rur typu U
Średnica wewnętrzna płaszcza i średnica wewnętrzna głowicy – określa średnicę dna sitowego
Liczba rur i układ otworów – trójkątny / kwadratowy / kwadratowy obrócony
Średnica zewnętrzna rury i grubość ścianki – określa średnicę otworu
Podziałka rur – odległość między środkami otworów wg TEMA RCB-4.3
Typ połączenia rura-dno sitowe – rozwalcowywane / spawane / kombinowane
Ciśnienie projektowe – po stronie rur i po stronie płaszcza (określić różnicę ciśnień)
Temperatura projektowa – strona rurkowa i strona płaszczowa
Naddatek na korozję – zgodnie z wymaganym okresem eksploatacji
Stężenie chlorków – w przypadku > 200 ppm należy wybrać F316L lub F316Ti
Wymagania dotyczące spawania – w przypadku spawania rur należy wybrać stale niskowęglowe lub stabilizowane (F316L / F321 / F316Ti)
Wymagania dotyczące badań NDT – wg ASME VIII-1 lub specyfikacji projektu
Typ połączenia kołnierzowego – RF / FF / RTJ
Wymagania dotyczące PWHT (obróbki cieplnej po spawaniu) – przesycanie wymagane dla wszystkich gatunków stali nierdzewnej A/SA 182 po obróbce plastycznej na gorąco
Oświadczenie o ograniczeniach projektowych – nieruchome dno sitowe
Nieruchome dno sitowe podlega następującym ograniczeniom:
Nie posiada ono dopuszczenia ciśnieniowego dla ciśnienia wewnętrznego do momentu zmontowania z płaszczem, rurami i kołnierzami – obowiązują parametry znamionowe kompletnego wymiennika ciepła.
Gatunek F304 nie jest zalecany do pracy w stanie spawanym w temperaturze powyżej 425°C z powodu ryzyka sensytyzacji – do spawanych zastosowań wysokotemperaturowych należy stosować F321 lub F316Ti.
F316L charakteryzuje się niższym naprężeniem dopuszczalnym niż F316 w temperaturach powyżej 425°C; powyżej 450°C gatunek F316L jest nieodpowiedni.
Gatunki F321 i F316Ti wymagają przesycania w temperaturze 950°C – 1120°C po kuciu w celu przywrócenia odporności na korozję.
W środowiskach z chlorkami powyżej 200 ppm gatunek F304 nie jest zalecany – należy wybrać F316L (≤200 ppm) lub F316Ti.
Woda do prób hydrostatycznych dla austenitycznych den sitowych ze stali nierdzewnej musi charakteryzować się zawartością chlorków ≤ 50 ppm, aby zapobiec pękaniu korozyjnemu naprężeniowemu.
Konstrukcja ze stałym dnem sitowym wymaga zastosowania kompensatora, gdy ΔT między rurami a płaszczem przekracza limity określone dla danego materiału.
Dla temperatur roboczych powyżej 538°C gatunki F321 i F304 wymagają specjalnej obróbki cieplnej.
