Ana Isı Transfer Yüzeyi Olarak Tüp Bobini
Ateşlemeli ısıtıcı tüp bobini, ateşlemeli bir ısıtıcının içindeki yanma gazları tarafından ısıtılırken proses akışkanının aktığı sürekli boru tertibatıdır. Tüp bobini, ateşlemeli ısıtıcının birincil ısı transfer yüzeyidir ve alev radyasyonundan (radyan bölüm) ve sıcak baca gazı konveksiyonundan (konveksiyon bölüm) termal enerji emer.
Ateşlemeli ısıtıcı, proses akışkanının tüplerin içinde aktığı ve yakıt yanmasının tüplerin dışında gerçekleştiği doğrudan ateşlemeli bir ısıtma cihazıdır. Tüp bobini, ateşlemeli ısıtıcının kritik basınç tutma bileşenidir ve API 560 (Genel Rafineri Hizmeti İçin Ateşlemeli Isıtıcılar), ASME B31.3 (Proses Boru Hattı) ve GB/T 16507 (Su Borulu Kazanlar) uyarınca yerel uygulamalar için tasarlanmış ve üretilmiştir.
Ateşlemeli Isıtıcı Bölümleri – Konuma Göre Bobin Yapılandırması
Radyan Bölüm Bobini
Radyan bölüm (yanma odası), proses akışkanının doğrudan alev radyasyonu yoluyla ısı yükünün çoğunu aldığı yerdir. Radyan bölümdeki tüpler en yüksek ısı akısına ve tüp metal sıcaklıklarına maruz kalır.
Tüp düzeni: Dikey (helisel veya serpantin) veya yatay (tek veya çok sıralı)
Tüp desteği: Radyan tüpler tüp askıları, kılavuz destekler veya refrakter ankrajlar ile desteklenir
Isı akısı: Radyan ısı transferi baskındır; tüp metal sıcaklığı tipik olarak proses akışkan çıkış sıcaklığının 50°C–100°C üzerindedir
Yaygın yapılandırmalar:
Helisel bobin: Tüplerin yanma odası çevresine sarmal şeklinde yerleştirilmesi; silindirik ısıtıcılarda yaygındır
Serpantin bobin: Birden fazla yatay veya dikey geçişte düzenlenmiş tüpler ve bitişik tüpleri birbirine bağlayan dönüş dirsekleri
Tek geçişli bobin: Her tüp, ara dirsekler olmadan girişten çıkışa kadar uzanır
Çok geçişli bobin: Proses akışkanı, dönüş dirsekleri aracılığıyla radyan bölümden birden fazla geçiş yapar
Konveksiyon Bölüm Bobini
Konveksiyon bölümü, ısı transferinin öncelikle sıcak baca gazlarından zorlanmış konveksiyon yoluyla gerçekleştiği radyan bölümün üzerinde yer alır. Konveksiyon bölümündeki tüpler daha düşük ısı akısı ve tüp metal sıcaklıklarında çalışır.
Tüp düzeni: Basamaklı veya sıralı tüp aralığına sahip yatay veya dikey sıralar
Genişletilmiş yüzey: Konveksiyon tüplerine ısı transfer alanını artırmak için genellikle kanatçıklar veya saplamalar takılır
Kalkan tüpleri: Yanma odasından gelen radyant ısıya maruz kalan ilk 2–3 sıra konveksiyon tüpü, yüksek sıcaklık maruziyetinden kaynaklanan kanatçık hasarını önlemek için tipik olarak çıplaktır (kanatsız)
Yaygın tüp tipleri: Çıplak tüp, kanatçıklı tüp, saplamalı tüp (pim tüp)
Geçiş / Çapraz Boru Hattı
Çapraz boru hattı, konveksiyon bölümü çıkışını radyan bölüm girişine (veya tersi) bağlar, tipik olarak ısıtıcı kasasının dışında bulunur. Çapraz boru hattı bölümler arasındaki termal genleşmeyi karşılamalıdır.
Bobin Tasarım Parametreleri – API 560 / ASME B31.3'e Göre
| Parametre | Aralık | Standart / Not |
|---|---|---|
| Tüp Dış Çapı | 50.8mm – 273.1mm (2" – 10.75") | API 560 Tablo 4'e Göre |
| Tüp et kalınlığı | 3.0mm – 25.0mm | API 530'a Göre (tüp kalınlığı hesaplaması) |
| Tüp uzunluğu (düz bölüm başına) | 3.0m – 15.0m | Nakliye ve elleçleme ile sınırlı |
| Tasarım basıncı | 35 MPa'ya kadar | ASME B31.3 / API 560'a Göre |
| Tasarım sıcaklığı (tüp metali) | 590°C'ye kadar | Malzemeye bağlı; 425°C üzeri için Cr-Mo |
| Korozyon payı | API 560 7.1.2'ye Göre | Alıcının spesifikasyonuna göre minimum |
| Tüp aralığı (merkezden merkeze) | 2× tüp dış çapı (standart kısa yarıçap) | API 560 Tablo 4'e Göre |
| Maksimum izin verilen ısı akısı | API 560 / radyan bölüm tasarımına göre | Tüp metal sıcaklığını belirler |
Malzeme Seçimi – Tüp Bobini Malzemeleri (API 560 Tablo 5'e Göre)
Karbon Çelikleri
| Sınıf | Spesifikasyon | Maks. Sıcaklık | Uygulama |
|---|---|---|---|
| SA-106 Gr.B / SA-192 | ASTM A106 / A192 | ~425°C | Genel rafineri hizmeti, orta sıcaklık |
| SA-210 Gr.A1 | ASTM A210 | ~425°C | Kazan ve ısıtıcı tüp hizmeti |
| 20# | GB 9948 | ~425°C | Petrol çatlatma hizmeti için yerel standart |
Krom-Molibden Alaşımlı Çelikler
| Sınıf | Bileşim | Maks. Sıcaklık | Uygulama |
|---|---|---|---|
| SA-209 T1a | 0.5Cr-0.5Mo | ~540°C | Orta derecede yüksek sıcaklık |
| SA-213 T11 | 1.25Cr-0.5Mo | ~590°C | Rafineri ısıtıcı tüpleri; orta sürünme direnci |
| SA-213 T22 | 2.25Cr-1Mo | ~590°C | Hidrokraker, reformer, yüksek sıcaklık/yüksek basınç |
| SA-213 T5 | 5Cr-0.5Mo | ~590°C | Yüksek sıcaklıkta aşındırıcı hizmet |
| SA-213 T9 | 9Cr-1Mo | ~590°C | Yüksek sıcaklıkta erozif hizmet |
| SA-213 T91 | 9Cr-1Mo-V | ~590°C | Gelişmiş yüksek sıcaklık sürünme hizmeti |
Ostenitik Paslanmaz Çelikler
| Sınıf | Maks. Sıcaklık | Uygulama |
|---|---|---|
| TP304H / TP321H | ~600°C | Yüksek sıcaklık, korozyon direnci, sürünme direnci |
| TP316L | ~450°C | Klorür içeren hizmet (orta derecede) |
| TP347H | ~600°C | Yüksek sıcaklık sürünme direnci; stabilize sınıf |
| SUS310S | ~700°C | Aşırı yüksek sıcaklık oksidasyon direnci |
Nikel Alaşımları
| Sınıf | Maks. Sıcaklık | Uygulama |
|---|---|---|
| Alaşımlı 800H / 800HT | ~600°C | Yüksek sıcaklıkta aşındırıcı hizmet; ekşi gaz |
Bobin Yapılandırması – Tüp Destekleri ve Kılavuzları
API 560'a göre, tüp hizalamasını korumak ve sarkmayı veya titreşimi önlemek için tüp destekleri gereklidir:
Radyan bölüm: Tüp askıları (dikey tüpler için), kılavuz destekler (yatay tüpler için) veya refrakter ankrajlar
Konveksiyon bölümü: Tüpleri kabul etmek için delikli destek plakaları veya tüp levhaları
Destek aralığı: Tüp boyutuna, malzemesine ve çalışma sıcaklığına göre belirlenir – tipik olarak 1.5m – 3.0m
Tüp kılavuzları: Yanal hareketi kısıtlarken eksenel termal genleşmeye izin verir
Termal Genleşme Yönetimi
Ateşlemeli ısıtıcı bobinleri, başlatma ve çalışma koşulları arasındaki sıcaklık farkları nedeniyle önemli termal genleşme yaşar
Genleşme şunlar aracılığıyla karşılanır:
Dönüş dirsekleri: Bitişik tüpler arasındaki diferansiyel genleşmeyi emen U şeklinde bağlantı parçaları
Genleşme döngüleri: Eksenel genleşmeyi emen boru hattı yapılandırmaları
Kılavuzlu destekler: Tüplerin hizalamayı korurken eksenel olarak kaymasına izin verir
Yüzer manifoldlar: Bobin ile birlikte hareket ederek genleşmeyi emen başlıklar
Genişletilmiş Yüzey – Kanatçıklar ve Saplamalar (Konveksiyon Bölümü)
Konveksiyon bölümünde ısı transferini artırmak için tüplere genellikle genişletilmiş yüzey takılır:
| Genişletilmiş Yüzey Tipi | Açıklama | Uygulama |
|---|---|---|
| Kanatçıklı tüp | Tüp dış çapına kaynaklanmış veya ekstrüde edilmiş helisel kanatçıklar | Konveksiyon bölümü; yüzey alanını 5–10 kat artırır |
| Saplamalı tüp (pim tüp) | Tüp yüzeyine kaynaklanmış saplamalar (pimler) | Kirlenme hizmeti; kurum üfleme işleminin kanatçık hasarı olmadan yapılmasını sağlar |
| Tırtıklı kanatçık | Daha yüksek ısı transfer katsayısı için yarık veya tırtıklı kanatçık | Yüksek verimli konveksiyon hizmeti |
Tipik kanatçık/saplama parametreleri:
Kanatçık yüksekliği: 12mm – 25mm
Kanatçık aralığı: İnç başına 4 – 12 kanatçık (FPI)
Kanatçık malzemesi: Karbon çeliği, paslanmaz çelik veya alaşımlı çelik
Saplama malzemesi: Tipik olarak tüp malzemesiyle aynı veya uyumlu alaşım
Dönüş Dirsekleri – Bobin Bağlantıları
Dönüş dirsekleri, çok geçişli bobinlerde bitişik tüpleri birbirine bağlar, akış yönünü 180° ters çevirir:
Konum: Yanma odası içinde (radyan bölüm) veya bir başlık kutusu içinde (yanma odası dışında yalıtımlı bölme)
Tasarım basıncı ve sıcaklığı: Yanma odası içindeki dönüş dirsekleri – bağlanan tüplerle aynı; başlık kutusu içinde – aynı tasarım basıncı, akışkan sıcaklığı +30°C
Kalınlık: Bağlanan tüplerin kalınlığından en az aynı
Bağlantı parçaları: Boyuna kaynaklı bağlantı parçaları kullanılmamalıdır
Standartlar: SH/T 3065 (Petrokimya Borulu Isıtıcı Dönüş Dirsekleri), ASME B16.9
Dönüş dirseği merkezden merkeze boyutları (API 560 Tablo 4'e göre):
| Tüp Dış Çapı (mm) | Başlık Merkezden Merkeze (mm) |
|---|---|
| 60.3 | 101.6 |
| 73.0 | 127.0 |
| 88.9 | 152.4 |
| 101.6 | 177.8 |
| 114.3 | 203.2 |
| 127.0 | 228.6 |
| 141.3 | 254.0 |
| 152.4 | 279.4 |
| 168.3 | 304.8 |
| 193.7 | 355.6 |
| 219.1 | 406.4 |
| 273.1 | 508.0 |
Başlıklar ve Manifoldlar
Başlıklar (giriş ve çıkış manifoldları), proses akışkanını tüp bobinine dağıtır ve bobinden alır:
Tıpalı başlıklar: Tüp erişimi için çıkarılabilir tapalar; temiz hizmet için kullanılır
Kapalı plakalı başlıklar: Tam tüp erişimi için cıvatalı kapak; kirlenme hizmeti için kullanılır
Boru manifold başlıkları: Kaynaklı yapı; yüksek basınç hizmeti için kullanılır
Tasarım basıncı: Bağlanan tüplerle aynı
Tasarım sıcaklığı: O konumdaki akışkan sıcaklığı +30°C başlık kutusu montajı için
İmalat Süreci – Tüp Bobini Montajı
Tüp hazırlığı: Tüpler uzunluğa göre kesilir; uçlar ASME B16.25'e göre alın kaynağı için pahlanır
Dönüş dirseği bağlantısı: Dönüş dirsekleri tüp uçlarına kaynaklanır (GTAW kök + SMAW dolgu) ASME Bölüm IX'a göre
Kanatçık/saplama kaynağı: Konveksiyon tüplerine kanatçıklar veya saplamalar kaynaklanır (yüksek frekanslı kaynak veya direnç kaynağı)
Bobin montajı: Tüpler sıralara monte edilir ve desteklere sabitlenir
Başlık bağlantısı: Başlıklar bobin giriş/çıkışına kaynaklanır
PWHT: Cr-Mo alaşımları ve kalın duvarlı karbon çeliği bölümleri için gereklidir (ASME B31.3 / API 560'a göre)
Hidrostatik test: Tasarım basıncının 1.5 katı (API 560 / ASME B31.3'e göre)
Refrakter/yalıtım uygulaması: Kasa ve tüp desteklerine uygulanır (saha montajlı)
Muayene ve Test (API 560 / ASME B31.3'e Göre)
Tahribatsız Muayene (NDE)
| Muayene | Yöntem | Kapsam | Kabul Kriterleri |
|---|---|---|---|
| Tüp yüzeyi | PT veya MT | Kaynakların ve dirseklerin %100'ü | ASME / API 560'a Göre |
| Alın kaynakları | RT veya UT | %100 (API 560 / ASME B31.3'e göre) | ASME Bölüm VIII / B31.3'e Göre |
| Dönüş dirseği kaynakları | PT + RT | %100 | SH/T 3065 / ASME B16.9'a Göre |
| Kanatçık/saplama kaynakları | Görsel + çekme testi | Parti başına numune | Çatlak yok; çekme mukavemeti ≥ belirtilen |
| Boyutsal | Şablon / CMM | Bobin çizimine göre | ASME B16.9 / SH/T 3065'e Göre |
| PMI | XRF spektrometresi | Malzeme lotlarının %100'ü | Malzeme sertifikasıyla eşleşir |
Hidrostatik Test
Test basıncı: Tasarım basıncının 1.5 katı (API 560 / ASME B31.3'e göre)
Test ortamı: Korozyon inhibitörlü temiz su
Bekleme süresi: ≥ 30 dakika
Kabul: Sıfır basınç düşüşü; herhangi bir kaynak veya bağlantı parçasında görünür sızıntı yok
Pnömatik Kaçak Testi (belirtilmişse)
Test basıncı: 0.6 MPa hava veya nitrojen
Kaçak tespiti: Sabun köpüğü veya helyum kütle spektrometrisi
Kabul: Kabarcık yok; sızıntı oranı ≤ 1×10&sup7; Pa·m³/s
Uygulama Profilleri – Isıtıcı Tipine Göre Bobin Yapılandırmaları
Silindirik Isıtıcı (Dikey)
Bobin tipi: Helisel (sarmal) radyan bobin + yatay konveksiyon bobini
Tüp düzeni: Eşmerkezli dairelerde dikey tüpler; üst ve alt kısımlarda dönüş dirsekleri
Uygulama: Küçük ve orta ölçekli rafineri ısıtıcıları; yeniden ısıtıcılar; proses ısıtıcıları
Kutu Isıtıcı (Yatay)
Bobin tipi: Serpantin radyan bobin (yatay veya dikey geçişler) + yatay konveksiyon bobini
Tüp düzeni: Birden fazla sırada tüpler; yanma odası dışında başlık kutularında dönüş dirsekleri
Uygulama: Büyük rafineri ısıtıcıları; ham petrol ısıtıcıları; vakum ısıtıcıları
Çift Ateşlemeli / Çok Hücreli Isıtıcı
Bobin tipi: Ortak bir konveksiyon bölümünü paylaşan çift radyan bölüm
Tüp düzeni: Her iki taraftan ateşlenen tüpler
Uygulama: Yüksek kapasiteli rafineri ısıtıcıları; reformer fırınları
Özel Isıtıcılar
Reformer fırını: Katalizör dolu tüpler (dikey) U-dirsekli; yüksek sıcaklık alaşımlı malzemeler
Etilen çatlatma fırını: Özel bobin geometrili yüksek alaşımlı tüpler
Hidrojen üretim fırını: Katalizörlü reformer tüpleri; yüksek basınçlı hidrojen hizmeti
Sevkiyat Başına Dokümantasyon
Malzeme test sertifikaları (EN 10204 3.1 veya 3.2) – tüpler, bağlantı parçaları, başlıklar, kanatçıklar/saplamalar
API 560 / ASME B31.3 veri sayfası
Boyutsal muayene raporu (tüp dış çapı, et kalınlığı, aralığı, dirsek yarıçapı, merkezden merkeze)
NDE raporları – PT/MT/RT/UT/PMI (uygun olduğu şekilde)
Hidrostatik test raporu (basınç ve zaman kayıtları ile)
Pnömatik kaçak test raporu (yapılmışsa)
Kaynak prosedürü spesifikasyonu (WPS) ve prosedür yeterlilik kaydı (PQR)
PWHT grafiği (zaman-sıcaklık kaydı) – yapılmışsa
Bobin yerinde çizimi – tüp sayısı, geçiş yapılandırması, başlık boyutları ile
Kanatçık/saplama kaynak prosedürü ve çekme testi kayıtları (kanatçıklı/saplamalı ise)
Seçim Kontrol Listesi – Ateşlemeli Isıtıcı Tüp Bobini
Isıtıcı tipi – Silindirik / Kutu / Çift ateşlemeli / Reformer / Çatlatma
Bobin bölümü – Radyan / Konveksiyon / Her ikisi
Tüp dış çapı ve et kalınlığı – API 560 / ASME B31.3'e Göre
Tüp malzeme sınıfı – CS / Cr-Mo / SS / Alaşım – API 560 Tablo 5'e Göre
Tasarım basıncı ve sıcaklığı – API 560 / ASME B31.3'e Göre
Bobin yapılandırması – Serpantin / Helisel / Tek geçişli / Çok geçişli
Geçiş sayısı – Dönüş dirseği miktarı ve düzenini belirler
Genişletilmiş yüzey gerekli mi – Çıplak / Kanatçıklı / Saplamalı – kanatçık/saplama parametrelerini belirtin
Dönüş dirseği tipi – Kısa yarıçap (2× tüp dış çapı) / Uzun yarıçap (3× tüp dış çapı)
Başlık tipi – Tıpalı / Kapak plakalı / Boru manifoldlu
Korozyon payı – API 560 7.1.2'ye Göre
PWHT gereksinimi – Malzemeye ve kalınlığa göre
NDE gereksinimi – API 560 veya proje spesifikasyonuna göre
Temizleme yöntemi – Buhar-hava dekoksiyonu / Mekanik pigleme – bobin tasarımını etkiler
Tasarım Sınırlama Beyanı – Ateşlemeli Isıtıcı Tüp Bobini
Ateşlemeli ısıtıcı tüp bobini aşağıdaki sınırlamalara tabidir:
Yalnızca veri sayfasında belirtilen tasarım basıncı ve sıcaklığı için derecelendirilmiştir; bu limitlerin dışında çalıştırma tasarımı geçersiz kılar
Tüp metal sıcaklığı, belirtilen tasarım basıncında malzemenin izin verilen maksimum hizmet sıcaklığını aşmamalıdır
Boyuna kaynaklı bağlantı parçaları (dönüş dirsekleri) API 560 8.3.4'e göre kullanılmamalıdır
Bobin, termal genleşme için tasarlanmalıdır; yetersiz genleşme karşılanması tüp deformasyonuna, destek hasarına veya kaynak arızasına yol açar
Erozyona dayanıklı malzeme seçimi veya artırılmış et kalınlığı olmadan yüksek katı madde içeriğine (> ağırlıkça %2) sahip akışkanlar için uygun değildir
Konveksiyon bölümlerindeki kanatçıklı/saplamalı tüpler, performansı korumak için kurum üfleme veya temizleme gerektirir; kirlenme basınç düşüşünü artırır ve ısı transferini azaltır
Bobin değişimi, mevcut ısıtıcı geometrisine (tüp aralığı, geçiş yapılandırması, başlık boyutları) dikkatli bir şekilde eşleşmeyi gerektirir – saha modifikasyonları yeniden derecelendirme gerektirebilir
