Обзор: пучок трубок воздухоохладителя в качестве теплообменного ядра
Пучок труб воздухоохладителя представляет собой узел теплопередающей сердцевины теплообменника с воздушным охлаждением (ACHE). Он состоит из рядов голых или оребренных труб, закрепленных на каждом конце трубными решетками и соединенных с входными и выходными коллекторными коробками. Пакет устанавливается внутри конструктивного отсека, где осевые или центробежные вентиляторы нагнетают или втягивают окружающий воздух через внешнюю поверхность труб для охлаждения технологической жидкости, текущей внутри труб.
Этот продукт разработан и изготовлен в соответствии со стандартами API 661 (Теплообменники с воздушным охлаждением для общего обслуживания нефтеперерабатывающих заводов), ISO 13706 и классом R или B TEMA, где это применимо. Он поставляется в виде сменного комплекта, запасного комплекта или полной сборки для нового отсека ACHE.
Типы воздухоохладителей – ориентация пучка и конфигурация вентиляторов
Пучок трубок представляет собой один и тот же сердечник для всех типов ACHE; ориентация, опорная конструкция и направление воздушного потока различаются в зависимости от конфигурации.
Принудительный проект
Вентиляторы, расположенные под пучком, проталкивают воздух вверх через ряды трубок.
Распределение воздуха равномерное благодаря расположению вентилятора внизу.
Доступ к компонентам вентилятора и привода возможен с уровня земли или платформы.
Ориентация пучка: Горизонтальная
Типичное применение: общее технологическое охлаждение нефтеперерабатывающих заводов, промежуточные охладители компрессоров.
Вынужденная тяга
Вентиляторы, расположенные над пучком, вытягивают воздух вверх через ряды трубок.
Приточная камера над пучком обеспечивает равномерное всасывание.
Для компонентов вентилятора и привода требуется приподнятая платформа доступа.
Ориентация пучка: Горизонтальная
Типичное применение: конденсаторы пара, высокотемпературные системы, крупные нефтеперерабатывающие заводы.
Преимущество: лучшее распределение воздуха, меньшая рециркуляция, защита пучка от осадков.
А-образная рама
Два пучка плоских трубок, расположенных в форме перевернутой буквы V (вершина вверху).
Вентиляторы, расположенные под вершиной, нагнетают воздух вверх через оба наклонных пучка.
Ориентация пучка: наклонная, обычно от 30° до 60° от горизонтали.
Типичное применение: конденсаторы пара с воздушным охлаждением (ACC) на электростанциях.
Преимущество: уменьшает площадь участка для больших заливов; конденсат отводится самотеком по наклонным трубкам
V-образная рама
Два пучка плоских трубок, расположенных V-образно (вершина внизу)
Вентиляторы, расположенные над вершиной, вытягивают воздух вверх через оба наклонных пучка.
Ориентация пучка: наклонная, обычно от 30° до 60° от горизонтали.
Типичное применение: конденсаторы пара, где для защиты от замерзания предпочтительна искусственная тяга.
Преимущество: уменьшение занимаемой площади аналогично А-образной раме; конденсат стекает в нижний коллектор
Горизонтальный одиночный пучок
Один пучок плоских трубок, установленный горизонтально
Вентиляторы внизу (принудительная тяга) или сверху (вынужденная тяга)
Ориентация пучка: Горизонтальная, наклон 0°.
Типичное применение: общее технологическое охлаждение, охлаждение газа, конденсация углеводородов.
Преимущество: Простейшая конструкция; Легкая замена комплекта и доступ для обслуживания
Комплектная конструкция – основные компоненты
Трубы
| Параметр | Диапазон | Примечание |
|---|---|---|
| Внешний диаметр трубки (основание) | 15,88 мм – 50,8 мм | Меньший внешний диаметр для более высокого давления; больший внешний диаметр для обслуживания загрязнений |
| Толщина стенки трубы | 1,2 мм – 5,0 мм | Бесшовные или сварные |
| Длина трубы (между трубными решетками) | 2,0 м – 12,0 м | По стандарту API 661 |
| Поперечный шаг трубы | 1,5 × – 2,5 × наружный диаметр трубки | Поперек направления воздушного потока |
| Продольный шаг трубы | 1,5 × – 2,5 × наружный диаметр трубки | По направлению воздушного потока |
| Расположение трубок | Ступенчатый (треугольный) или линейный (квадратный) | Ступенчатое расположение обеспечивает более высокую теплопередачу со стороны воздуха; встроенный облегчает очистку |
Трубные листы
| Параметр | Диапазон/значение | Примечание |
|---|---|---|
| Толщина | 15 мм – 80 мм | Согласно ASME VIII-1/TEMA RCB-4.3 |
| Допуск диаметра отверстия | H11 по ISO 286 | Пример: Ø25,2 мм +0,13/0 |
| Отделка отверстий | Ra ≤ 1,6 мкм (расширенный) / Ra ≤ 3,2 мкм (сварной) | Для расширения требуется более тонкая отделка |
| Материал | CS/SS/Плакированный | Соответствует коррозионной активности и давлению жидкости на стороне трубы |
| Удержание трубки | Расширенный/Сварной/Комбинированный | Выбор типа соединения |
Коллекторные коробки (впускные/выпускные коллекторы)
| Тип заголовка | Доступ к трубке | Давление | Типичное обслуживание |
|---|---|---|---|
| Штекерный разъем (резьбовой) | Ограниченное индивидуальное удаление пробки | До 2,0 МПа | Очистка под низким давлением |
| Разъем (на болтах) | Легкое снятие заглушки с помощью болтов | До 5,0 МПа | Работа при умеренном загрязнении при среднем давлении |
| Заголовок крышки | Полный доступ, вся крышка снята | До 5,0 МПа | Услуга по очистке от загрязнений, требующая механической очистки |
| Коллектор трубного коллектора | Нет доступа к трубам, сварная конструкция | До 10,0 МПа | Газ или жидкость под высоким давлением, очистка не требуется |
Конструкция коробки заголовка:
Прямоугольное или круглое поперечное сечение
Фланцевые соединения по ASME B16.5 или B16.47.
Перегородки для одиночных, двух или четырех проходов со стороны трубы
Сливные и вентиляционные соединения в нижних и верхних точках
Боковые рамы и подъемные проушины
Несущая рама: стальной швеллер или двутавровая балка.
Подъемные проушины: приварены к боковым рамам или трубным решеткам, рассчитаны на двойную массу связки.
Точки опоры расположены таким образом, чтобы минимизировать провисание труб и поддерживать горизонтальность в пределах ±3 мм по длине пучка.
Типы плавников – выбор по температуре и окружающей среде
| Тип плавника | Метод крепления | Максимальная рабочая температура | Материал ребра | Типичное применение |
|---|---|---|---|---|
| L-стопа (рана натяжения) | Г-образная рана стопы под напряжением | ≤ 150°С | Алюминий 1100 | Низкотемпературное газовое охлаждение, интеркулеры |
| KL-лапка (с накаткой L) | Поверхность трубки с накаткой и ножкой с механической блокировкой. | ≤ 320°С | Алюминий 1100 | Среднетемпературный технологический газ, доохладители |
| LL-нога (перекрывающаяся L) | Перекрывающаяся опора полностью закрывает наружный диаметр трубки | ≤ 177°С | Алюминий 1100, Медь C1100 | Прибрежная и морская атмосфера |
| Экструдированный (биметаллический) | Внешняя алюминиевая втулка, экструдированная в ребра | ≤ 230°С | Алюминий 1100 (внешний) | Морские и морские среды, среда с высоким уровнем коррозии |
| Высокочастотная сварка | Ребристая полоса, приваренная к трубе сопротивлением | ≤ 450°С | Углеродистая сталь, нержавеющая сталь | Высокотемпературное охлаждение газа, утилизация отходящего тепла |
| Голый (без плавника) | Непригодный | До 600°С | В качестве материала трубки | Высокотемпературный чистый газ, пар, низкий уровень загрязнения |
Геометрия плавников (типичная)
| Параметр | L-фут / KL / LL | Экструдированный | Высокочастотная сварка |
|---|---|---|---|
| Высота плавника | 8 мм – 16 мм | 8 мм – 16 мм | 8 мм – 19 мм |
| Шаг плавника (FPI) | 7 – 11,5 | 7 – 11 | 2 – 7 |
| Толщина ребра | 0,25 мм – 0,5 мм | Интеграл | 0,8 мм – 3,2 мм |
| Соотношение площади поверхности (расширенная/голая) | 10 – 23 | 10 – 20 | 6 – 15 |
Сопротивление плавниковой связи
Для типов ребер с намоткой под напряжением (L-образная опора, KL-основание, LL-основание) механическое соединение между ребром и трубкой создает термическое контактное сопротивление:
При температуре на стороне трубки выше 120°C для новых жгутов обычно применяется значение проводимости связи 2000–5000 Вт/м²·К.
В процессе эксплуатации жгуты могут иметь пониженную проводимость связи из-за термоциклирования. В расчет часто включается дополнительная площадь поверхности 3–30 % в зависимости от рабочей температуры и типа связки.
Экструдированные и высокочастотно сваренные ребра не имеют сопротивления склеиванию, поскольку ребра являются цельными или металлургически склеенными.
Тепловые и гидравлические параметры воздушной стороны
| Параметр | Типичный диапазон | Примечание |
|---|---|---|
| Скорость воздушного потока (приближение) | 1,5–4,0 м/с | Выбирается на основе мощности вентилятора и ограничений по уровню шума. |
| Скорость воздушных масс (через пучок) | 2 – 6 кг/м²·с | На основе свободной площади между трубками и ребрами |
| Конвективный HTC на воздушной стороне (эквивалент голой трубки) | 30 – 120 Вт/м²·К | Зависит от геометрии плавников, скорости и материала. |
| Эффективность плавника | 40% – 90% | Рассчитано стандартными методами |
| Общий HTC (воздух-трубка, эталонная площадь) | 15 – 60 Вт/м²·К | Типично для ребристых пучков ACHE. |
| Падение давления на стороне воздуха (по всему пучку) | 100 – 300 Па | Согласно проектному пределу API 661 |
| Расчетная температура окружающей среды | от -40°С до +55°С | На основе метеоданных сайта |
| Площадь лицевой стороны пучка за единицу | 10 – 200 м² | Один отсек; более крупные задачи используют несколько отсеков |
Выбор материала – трубы, трубные решетки и коллекторы
Материалы трубок
| Материал | Спецификация | Температурный диапазон | Предел хлоридов | Приложение |
|---|---|---|---|---|
| Углеродистая сталь | СА-179 / СА-106 Гр.Б | от -20°С до +425°С | Непригодный | Вода, нефть, чистые углеводороды, пар |
| Нержавеющая сталь 304Л/316Л | АСТМ А213 | от -196°С до +600°С | ≤ 200 частей на миллион | Коррозионные жидкости, чистый пар, пищевая и фармацевтическая промышленность. |
| Дуплекс 2205 | АСТМ А789 | от -40°С до +280°С | ≤ 300 частей на миллион при 80°C | Хлоридсодержащие углеводороды, шельфовые |
| Титан Гр.2 | АСТМ Б338 | от -40°С до +230°С | До 20 000 стр/мин | Морская вода, рассол, охлаждение с высоким содержанием хлоридов |
| Медно-никелевый C70600 | АСТМ Б111 | от -40°С до +200°С | < 500 частей на миллион | Морское охлаждение, солоноватая вода |
Материалы трубных решеток и коллекторов
Углеродистая сталь SA-516 Gr.70 для некоррозионной эксплуатации со стороны трубы
Нержавеющая сталь, плакированная углеродистой сталью, для работы в агрессивных средах под высоким давлением; толщина оболочки минимум 3 мм по ASME VIII-1 UW-13
Твердая нержавеющая сталь 304L / 316L для полностью коррозионной эксплуатации.
Твердый дуплекс или титан для тяжелых условий эксплуатации в условиях хлоридов или работы на море.
Материал распределительной коробки обычно соответствует материалу трубной решетки, чтобы избежать гальванической коррозии в болтовых или сварных соединениях. Для коллекторов из углеродистой стали, работающих в агрессивных средах, наносится внутреннее покрытие (эпоксидное или фенольное) согласно API 661.
Процесс изготовления – ключевые элементы управления
Сверление трубных досок
Размер сверла контролируется с допуском H11 по ISO 286.
Шероховатость отверстий: Ra ≤ 1,6 мкм для расширенных швов; Ra ≤ 3,2 мкм для сварных соединений
Отклонение связки ≤ ±0,2 мм от чертежа
Все отверстия зачищены и очищены перед вставкой 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.
Проверка прочности на выдергивание: испытание первого изделия на связку, целевое значение ≥ 20 МПа для углеродистой стали и ≥ 25 МПа для нержавеющей стали.
Сварка труб с трубными досками (если указано)
Процесс GTAW (TIG), 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.
Изготовление заголовка коробки
Сварная стальная конструкция с фланцевыми соединениями ASME B16.5 или B16.47.
Размеры коллектора соответствуют схеме расположения отверстий в трубной решетке.
Перегородки прохода приварены к внутренней части коллектора, материал и процедура сварки соответствуют материалу коллектора
Сливные и вентиляционные соединения: фитинги с резьбой NPT или приварные в раструб.
Сборка и подъем пучка
Трубы вставляются и расширяются или привариваются к трубным решеткам
Перегородки или опоры для труб установлены на заданном расстоянии.
Боковые рамы и подъемные проушины прикреплены.
Испытание на подъем проводится с весом связки, равным 1,1 ×, если указано.
Проверка и тестирование каждого комплекта
Проверка размеров
| Элемент | Толерантность | Метод |
|---|---|---|
| Внешний диаметр трубки | ±0,11 мм | Микрометр (образец) |
| Высота плавника | ±0,5 мм | Штангенциркуль или шаблон |
| шаг плавника | ±0,2 мм на 100 мм длины | Шаблон или оптический |
| Общая длина пучка | ±1,5 мм | Рулетка или лазер |
| Расположение отверстий в трубной решетке | По рисунку | КИМ или оптический компаратор |
| Ориентация фланца коллектора | Согласно ASME B16.5 | Шаблон или транспортир |
Неразрушающий контроль
| обследование | Метод | Объем | Принятие |
|---|---|---|---|
| Сварные швы труб с трубными досками | ПТ (пенетрант) | 100%, если сварной | Трещин нет, пористость ≤ 0,8 мм. |
| Ребристые сварные швы (высокочастотная сварка) | Визуальный и PT (пример) | 100% визуальный; 5% ПТ | Никаких трещин, никаких свободных плавников. |
| Сварные швы на головке | РТ или ЮТ | Согласно ASME VIII-1 UW-51 или UW-52. | По коду |
| Внутреннее состояние трубки | Бороскоп | 5% трубок (случайно) | Никаких царапин > 0,1 мм, никаких засоров. |
Гидростатическое испытание (сторона трубы)
Испытательное давление: 1,3 × расчетное давление по ASME VIII-1 UG-99.
Испытательная среда: Чистая вода с ингибитором коррозии; хлорид ≤ 50 ppm для нержавеющей стали
Время выдержки: ≥ 30 минут
Приемка: Нулевой перепад давления; отсутствие видимых утечек из трубных соединений, коллекторов или заглушек
Пневматическое испытание на утечку (если указано)
Испытательное давление: воздух или азот 0,6 МПа.
Обнаружение утечек: нанесение мыльных пузырей на все соединения и сварные швы.
Приемка: Без пузырей; скорость утечки ≤ 1×10⁻⁵ Па·м³/с
Профили приложений – по типу службы
Интеркулер и доохладитель компрессора
Жидкость со стороны трубки: сжатый воздух или природный газ.
Температура на стороне трубки: вход 120–180 °C, выход 40–60 °C.
Давление со стороны трубки: 0,5 – 10,0 МПа
Материал трубки: Углеродистая сталь для воздуха; 304L для природного газа, содержащего CO₂ или воду.
Тип ребра: L-образное, если температура со стороны трубы ≤ 150°C; KL-фут, если 150°C – 180°C
Геометрия ребер: наружный диаметр 25,4 мм × стенка 2,0 мм; высота ребра 12,5 мм; 10 ИПИ
Связочные ряды: 4 – 6
Скорость воздушного потока: 2,5 – 3,5 м/с.
Падение давления на воздушной стороне: ≤ 200 Па
Верхний конденсатор нефтеперерабатывающего завода
Жидкость со стороны трубки: пары углеводородов с паром.
Температура на трубной стороне: вход 100–150 °C, конденсация, выход 40–60 °C.
Давление со стороны трубки: 0,1 – 0,5 МПа
Материал трубки: углеродистая сталь, не вызывающая коррозии; 316L для кислого сервиса
Тип плавника: L-образный или KL-образный для стандартного обслуживания; экструдированный с трубкой из 316L для работы с H₂S
Геометрия ребра: наружный диаметр 25,4 мм × 2,0 мм; высота ребра 12,5 мм; 10 ИПИ
Связать ряды: 4
Особенность: пучок наклонен на 1:50 в сторону выпускного коллектора для дренажа жидкости.
Охладитель природного газа после осушки или сжатия
Жидкость со стороны трубы: Очищенный природный газ.
Температура на стороне трубки: вход 60–100 °C, выход 30–45 °C.
Давление со стороны трубки: 4,0 – 10,0 МПа.
Материал трубки: 316L или Duplex 2205, если присутствуют хлориды.
Тип плавника: экструдированный с наружным слоем алюминия 1100 для защиты от коррозии на море и в прибрежных водах.
Геометрия ребра: наружный диаметр 19,05 мм × 2,0 мм; высота ребра 12,5 мм; 10 ИПИ
Связочные ряды: 2 – 3
Скорость воздушного потока: 2,0 – 2,5 м/с.
Падение давления на воздушной стороне: ≤ 150 Па
Конденсатор пара с воздушным охлаждением (ACC) для электростанций
Жидкость со стороны трубки: пар конденсируется в воду под вакуумом.
Температура на стороне трубки: вход 60–100 °C, выход 35–45 °C.
Давление со стороны трубки: Вакуум, абсолютное давление 10–50 кПа.
Материал трубки: углеродистая сталь, оцинкованная или имеющая покрытие; нержавеющая сталь, если пар содержит аммиак или хлориды
Тип ребра: Высокочастотная сварка с металлургической связкой; ребра из горячеоцинкованной углеродистой стали
Геометрия труб: эллиптические или плоскоовальные трубы с пластинчатыми ребрами или спирально приваренными ребрами.
Ориентация связки: A-образная или V-образная, наклоненная под углом 60° к горизонтали.
Воздушный поток: Вынужденная тяга
Особенность: пучки имеют уклон 1:80 в сторону коллектора для сбора конденсата; защита от замерзания с помощью системы обогрева паром или электрического обогрева для зимней эксплуатации при температуре ниже 0°C
Чистка и обслуживание
Загрязнение воздушной стороны пылью, пыльцой или химическими отложениями увеличивает перепад давления и снижает теплопередачу. Чистку рекомендуется проводить в следующих случаях:
Падение давления на воздушной стороне превышает расчетное падение давления на 30 %.
Увеличение падения давления на стороне воздуха достигает 50 Па выше начала работы, в зависимости от того, что произойдет раньше.
Методы очистки:
Водяная промывка: распыление под низким давлением ≤ 1,0 МПа для водорастворимых отложений.
Продувка воздухом: Сжатый воздух ≤ 0,6 МПа для сухой рыхлой пыли.
Химическая очистка: Щелочное или кислотное моющее средство, одобренное для алюминиевых ребер; избегайте растворов с высоким содержанием щелочи
Очистка трубной стороны механически невозможна в фиксированном пучке. Требуется химическая очистка или скребковая очистка в режиме онлайн.
Документация на поставку
Сертификаты испытаний материалов согласно EN 10204 3.1 или 3.2 для труб, ребер, трубных решеток, коллекторов и конструкционной стали.
Заполненная таблица данных API 661 или таблица данных ISO 13706.
Технический паспорт TEMA, если применимо
Отчет с данными ASME U-штампа, если применимо
Отчет о проверке размеров, включая длину пучка, расположение отверстий в трубной решетке, геометрию ребер и внешний диаметр трубы.
Параметры процесса крепления ребер, включая натяжение намотки, давление экструзии и сварочный ток.
Отчет о гидростатических испытаниях с записью диаграммы давления
Отчет об испытаниях на пневматическую утечку, если они проводились
Отчеты NDE для PT, UT и RT в ходе выполнения
Спецификация процедуры сварки и протокол аттестации процедуры сварки труб с трубной решеткой и коллектора.
Сборочный чертеж пучка труб с указанием количества труб, конфигурации проходов, размеров коллектора и расположения подъемных проушин.
Спецификация окраски и покрытия с отчетом о проверке толщины
Контрольный список выбора — комплект трубок воздухоохладителя
Тип ACHE: принудительная тяга, вынужденная тяга, А-образная рама, V-образная рама или горизонтальная.
Ориентация пучка: Горизонтальная или наклонная под углом.
Материал и размер трубки (наружный диаметр и толщина стенки)
Тип ребра: L-образное, KL, LL, экструдированное, сваренное высокочастотной сваркой или голое.
Материал и геометрия ребра (высота, шаг или FPI, толщина)
Расчетное давление и температура на стороне трубы
Состав жидкости на трубной стороне, включая коррозионную активность, хлориды и H₂S.
Допустимый перепад давления на трубной стороне
Температура воздуха на входе для летнего исполнения
Лицевая скорость воздуха или общий поток воздуха
Допустимый перепад давления на стороне воздуха, обычно 100–300 Па.
Тип коллектора: Заглушка, крышка или трубный коллектор.
Количество проходов со стороны трубы: один, два или четыре.
Количество и расположение трубок в существующем или новом отсеке
Требования к защите от коррозии, включая покрытие, гальванизацию или использование специальных материалов для ребер и трубок.
Защита от замерзания для службы ACC, включая обогрев паром, электрический нагрев или рециркуляцию.
Ограничения по подъему и транспортировке, включая максимальный вес и габариты
Применимые стандарты: API 661, ISO 13706, TEMA или спецификации заказчика.
Заявление об ограничениях конструкции – комплект трубок воздухоохладителя
На пучок трубок воздухоохладителя распространяются следующие ограничения:
Он рассчитан только на указанные давление и температуру на трубной стороне. Эксплуатация за пределами этих ограничений приводит к аннулированию конструкции.
Производительность воздушной стороны зависит от температуры окружающего воздуха и загрязнения. Холодопроизводительность снижается при повышении температуры окружающей среды.
Очистка трубной стороны механически невозможна в фиксированном пучке. Для услуг по загрязнению требуется химическая очистка или скребковая очистка в режиме онлайн.
Загрязнение со стороны воздуха увеличивает падение давления и снижает теплопередачу. Необходимо соблюдать регулярные графики уборки.
Для конденсационных работ в условиях замерзания должна быть предусмотрена защита от замерзания за счет наклона, дренажа и отопления.
Максимальная температура кончика ребра не должна превышать пределы, зависящие от материала: L-основание ≤ 150°C, экструдированное ≤ 230°C, высокочастотная сварка ≤ 450°C.
Для термоциклической эксплуатации с частотой более 500 циклов в год не рекомендуются типы ребер с натяжной обмоткой, такие как L-образная опора, KL-образная опора и LL-образная опора. Используйте экструдированные или сваренные высокой частотой ребра.
Комплект должен быть установлен на ровной опорной конструкции. Чрезмерное смещение приводит к деформации трубной решетки и утечкам в соединениях.
В случае давления на трубной стороне выше 10,0 МПа или экстремального вакуума проконсультируйтесь по поводу индивидуальной конструкции коллектора и трубной решетки.
