Трубный пучок как основной узел теплопередачи
Пучок трубок представляет собой основной узел теплопередачи кожухотрубного теплообменника. Он состоит из труб, трубных решеток, перегородок или опорных пластин, стяжных стержней, распорок и сопутствующих компонентов. Пучок отделяет жидкость на стороне трубы от жидкости на стороне корпуса и обеспечивает поверхность теплопередачи между двумя потоками.
Трубный пучок может поставляться в качестве сменного, запасного или в сборе для новых теплообменников. Он разработан и изготовлен в соответствии с классом C, B или R TEMA, разделом VIII раздела 1 или раздела 2 ASME и стандартом GB/T 151 для бытового применения.
Типы пучков труб – структурная классификация
Фиксированный комплект трубных решеток (TEMA L / M / N)
Трубы закреплены с обоих концов в стационарных трубных решетках. Трубные решетки привариваются или прикручиваются к корпусу болтами. Тепловое расширение компенсируется компенсатором на корпусе, когда разница температур между трубами и корпусом превышает допустимый предел для комбинации материалов.
Типичное применение: чистые жидкости внутри корпуса, умеренный перепад температур, работа без загрязнения.
Комплект U-образных трубок (ТЕМА U)
Трубы согнуты в U-образную форму, и оба конца закреплены на одной трубной решетке. Каждая трубка расширяется независимо, поэтому при больших перепадах температур не требуется никакого компенсатора корпуса.
Типичное применение: высокий температурный перепад, работа с газом под высоким давлением, работа с водородом, условия термического удара.
Ограничение: отдельные трубки невозможно очистить механически изнутри; требуется химическая чистка.
Комплект с плавающей головкой (TEMA P/S/T/W)
Одна трубная решетка неподвижна, а другая может свободно перемещаться за счет теплового расширения. Задняя головка съемная, что позволяет извлекать комплект для механической очистки.
Типичное применение: работа в условиях сильного загрязнения, большой перепад температур, высокий коэффициент загрязнения со стороны корпуса.
Основные компоненты – характеристики
Трубы
| Параметр | Диапазон | Примечания |
|---|---|---|
| Внешний диаметр трубки | 12,7 мм – 50,8 мм | Меньший внешний диаметр для более высокого давления; больший внешний диаметр для обслуживания загрязнений |
| Толщина стенки трубы | 0,9 мм – 5,0 мм | Выбирается в соответствии с ASME VIII-1 UG-27. |
| Длина трубки | 1,5 м – 12,0 м | Стандартная длина: 2,44 м, 4,88 м, 6,10 м, 9,75 м. |
| Шаг трубы | 1,25 × – 2,0 × наружный диаметр трубки | Треугольный шаг для более высокой теплопередачи; квадратный шаг для механической очистки |
| Расположение трубок | Треугольный (30°/60°)/квадратный (90°/45°) | Треугольная форма обеспечивает большую площадь поверхности на поперечное сечение оболочки. |
Трубные листы
| Параметр | Диапазон/значение | Примечания |
|---|---|---|
| Толщина | 15 мм – 350 мм | Согласно ASME VIII-1 Приложение AA / TEMA RCB-4.3 |
| Допуск диаметра отверстия | H11 по ISO 286 | Пример: Ø25,2 мм +0,13/0 |
| Отделка отверстий | Ra ≤ 1,6 мкм для расширенных швов; Ra ≤ 3,2 мкм для сварных соединений | Для расширения требуется более тонкая отделка |
| Ширина связки | Минимум 0,8 × диаметр отверстия | Согласно ASME VIII-1, Приложение A |
| Материал | CS / SS / Дуплекс / Ti / Сплав / Плакированный | Подходит для жидкостей со стороны трубки и корпуса. |
Перегородки и опорные пластины
| Параметр | Диапазон/значение | Примечания |
|---|---|---|
| Тип перегородки | Сегментарный/Двойной сегментный/Спиральный/Полная поддержка | Сегментарный разрез обычно 20–35 %. |
| Расстояние между перегородками | 0,2 × – 1,0 × внутренний диаметр оболочки | На основе длины трубы без опоры и скорости поперечного потока. |
| Максимальная длина неподдерживаемой трубы | CS: ≤ 36 × наружный диаметр трубки; Нержавеющая сталь: ≤ 30 × наружный диаметр трубки | Согласно ТЕМА РЦБ-4.2 |
| Толщина перегородки | 3,0 мм – 16 мм | На основе перепада давления и пролета опоры |
| Диаметр рулевой тяги | M8 – M24 или эквивалент | Минимум 4 тяги в комплекте |
Выбор материала – трубы и трубные решетки
Материалы трубок
| Материал | Спецификация | Температурный диапазон | Предел хлоридов | Приложение |
|---|---|---|---|---|
| Углеродистая сталь | СА-179/СА-106 Гр.Б/20# | от -20°С до +425°С | Непригодный | Вода, нефть, пар, чистые углеводороды |
| Нержавеющая сталь 304L/304 | АСТМ А213 ТП304Л | от -196°С до +600°С | ≤ 200 частей на миллион | Слабокоррозионные жидкости, чистый пар, пищевой |
| Нержавеющая сталь 316L / 316 | АСТМ А213 ТП316Л | от -196°С до +500°С | ≤ 200 частей на миллион | Органические кислоты, растворы солей, хлоридсодержащие углеводороды. |
| Дуплекс 2205 | АСТМ А789 С32205 | от -40°С до +280°С | ≤ 300 частей на миллион при 80°C | Морское море, морская вода, обслуживание CO₂/H₂S |
| Титан Гр.2 | АСТМ Б338 | от -40°С до +230°С | До 20 000 стр/мин | Морская вода, рассол, среда с высоким содержанием хлоридов |
| Медно-никелевый C70600 | АСТМ Б111 | от -40°С до +200°С | < 500 частей на миллион | Морская охлаждающая вода, солоноватая вода |
| Сплав 625/825/800H | АСТМ Б163/Б444 | от -196°С до +600°С | До 500 стр/мин | Высокотемпературная коррозионная работа, высокосернистый газ |
Материалы трубных решеток
Углеродистая сталь SA-516 Gr.70 для неагрессивных жидкостей со стороны трубки
Нержавеющая сталь, плакированная углеродистой сталью, для работы в агрессивных средах под высоким давлением; толщина обшивки минимум 3 мм
Твердая нержавеющая сталь 304L / 316L для полностью коррозионной эксплуатации.
Дуплекс или титан для эксплуатации на море и в морской воде.
Накладка из сплава, такого как Inconel 625, для работы в тяжелых условиях эксплуатации с кислотами или хлоридами.
Типы соединений труб с трубными решетками
| Тип соединения | Метод | Сила вытягивания | Применимый сервис |
|---|---|---|---|
| Только расширенное | Гидравлическое расширение при 160–220 МПа, выдержка 5–8 с. | ≥ 20 МПа для CS; ≥ 25 МПа для SS | Нетоксичные, нециклические, чистые жидкости. |
| Только сварной | Угловой шов GTAW, участок 1,5–2,0 мм | Механическое удержание только на сварном шве | Сервис газа высокого давления, водорода |
| Сварить + расширить | Уплотнение сварного шва плюс гидравлическое расширение при 160–200 МПа. | ≥ 25 МПа | Циклическая термическая работа, высокое давление, токсичные жидкости |
| Сварной шов с полным проплавлением | GTAW полное проникновение | ≥ 30 МПа | Экстремальное давление, водород, высокий коэффициент безопасности |
Процесс изготовления – ключевые элементы управления
Сверление трубных досок
Размер сверла контролируется с допуском H11 по ISO 286.
Отклонение связки ≤ ±0,2 мм от чертежа
Шероховатость поверхности отверстий Ra ≤ 1,6 мкм для расширенных швов
Все отверстия очищены от заусенцев с обеих сторон и очищены перед установкой трубки.
Расширение трубки
Давление гидравлического расширения 160–220 МПа; время выдержки 5–8 секунд
Глубина расширения минимум 1,5 × наружный диаметр трубы или 2 × толщина стенки трубы в трубную решетку.
Проверка манометра после расширения: 100% трубок допускают использование манометрического шарика на 0,5 мм меньше внутреннего диаметра трубки.
Испытание на вытягивание первого изделия в пачке
Сварка труб с трубными досками
Процесс GTAW, автоматический или ручной
Высота углового выступа 1,5–2,0 мм для сварного шва
Полный провар, проникновение корня шва ≥ 0,5 мм в стенку трубы
100% капиллярное тестирование согласно ASME VIII-1 UW-51
Процедура сварки сертифицирована в соответствии с разделом IX ASME.
Послесварочная термообработка
Требуется, если толщина трубной решетки из углеродистой стали превышает 38 мм.
Требуется, если сервис содержит влажный H₂S согласно NACE MR0175/ISO 15156.
Типичный цикл PWHT: 620°C ± 10°C, выдержка 1 час на толщину 25 мм, минимум 1 час.
Контролируемая скорость охлаждения от 50°C/час до 400°C.
Проверка и тестирование каждого комплекта
Проверка размеров
| Элемент | Толерантность | Метод |
|---|---|---|
| Внешний диаметр трубки | ±0,11 мм по ASTM B730 | Микрометр |
| Толщина стенки трубы | ±10% от номинала | Ультразвуковой датчик |
| Длина пачки | ±1,5 мм на TEMA RCB-8 | Рулетка или лазер |
| Расстояние между перегородками | ±1,5 мм | Штангенциркуль или шаблон |
| Отклонение связки отверстия | ≤ ±0,2 мм | Оптический компаратор |
| Радиус U-образного изгиба | R ≥ 2 × наружный диаметр трубки | Шаблон шаблона |
Неразрушающий контроль
Сварные швы между трубами и трубными досками: 100% контроль капиллярной жидкости в соответствии с ASME VIII-1 UW-51.
Оболочка трубной решетки: 100% ультразвуковой контроль целостности соединения согласно ASME VIII-1 UW-13.
Внутренняя поверхность трубки: контроль бороскопом на случайной выборке; 100% труб проходят контрольный шарик
Ребристые трубы, если применимо: Визуальный осмотр на наличие ослабленных или отсутствующих ребер.
Испытание давлением
Гидростатическое испытание: 1,3 × расчетное давление по ASME VIII-1 UG-99.
Время выдержки: минимум 30 минут.
Приемка: нулевой перепад давления и отсутствие видимых утечек.
Пневматическое испытание на герметичность, если указано: 0,6 МПа воздух или азот; обнаружение мыльных пузырей
Приемлемая скорость утечки: ≤ 1×10⁻⁵ Па·м³/с на метод эквивалентного отверстия.
Документация на поставку
Сертификаты испытаний материалов согласно EN 10204 3.1 или 3.2.
Отчет с данными ASME U-штампа, если применимо
Техническое описание TEMA заполнено для каждой конструкции
Отчет о проверке размеров
Отчет о гидростатических испытаниях с диаграммой регистрации давления
Отчеты NDE для PT, UT, RT или VT в ходе выполнения
Спецификация процедуры сварки и запись аттестации процедуры
Монтажный чертеж пучка труб
Отчет об испытаниях на вытягивание трубки для первого изделия
Упаковочный лист с указанием размеров и веса комплекта поставки
Контрольный список выбора — комплект трубок
Тип TEMA – фиксированная трубная решетка / U-образная трубка / плавающая головка
Внутренний диаметр корпуса и диаметр трубной решетки
Внешний диаметр трубки, толщина стенки и длина
Шаг и расположение трубок – Треугольный/Квадратный
Материал труб и материал трубных досок
Тип соединения трубы с трубной решеткой – расширенный/сварной/комбинированный
Расчетное давление на стороне трубы и на стороне корпуса
Расчетная температура на стороне трубы и на стороне корпуса
Состав жидкости для обеих сторон – для проверки совместимости материалов
Допуск на коррозию труб и трубной решетки
Тип и расстояние между перегородками – на основе допустимого перепада давления и критериев вибрации.
Требования к неразрушающему разрушению и испытаниям согласно спецификации проекта
Требование PWHT в зависимости от материала и обслуживания
Количество – сменный комплект, запасной комплект или новое оборудование.
Заявление об ограничениях конструкции – пучок трубок
На пучок труб распространяются следующие ограничения:
Он должен соответствовать геометрии корпуса, размерам трубной решетки и рисунку фланцев существующего теплообменника.
Он не рассчитан на внутреннее давление, пока не собран с корпусом, каналами и фланцами.
Содержание твердых частиц на стороне трубки выше 2% по массе не рекомендуется без предварительной фильтрации из-за риска эрозии и закупорки трубок.
Только расширенные соединения не рекомендуются для термоциклирования с частотой более 500 циклов в год или для эксплуатации в токсичных условиях.
Пучки U-образных трубок не подлежат механической очистке внутри трубок; требуется химическая чистка.
Для фиксированных пучков трубных решеток может потребоваться компенсатор кожуха, когда разница температур превышает допустимый предел.
Для работы в условиях вакуума ниже 1 кПа может потребоваться дополнительная жесткость или поддержка согласно ASME VIII-1 UG-29.
Вода для гидроиспытаний аустенитной нержавеющей стали должна иметь содержание хлоридов ≤ 50 частей на миллион, чтобы предотвратить коррозионное растрескивание под напряжением.
