Haz de tubos como conjunto primario de transferencia de calor
Un haz de tubos es el conjunto central de transferencia de calor de un intercambiador de calor de carcasa y tubos. Consta de tubos, placas de tubos, deflectores o placas de soporte, tirantes, espaciadores y componentes asociados. El haz separa el fluido del lado del tubo del fluido del lado de la carcasa y proporciona la superficie de transferencia de calor entre las dos corrientes.
Se puede suministrar un haz de tubos como haz de repuesto, como haz de repuesto o como conjunto completo para intercambiadores de calor nuevos. Está diseñado y fabricado según TEMA Clase C, B o R, ASME Sección VIII División 1 o División 2 y GB/T 151 para aplicaciones domésticas.
Tipos de haces de tubos: clasificación estructural
Paquete de láminas de tubos fijos (TEMA L / M / N)
Los tubos se fijan por ambos extremos en placas tubulares estacionarias. Las placas tubulares están soldadas o atornilladas a la carcasa. La expansión térmica se acomoda mediante una junta de expansión en la carcasa cuando el diferencial de temperatura entre los tubos y la carcasa excede el límite permitido para la combinación de materiales.
Aplicación típica: fluidos limpios del lado de la carcasa, diferencial de temperatura moderado, servicio sin incrustaciones.
Paquete de tubos en U (TEMA U)
Los tubos se doblan en forma de U y ambos extremos se fijan a una sola placa tubular. Cada tubo se expande de forma independiente, por lo que no se requiere junta de expansión de carcasa para grandes diferencias de temperatura.
Aplicación típica: alto diferencial térmico, servicio de gas a alta presión, servicio de hidrógeno, condiciones de choque térmico.
Limitación: los tubos individuales no se pueden limpiar mecánicamente desde el interior; Se requiere limpieza química.
Paquete de cabezal flotante (TEMA P / S / T / W)
Una placa tubular está fija y la otra puede moverse libremente con la expansión térmica. El cabezal trasero es extraíble, lo que permite extraer el paquete para su limpieza mecánica.
Aplicación típica: servicio de incrustaciones severas, gran diferencial de temperatura, alto factor de incrustaciones en el lado de la carcasa.
Componentes principales: especificaciones
tubos
| Parámetro | Rango | Notas |
|---|---|---|
| diámetro exterior del tubo | 12,7 mm – 50,8 mm | OD más pequeño para mayor presión; OD más grande para servicio de incrustaciones |
| Espesor de la pared del tubo | 0,9 mm – 5,0 mm | Seleccionado según ASME VIII-1 UG-27 |
| Longitud del tubo | 1,5 m – 12,0 m | Las longitudes estándar incluyen 2,44 m, 4,88 m, 6,10 m, 9,75 m |
| Paso del tubo | 1,25 × – 2,0 × diámetro exterior del tubo | Paso triangular para una mayor transferencia de calor; paso cuadrado para limpieza mecánica |
| Disposición del tubo | Triangular (30°/60°) / Cuadrado (90°/45°) | Triangular proporciona una mayor superficie por sección transversal de la carcasa. |
Hojas de tubo
| Parámetro | Rango / Valor | Notas |
|---|---|---|
| Espesor | 15mm – 350mm | Según ASME VIII-1 Apéndice AA / TEMA RCB-4.3 |
| Tolerancia del diámetro del agujero | H11 según ISO 286 | Ejemplo: Ø25,2 mm +0,13/0 |
| Acabado del agujero | Ra ≤ 1,6 μm para juntas expandidas; Ra ≤ 3,2 μm para uniones soldadas | Se requiere un acabado más fino para la expansión |
| Ancho del ligamento | Mínimo 0,8 × diámetro del orificio | Según ASME VIII-1 Apéndice A |
| Material | CS / SS / Dúplex / Ti / Aleación / Revestido | Compatible con fluidos del lado del tubo y del lado de la carcasa |
Deflectores y placas de soporte
| Parámetro | Rango / Valor | Notas |
|---|---|---|
| Tipo de deflector | Segmental / Doble segmentario / Helicoidal / Soporte completo | Corte segmentario normalmente del 20 % al 35 % |
| Espaciado de deflectores | 0,2 × – 1,0 × ID de carcasa | Basado en la longitud del tubo sin soporte y la velocidad del flujo transversal |
| Longitud máxima del tubo sin soporte | CS: ≤ 36 × diámetro exterior del tubo; SS: ≤ 30 × tubo OD | Según TEMA RCB-4.2 |
| Grosor del deflector | 3,0 mm – 16 mm | Basado en el diferencial de presión y el tramo de soporte. |
| Diámetro de la barra de acoplamiento | M8 – M24 o equivalente | Mínimo 4 tirantes por paquete |
Selección de materiales: tubos y placas tubulares
Materiales del tubo
| Material | Especificación | Rango de temperatura | Límite de cloruro | Solicitud |
|---|---|---|---|---|
| Acero carbono | SA-179 / SA-106 Gr.B / 20# | -20°C a +425°C | No aplicable | Agua, aceite, vapor, hidrocarburos limpios. |
| Inoxidable 304L / 304 | ASTM A213 TP304L | -196°C a +600°C | ≤ 200 ppm | Fluidos ligeramente corrosivos, vapor limpio, calidad alimentaria. |
| Inoxidable 316L / 316 | ASTM A213 TP316L | -196°C a +500°C | ≤ 200 ppm | Ácidos orgánicos, soluciones salinas, hidrocarburos que contienen cloruros. |
| Dúplex 2205 | ASTM A789 S32205 | -40°C a +280°C | ≤ 300 ppm a 80°C | Costa afuera, agua de mar, servicio CO₂/H₂S |
| Titanio Gr.2 | ASTM B338 | -40°C a +230°C | Hasta 20.000 ppm | Agua de mar, salmuera, ambientes con alto contenido de cloro. |
| Cobre-níquel C70600 | ASTM B111 | -40°C a +200°C | < 500 ppm | Agua de refrigeración marina, agua salobre |
| Aleación 625 / 825 / 800H | ASTM B163/B444 | -196°C a +600°C | Hasta 500 ppm | Servicio corrosivo a alta temperatura, gas amargo |
Materiales de láminas tubulares
Acero al carbono SA-516 Gr.70 para fluidos no corrosivos del lado del tubo
Revestido de acero inoxidable sobre acero al carbono para servicio corrosivo con alta presión; espesor del revestimiento mínimo 3 mm
Acero inoxidable sólido 304L / 316L para servicio totalmente corrosivo
Dúplex o titanio para servicio costa afuera y agua de mar
Recubrimiento de aleación como Inconel 625 para servicios severos de acidez o cloruro
Tipos de juntas de tubo a placa tubular
| Tipo de junta | Método | Fuerza de extracción | Servicio aplicable |
|---|---|---|---|
| Sólo ampliado | Expansión hidráulica a 160–220 MPa, mantener 5–8 s | ≥ 20 MPa para CS; ≥ 25 MPa para SS | Fluidos limpios, no tóxicos y no cíclicos. |
| Solamente soldado | Soldadura de filete GTAW, tramo de 1,5 a 2,0 mm | Retención mecánica solo por soldadura | Servicio de gas a alta presión e hidrógeno. |
| Soldar + expandir | Soldadura de sello más expansión hidráulica a 160–200 MPa | ≥ 25MPa | Servicio térmico cíclico, alta presión, fluidos tóxicos. |
| Soldadura de penetración total | GTAW penetración total | ≥ 30MPa | Presión extrema, hidrógeno, alto factor de seguridad. |
Proceso de fabricación: controles clave
Perforación de láminas tubulares
Tamaño de broca controlado según tolerancia H11 según ISO 286
Desviación del ligamento ≤ ±0,2 mm respecto al dibujo
Acabado de la superficie del agujero Ra ≤ 1,6 μm para juntas expandidas
Todos los agujeros desbarbados en ambas caras y limpiados antes de la inserción del tubo.
Expansión del tubo
Presión de expansión hidráulica 160–220 MPa; tiempo de espera 5 a 8 segundos
Profundidad de expansión mínima de 1,5 × diámetro exterior del tubo o 2 × espesor de pared del tubo en la placa del tubo
Comprobación del calibre posterior a la expansión: el 100 % de los tubos aceptan una bola de calibre 0,5 mm más pequeña que el diámetro interior del tubo.
Prueba de extracción del primer artículo por paquete
Soldadura de tubo a placa tubular
Proceso GTAW, automático o manual
Altura de la pata en ángulo de 1,5 a 2,0 mm para soldadura de sellado
Penetración total de la raíz de la soldadura ≥ 0,5 mm en la pared del tubo
Prueba 100 % de líquidos penetrantes según ASME VIII-1 UW-51
Procedimiento de soldadura calificado según ASME Sección IX
Tratamiento térmico posterior a la soldadura
Requerido cuando el espesor de la lámina de tubos de acero al carbono excede los 38 mm
Requerido cuando el servicio contiene H₂S húmedo según NACE MR0175 / ISO 15156
Ciclo PWHT típico: 620°C ± 10°C, mantener 1 hora por cada 25 mm de espesor, mínimo 1 hora
Velocidad de enfriamiento controlada ≤ 50°C/hora a 400°C
Inspección y pruebas por paquete
Verificación dimensional
| Artículo | Tolerancia | Método |
|---|---|---|
| diámetro exterior del tubo | ±0,11 mm según ASTM B730 | Micrómetro |
| Espesor de la pared del tubo | ±10% del valor nominal | medidor ultrasónico |
| Longitud del paquete | ±1,5 mm por TEMA RCB-8 | Cinta métrica o láser |
| Espaciado de deflectores | ±1,5mm | Calibre o plantilla |
| Desviación del ligamento del agujero. | ≤ ±0,2 mm | Comparador óptico |
| Radio de curvatura en U | R ≥ 2 × diámetro exterior del tubo | Calibre de plantilla |
Examen no destructivo
Soldaduras de tubo a placa de tubos: 100% prueba de líquidos penetrantes según ASME VIII-1 UW-51
Revestimiento de lámina tubular: prueba 100% ultrasónica para la integridad de la unión según ASME VIII-1 UW-13
Superficie interna del tubo: Inspección por boroscopio en muestra aleatoria; El 100% de los tubos pasan la bola medidora.
Tubos con aletas, si corresponde: Inspección visual para detectar aletas sueltas o faltantes
Prueba de presión
Prueba hidrostática: 1,3 × presión de diseño según ASME VIII-1 UG-99
Tiempo de espera: mínimo 30 minutos
Aceptación: caída de presión cero y sin fugas visibles
Prueba de fuga neumática, si se especifica: 0,6 MPa de aire o nitrógeno; detección de burbujas de jabón
Aceptación de tasa de fuga: ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s por método de orificio equivalente
Documentación por envío
Certificados de prueba de materiales según EN 10204 3.1 o 3.2
Informe de datos del sello ASME U, si corresponde
Hoja de datos de TEMA completada por diseño
Informe de inspección dimensional
Informe de prueba hidrostática con tabla de registro de presión.
Informes NDE para PT, UT, RT o VT tal como se realizaron
Especificación del procedimiento de soldadura y registro de calificación del procedimiento.
Dibujo de instalación del haz de tubos
Informe de prueba de extracción del tubo para el primer artículo.
Lista de embalaje con dimensiones y peso de envío del paquete
Lista de verificación de selección: paquete de tubos
Tipo TEMA – Placa de tubo fijo / Tubo en U / Cabezal flotante
Diámetro interior de la carcasa y diámetro de la placa del tubo.
Diámetro exterior del tubo, espesor de pared y longitud
Paso y disposición de los tubos: triangular / cuadrado
Material del tubo y material de la placa del tubo.
Tipo de unión tubo-placa tubular – Expandida / Soldada / Combinada
Presión de diseño para el lado del tubo y el lado de la carcasa
Temperatura de diseño para el lado del tubo y el lado de la carcasa
Composición del fluido para ambos lados: para verificar la compatibilidad del material
Tolerancia por corrosión para tubos y placas tubulares.
Tipo y espaciado de deflectores: según los criterios de caída de presión y vibración permitidos
NDE y requisitos de prueba según la especificación del proyecto
Requisito de PWHT basado en material y servicio.
Cantidad: paquete de reemplazo, paquete de repuesto o equipo nuevo
Declaración de limitaciones de diseño: haz de tubos
El haz de tubos está sujeto a las siguientes limitaciones:
Debe coincidir con la geometría de la carcasa, las dimensiones de la placa de tubos y el patrón de bridas del intercambiador de calor existente.
No está clasificado para presión interna hasta que se ensambla con la carcasa, los canales y las bridas.
No se recomienda un contenido de sólidos en el lado del tubo superior al 2 % en peso sin filtración aguas arriba, debido al riesgo de erosión y obstrucción del tubo.
No se recomiendan las juntas expandidas para ciclos térmicos superiores a 500 ciclos por año o para servicio tóxico.
Los haces de tubos en U no se pueden limpiar mecánicamente dentro de los tubos; Se requiere limpieza química.
Los haces de placas de tubos fijos pueden requerir una junta de expansión de carcasa cuando el diferencial de temperatura excede el límite permitido.
Para servicio de vacío por debajo de 1 kPa absoluto, es posible que se requiera refuerzo o soporte adicional según ASME VIII-1 UG-29.
El agua de hidroprueba para acero inoxidable austenítico debe tener un contenido de cloruro ≤ 50 ppm para evitar el agrietamiento por corrosión bajo tensión.
