Feixe de tubos como conjunto primário de transferência de calor
Um feixe de tubos é o conjunto central de transferência de calor de um trocador de calor de casco e tubos. Consiste em tubos, placas de tubos, defletores ou placas de suporte, tirantes, espaçadores e componentes associados. O feixe separa o fluido do lado do tubo do fluido do lado do casco e fornece a superfície de transferência de calor entre as duas correntes.
Um feixe de tubos pode ser fornecido como conjunto de reposição, conjunto sobressalente ou conjunto completo para novos trocadores de calor. Ele é projetado e fabricado de acordo com TEMA Classe C, B ou R, ASME Seção VIII Divisão 1 ou Divisão 2 e GB/T 151 para aplicações domésticas.
Tipos de feixes de tubos – Classificação estrutural
Pacote de chapas tubulares fixas (TEMA L / M / N)
Os tubos são fixados em ambas as extremidades em placas de tubos estacionárias. As chapas tubulares são soldadas ou aparafusadas à carcaça. A expansão térmica é acomodada por uma junta de expansão no casco quando o diferencial de temperatura entre os tubos e o casco excede o limite permitido para a combinação de materiais.
Aplicação típica: fluidos limpos no lado do casco, diferencial de temperatura moderado, serviço não incrustante.
Pacote de tubo em U (TEMA U)
Os tubos são dobrados em forma de U e ambas as extremidades são fixadas em uma única placa de tubo. Cada tubo se expande de forma independente, portanto, nenhuma junta de expansão do invólucro é necessária para grandes diferenciais de temperatura.
Aplicação típica: alto diferencial térmico, serviço de gás de alta pressão, serviço de hidrogênio, condições de choque térmico.
Limitação: os tubos individuais não podem ser limpos mecanicamente por dentro; é necessária limpeza química.
Pacote de cabeça flutuante (TEMA P/S/T/W)
Uma placa de tubo é fixa e a outra pode se mover livremente com expansão térmica. A cabeça traseira é removível, permitindo a extração do feixe para limpeza mecânica.
Aplicação típica: serviço de incrustação severa, grande diferencial de temperatura, alto fator de incrustação no lado do casco.
Componentes principais – especificações
Tubos
| Parâmetro | Faixa | Notas |
|---|---|---|
| diâmetro externo do tubo | 12,7 mm – 50,8 mm | OD menor para pressão mais alta; maior diâmetro externo para serviço de incrustação |
| Espessura da parede do tubo | 0,9 mm – 5,0 mm | Selecionado de acordo com ASME VIII-1 UG-27 |
| Comprimento do tubo | 1,5m – 12,0m | Os comprimentos padrão incluem 2,44 m, 4,88 m, 6,10 m, 9,75 m |
| Passo do tubo | 1,25 × – 2,0 × diâmetro externo do tubo | Passo triangular para maior transferência de calor; passo quadrado para limpeza mecânica |
| Arranjo de tubo | Triangular (30°/60°) / Quadrado (90°/45°) | Triangular proporciona maior área de superfície por seção transversal da casca |
Folhas de tubo
| Parâmetro | Faixa/Valor | Notas |
|---|---|---|
| Grossura | 15mm – 350mm | De acordo com ASME VIII-1 Apêndice AA/TEMA RCB-4.3 |
| Tolerância do diâmetro do furo | H11 por ISO 286 | Exemplo: Ø25,2 mm +0,13/0 |
| Acabamento do furo | Ra ≤ 1,6 μm para juntas expandidas; Ra ≤ 3,2 μm para juntas soldadas | Acabamento mais fino necessário para expansão |
| Largura do ligamento | Mínimo 0,8 × diâmetro do furo | De acordo com ASME VIII-1 Apêndice A |
| Material | CS / SS / Duplex / Ti / Liga / Revestido | Compatível com fluidos do lado do tubo e do lado do casco |
Defletores e placas de suporte
| Parâmetro | Faixa/Valor | Notas |
|---|---|---|
| Tipo de defletor | Segmental / Duplo segmentar / Helicoidal / Suporte total | Corte segmentado normalmente 20% – 35% |
| Espaçamento do defletor | 0,2 × – 1,0 × ID do shell | Com base no comprimento do tubo não suportado e na velocidade de fluxo cruzado |
| Comprimento máximo do tubo não suportado | CS: ≤ 36 × DO do tubo; SS: ≤ 30 × diâmetro externo do tubo | Por TEMA RCB-4.2 |
| Espessura do defletor | 3,0 mm – 16 mm | Com base no diferencial de pressão e na extensão de suporte |
| Diâmetro do tirante | M8 – M24 ou equivalente | Mínimo de 4 tirantes por pacote |
Seleção de Materiais – Tubos e Folhas de Tubos
Materiais de tubo
| Material | Especificação | Faixa de temperatura | Limite de Cloreto | Aplicativo |
|---|---|---|---|---|
| Aço carbono | SA-179 / SA-106 Gr.B / 20# | -20°C a +425°C | Não aplicável | Água, óleo, vapor, hidrocarbonetos limpos |
| Inox 304L/304 | ASTM A213TP304L | -196°C a +600°C | ≤ 200 ppm | Fluidos levemente corrosivos, vapor limpo, grau alimentício |
| Inox 316L/316 | ASTM A213TP316L | -196°C a +500°C | ≤ 200 ppm | Ácidos orgânicos, soluções salinas, hidrocarbonetos contendo cloreto |
| Dúplex 2205 | ASTM A789 S32205 | -40°C a +280°C | ≤ 300 ppm a 80°C | Serviço offshore, água do mar, CO₂/H₂S |
| Titânio Gr.2 | ASTM B338 | -40°C a +230°C | Até 20.000 ppm | Água do mar, salmoura, ambientes com alto teor de cloreto |
| Cobre-níquel C70600 | ASTM B111 | -40°C a +200°C | < 500 ppm | Água de resfriamento marinho, água salobra |
| Liga 625/825/800H | ASTM B163/B444 | -196°C a +600°C | Até 500 ppm | Serviço corrosivo em alta temperatura, gás ácido |
Materiais de folha de tubo
Aço carbono SA-516 Gr.70 para fluidos não corrosivos no lado do tubo
Revestimento inoxidável sobre aço carbono para serviço corrosivo com alta pressão; espessura do revestimento mínimo 3 mm
Inox sólido 304L/316L para serviço totalmente corrosivo
Duplex ou titânio para serviços offshore e de água salgada
Cobertura de liga como Inconel 625 para serviços severos de ácidos ou cloretos
Tipos de juntas tubo-espinho
| Tipo de junta | Método | Força de extração | Serviço aplicável |
|---|---|---|---|
| Apenas expandido | Expansão hidráulica a 160–220 MPa, espera 5–8 s | ≥ 20 MPa para CS; ≥ 25 MPa para SS | Fluidos limpos, não tóxicos, não cíclicos |
| Soldado apenas | Solda de filete GTAW, perna 1,5–2,0 mm | Retenção mecânica apenas da solda | Gás de alta pressão, serviço de hidrogênio |
| Soldar + expandir | Solda de vedação mais expansão hidráulica a 160–200 MPa | ≥ 25 MPa | Serviço térmico cíclico, alta pressão, fluidos tóxicos |
| Solda de penetração total | Penetração total do GTAW | ≥30 MPa | Pressão extrema, hidrogênio, alto fator de segurança |
Processo de Fabricação – Principais Controles
Perfuração de chapa tubular
Tamanho da broca controlado para tolerância H11 de acordo com ISO 286
Desvio do ligamento ≤ ±0,2 mm do desenho
Acabamento superficial do furo Ra ≤ 1,6 μm para juntas expandidas
Todos os furos rebarbados em ambas as faces e limpos antes da inserção do tubo
Expansão do tubo
Pressão de expansão hidráulica 160–220 MPa; tempo de espera 5–8 segundos
Profundidade de expansão mínima de 1,5 × diâmetro externo do tubo ou 2 × espessura da parede do tubo na placa do tubo
Verificação do medidor pós-expansão: 100% dos tubos aceitam uma esfera do medidor 0,5 mm menor que o diâmetro interno do tubo
Teste pull-out no primeiro artigo por pacote
Soldagem de tubo a tubo
Processo GTAW, automático ou manual
Altura da perna do filete 1,5–2,0 mm para solda de vedação
Penetração total da raiz da solda ≥ 0,5 mm na parede do tubo
Teste 100% de líquido penetrante de acordo com ASME VIII-1 UW-51
Procedimento de soldagem qualificado pela ASME Seção IX
Tratamento térmico pós-soldagem
Necessário quando a espessura da chapa de tubo de aço carbono excede 38 mm
Obrigatório quando o serviço contém H₂S úmido de acordo com NACE MR0175/ISO 15156
Ciclo PWHT típico: 620°C ± 10°C, espera 1 hora por 25 mm de espessura, mínimo 1 hora
Taxa de resfriamento controlada ≤ 50°C/hora a 400°C
Inspeção e testes por pacote
Verificação Dimensional
| Item | Tolerância | Método |
|---|---|---|
| diâmetro externo do tubo | ±0,11 mm conforme ASTM B730 | Micrômetro |
| Espessura da parede do tubo | ±10% do valor nominal | Medidor ultrassônico |
| Comprimento do pacote | ±1,5 mm por TEMA RCB-8 | Fita métrica ou laser |
| Espaçamento do defletor | ±1,5 mm | Paquímetro ou modelo |
| Desvio do ligamento do buraco | ≤ ±0,2 mm | Comparador óptico |
| Raio de curvatura em U | R ≥ 2 × diâmetro externo do tubo | Medidor de modelo |
Exame Não Destrutivo
Soldas de tubo a tubo: teste de 100% de líquido penetrante de acordo com ASME VIII-1 UW-51
Revestimento de chapa de tubo: 100% de testes ultrassônicos para integridade de ligação de acordo com ASME VIII-1 UW-13
Superfície interna do tubo: Inspeção do boroscópio em amostra aleatória; 100% dos tubos passam pela esfera do medidor
Tubos com aletas, se aplicável: Inspeção visual para aletas soltas ou ausentes
Teste de pressão
Teste hidrostático: 1,3 × pressão de projeto de acordo com ASME VIII-1 UG-99
Tempo de espera: mínimo 30 minutos
Aceitação: queda de pressão zero e nenhum vazamento visível
Teste de vazamento pneumático se especificado: 0,6 MPa de ar ou nitrogênio; detecção de bolhas de sabão
Aceitação da taxa de vazamento: ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s por método de orifício equivalente
Documentação por Remessa
Certificados de teste de material de acordo com EN 10204 3.1 ou 3.2
Relatório de dados do carimbo U ASME, se aplicável
Folha de dados TEMA preenchida por projeto
Relatório de inspeção dimensional
Relatório de teste hidrostático com gráfico de registro de pressão
Relatórios de EQM para PT, UT, RT ou VT conforme realizado
Especificação do procedimento de soldagem e registro de qualificação do procedimento
Desenho as-built do feixe de tubos
Relatório de teste de extração de tubo para o primeiro artigo
Lista de embalagem com dimensões e peso de envio do pacote
Lista de verificação de seleção – Pacote de tubos
Tipo TEMA – Placa de tubo fixo / tubo em U / cabeça flutuante
Diâmetro interno da carcaça e diâmetro da folha do tubo
DE do tubo, espessura da parede e comprimento
Passo e disposição do tubo – Triangular / Quadrado
Material do tubo e material da folha do tubo
Tipo de junta tubo-espelho – Expandida / Soldada / Combinada
Pressão de projeto para o lado do tubo e lado do casco
Temperatura de projeto para o lado do tubo e lado do casco
Composição fluida para ambos os lados – para verificar a compatibilidade do material
Tolerância à corrosão para tubos e chapas tubulares
Tipo e espaçamento do defletor – com base nos critérios de queda de pressão e vibração permitidos
Requisitos de NDE e testes por especificação do projeto
Requisito PWHT baseado em material e serviço
Quantidade – pacote de reposição, pacote sobressalente ou equipamento novo
Declaração de Limitação de Design – Pacote de Tubos
O feixe de tubos está sujeito às seguintes limitações:
Ele deve corresponder à geometria da carcaça, às dimensões da placa do tubo e ao padrão do flange do trocador de calor existente.
Ele não é classificado para pressão interna até ser montado com a carcaça, canais e flanges.
O conteúdo de sólidos no lado do tubo acima de 2% em peso não é recomendado sem filtração a montante, devido ao risco de erosão e bloqueio do tubo.
Juntas somente expandidas não são recomendadas para ciclos térmicos acima de 500 ciclos por ano ou para serviços tóxicos.
Os feixes de tubos em U não podem ser limpos mecanicamente dentro dos tubos; é necessária limpeza química.
Feixes de chapas tubulares fixas podem exigir uma junta de expansão do invólucro quando o diferencial de temperatura excede o limite permitido.
Para serviços de vácuo abaixo de 1 kPa absoluto, pode ser necessário reforço ou suporte adicional conforme ASME VIII-1 UG-29.
A água de hidroteste para aço inoxidável austenítico deve ter teor de cloreto ≤ 50 ppm para evitar trincas por corrosão sob tensão.
