پایه طراحی و وضعیت سرویس برای مبادلات گرما کاملاً جوشیده شده: یک روش فنی

خلاصه
مبادلات حرارتی کاملاً جوشکاری یک دسته از تجهیزات حرارتی حیاتی را نشان می دهند که برای کاربردهایی طراحی شده اند که جایگزین های گاسکت شده یا بریز شده غیر عملی یا خطرناک هستند.با عدم وجود گاسکت ها در مسیرهای جریان مایع مشخص می شود، این مبادلات مقاومت برتر در برابر فشار بالا، دمای شدید، رسانه های خوردنی و چرخه حرارتی را ارائه می دهند.در این مقاله یک روش جامع برای تعیین طراحی و شرایط عملیاتی مبادلات گرما کاملاً جوش داده شده بر اساس موارد استفاده صنعتی خاص ارائه شده استاین کتاب، منطق مهندسی انتخاب ساختارهای کاملاً جوش داده شده را در مقابل انواع دیگر تعیین می کند، پارامترهای حیاتی را که طراحی را کنترل می کنند (ضغط، دمای، خوردگی،خستگی حرارتی)، و روش مرحله ای برای ترجمه الزامات فرآیند به یک مشخصات تجهیزات معتبر را مشخص می کند.API 662) و ادغام ابزارهای پیشرفته طراحی مانند تجزیه و تحلیل عناصر محدود (FEA) برای ارزیابی یکپارچگی ظرف فشار.

تکامل فرآیندهای صنعتی به سمت کارایی بالاتر، الزامات ایمنی بیشتر و محیط های عملیاتی تهاجمی تر باعث توسعه مبادلات گرما کاملاً جوش شده شده است.بر خلاف واحد های بشکه و قاب بسته شدهدر حالی که این دستگاه ها به مهر های لاستومری بین صفحات متکی هستند، مبادلات کاملاً جوش داده شده از جوش های دائمی برای ایجاد گذرگاه های مایع استفاده می کنند.

• حذف حالت های خرابی مربوط به گشایش:نشت ناشی از تخریب گاسکت، مجموعه فشرده سازی یا چرخه حرارتی از بین می رود.

• پوشش عملیاتی گسترده:قادر به تحمل فشار بیش از 100 بار و دما از شرایط کریوجنیک (-200 °C) تا بیش از 800 °C (با مواد مناسب).

• سازگاری شیمیایی:بدون محدودیت های لاستومری؛ مناسب برای هیدروکربن های تهاجمی، اسید ها و رسانه های با خلوص بالا.

• محاصره ایمنی:ساخت و ساز جوش داده شده، محاصره ثانویه ای را در برابر انتشار مایعات خطرناک فراهم می کند.

با این حال، این مزایا با مبادلات تجاری همراه است: مبادلات کاملاً جوش داده شده به طور کلی برای تمیز کردن کمتر در دسترس هستند (صفایش مکانیکی محدود یا غیرممکن است) ،اصلاحات نیاز به کار مجدد قابل توجهی دارند.، و هزینه های ساخت بالاتر از معادل گاسکت شده است. بنابراین تصمیم به مشخص کردن یک مبدل کاملاً جوش داده شده باید بر اساس ارزیابی دقیق شرایط عملیاتی باشد.الزامات نگهداری، و ملاحظات هزینه چرخه عمر.

این ماده چارچوب روش شناسی برای تعیین شرایط طراحی و سرویس مبادلات گرما کاملاً جوش داده شده را تعیین می کند.این ساختار برای هدایت مهندس در فرآیند تصمیم گیری اساسی است.، تعریف دقیق پارامترها، ملاحظات طراحی مواد و مکانیکی و روش های اعتباربخشی که عملکرد طولانی مدت قابل اطمینان را تضمین می کند.

قبل از پرداختن به روش طراحی، درک پیکربندی های اصلی مبادلات گرما کاملاً جوش داده شده ضروری است، زیرا هر نوع برای شرایط خاص سرویس مناسب است.

در این پیکربندی، یک بسته از صفحات بادی به طور کامل در امتداد لبه ها جوش داده می شود و سپس در یک پوسته فشار بسته می شود. یک مایع از طریق کانال های صفحه جریان می یابد.ديگري از طرف پوسته مي گذرد.

• شرایط خدمات:فشار بالا (تا ۴۰ تا ۱۰۰ بار) در یک طرف یا هر دو طرف؛ درجه حرارت متوسط تا بالا (تا ۴۰۰ تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد بسته به مواد).

• کاربردهای معمول:رآکتورهای شیمیایی، سیستم های آمین در پردازش گاز طبیعی، خنک سازی روغن هیدرولیک با فشار بالا.

این دستگاه شامل بسته های صفحه ای است که هر دو مایع در آن در کانال های جوش داده شده بدون پوسته قرار دارند. کل واحد یک مجموعه جوش داده شده با اتصالات یکپارچه است.

• شرایط خدمات:بهره وری حرارتی بالا، اثر فشرده؛ مناسب برای خدمات با دمای بالا و خوردگی که در آن گازها ممنوع هستند.

• کاربردهای معمول:قطارهای پیش گرم کردن پالایشگاه، بازیابی گرما در دمای بالا، پردازش شیمیایی خوردنی.

یک دسته تخصصی که در آن کانال های جریان به صورت فوتوشیمیایی در صفحات فلزی حک شده و به واسطه انتشار پیوند یا جوش داده می شوند. این قابلیت فشار بسیار بالا و فشرده سازی را ارائه می دهند.

• شرایط خدمات:فشار های شدید (تا 500-1000 بار) ، کریوجنیک تا دمای بالا.

• کاربردهای معمول:پلتفرم های نفت و گاز دریایی (جفای گاز) ، چرخه های قدرت CO2 فوق انتقادی، فرآیندهای گاز طبیعی مایع (LNG).

از دو صفحه فلزی بلند ساخته شده که دور هسته مرکزی پیچیده شده و دو کانال مارپیچی متمرکز ایجاد می کند. کل مجموعه جوش داده شده است.

• شرایط خدمات:استفاده از مایعات کثیف، خمیر، رسانه های چسبناک و وظایف تک فاز یا فشرده سازی.

• کاربردهای معمول:صنعت پالپ و کاغذ، تصفیه فاضلاب، کارخانه های شیمیایی با جریان آلودگی.

انتخاب بین این انواع خود بخشی از تعیین پایه طراحی است و به ترکیب خاص فشار، دمای، تمایل به آلودگی و قابلیت تمیز کردن مورد نیاز بستگی دارد.

اولین گام در ایجاد پایه طراحی تعیین این است که آیا یک پیکربندی کاملاً جوشکاری ضروری یا مناسب است.این تصمیم بر مبنای ارزیابی سیستماتیک پارامترهای فرآیند در برابر محدودیت های فن آوری های جایگزین است.

مبادلات گرما صفحه ای گاسکت شده به طور معمول به فشارهای طراحی 10 × 25 بار محدود می شوند ، با طراحی های تخصصی سنگین که تا 30 × 40 بار گسترش می یابد. برای کاربردهایی که از این محدودیت ها فراتر می روند:

• پایه طراحی:ساخت کاملاً جوشکاری برای عملیات ایمن اجباری است.

• توجه:طرح های فشار بالا نیاز به صفحات ضخیم تر، شکاف های کانال کاهش یافته و تجزیه و تحلیل فشارهای دقیق برای هر کد ظرف فشار دارند.

گاسکت های الاستومری دارای حداکثر دمای کار مداوم هستند که معمولا بین 150 °C (EPDM، Viton®) و 230 °C (perfluoroelastomers ویژه) است.

• پایه طراحی:ساخت کاملاً جوش داده شده (یا بریز شده) مورد نیاز است. مواد مانند فولاد ضد زنگ، آلیاژ های نیکل و تیتانیوم در دمای بالاتر از 500 درجه سانتیگراد یکپارچگی را حفظ می کنند.

• توجه:تفاوت های گسترش حرارتی بین اجزای مهم می شوند و باید از طریق عناصر طراحی انعطاف پذیر یا مقررات گسترش مورد توجه قرار گیرند.

گاسکت ها در برابر حمله شیمیایی، تورم یا استخراج حساس هستند. مایعات که از مهر و موم های الاستومری جلوگیری می کنند عبارتند از:

• اسیدهای اکسید کننده قوی (به عنوان مثال، اسید نیتریک متمرکز) که بر اکثر الاستومرها حمله می کنند.

• هیدروکربن های خوشبو (بنزن، تولوئن) که باعث تورم در بسیاری از مواد گاز رایج می شوند.

• مایعات با خلوص بالا (آب بسیار خالص، میانگین های دارویی) که مواد استخراج پذیر از گاسکت ها قابل قبول نیستند.

• پایه طراحی:ساخت کاملاً جوش داده شده محدودیت سازگاری گاسکت را به طور کامل از بین می برد.

کاربردهایی که شامل مایعات قابل احتراق، سمی یا خطرناک برای محیط زیست هستند، بالاترین سطح یکپارچگی محاصره را می خواهند.

• پایه طراحی:ساخت و ساز جوش داده شده یک مانع فلزی مداوم بدون مهر و موم های پویا تحت تخریب طولانی مدت را فراهم می کند.

• راننده هاي نظامي:API 662 (مبادلات گرما صفحه ای برای خدمات پالایشگاه عمومی) و بخش VIII، بخش 1 یا 2 ASME چارچوبی برای برنامه های امنیتی حیاتی را فراهم می کنند.

در مقابل، مبادلات کاملاً جوش داده شدهنهاگر مایع دارای گرایش زیاد به کثافت باشد و نمی توان آن را با روش شیمیایی تمیز کرد (CIP)یک واحد گاسکت شده (که اجازه دسترسی به صفحه را می دهد) یا یک مبادله کننده پوسته و لوله (که اجازه کشیدن لوله را می دهد) ترجیح داده می شود.

هنگامی که تصمیم به استفاده از یک مبدل کاملاً جوش داده شده تعیین شود، مرحله بعدی شامل تعریف پارامترهای طراحی خاص است که مشخصات تجهیزات را تنظیم می کند.

طراحی حرارتی با همان محاسبات اساسی که در هر مبادله گرما انجام می شود شروع می شود:

با این حال، برای مبادلات کاملاً جوش داده شده، ملاحظات اضافی زیر اعمال می شود:

تغییرات خاصیت با دمای و فشار:

• در فشار بالا (به ویژه در نزدیکی نقاط بحرانی) ، خواص مایع ( چگالی ، لزگی ، حرارت خاص) می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. طراحی باید تغییرات خاصیت را در امتداد مسیر جریان در نظر بگیرد.

• برای مایعات فوق بحرانی (به عنوان مثال CO2 در چرخه های قدرت) ، روش های طراحی تخصصی و مدل های معادله حالت مورد نیاز است.

عوامل آلودگی:

• مبادلات کاملاً جوش داده شده دسترسی به تمیز کردن مکانیکی ندارند. بنابراین، فاکتورهای آلودگی باید نسبت به واحدهای گاسکت شده با احتیاط بیشتری تخمین زده شوند.

• مقاومت های استاندارد در برابر آلودگی (به عنوان مثال، TEMA) ممکن است ناکافی باشد؛ داده های خاص سایت یا آزمایش آزمایشی برای برنامه های جدید توصیه می شود.

• یک رویکرد طراحی معمولی شامل یک حاشیه 15-30٪ بیش از سطح است، که با خطر عملکرد ضعیف بین چرخه های تمیز کردن شیمیایی متعادل است.

مبنای طراحی فشار باید شرایط عملیاتی حالت ثابت و حوادث گذرا را در نظر بگیرد.

دلایل مهندسی:بر خلاف واحدهای گاسکت شده که فشرده سازی گاسکت فشار مجاز را محدود می کند، مبادلات کاملاً جوش داده شده به عنوان ظروف فشار طراحی شده اند.MAWP توسط ضعیف ترین جزء مشخص می شود، جوش ها یا پوسته و باید با محاسبه یا تست تست تایید شود.

درجه حرارت بر انتخاب مواد، توزیع استرس حرارتی و احتمال خستگی حرارتی تأثیر می گذارد.

اندازه گیری دمای فلز:

• برای واحدهای صفحه ای کاملاً جوش داده شده، دمای فلز به عنوان میانگین دو دمای مایع تخمین زده می شود.

• برای واحدهای صفحه و پوسته، طرف پوسته ممکن است پروفایل های دمایی متفاوتی را تجربه کند؛ تجزیه و تحلیل عناصر محدود (FEA) ممکن است برای تعیین دمای اوج مورد نیاز باشد.

چرخه حرارتی:

• برنامه های کاربردی که شامل شروع / خاموش شدن مکرر یا فرآیندهای دسته بندی شده است، تجهیزات را تحت چرخه حرارتی قرار می دهند.

• طراحی باید طول عمر خستگی را در نظر بگیرد. بخش VIII، بخش 2 ASME الزامات تجزیه و تحلیل خستگی را برای ظروف تحت فشار تحت عملیات چرخه ای فراهم می کند.

• برای بسته های صفحه ای کاملاً جوش داده شده، جوش ها مکان های بالقوه شروع خستگی هستند؛ طراحی جوش و بازرسی (به عنوان مثال، نفوذ رنگ، رادیوگرافیک) باید مطابق با آن مشخص شود.

نرخ شروع و قطع:

• برای جلوگیری از فشار حرارتی بیش از حد، باید حداکثر نرخ گرمایش و خنک سازی مجاز مشخص شود.

• محدودیت های معمولی 50-100 ° C در ساعت برای طرح های متوسط، با نرخ های پایین تر برای بخش های ضخیم یا جوش مواد متفاوت است.

انتخاب مواد برای مبادلات حرارتی کاملاً جوش داده شده مهم تر از واحدهای گسیل شده است زیرا تخریب مواد نمی تواند با جایگزینی گسیل حل شود. کل واحد ممکن است به خطر افتد.

طراحی باید به مکانیسم های خوردگی احتمالی خاص برای سرویس توجه کند:

طراحی مکانیکی مبادلات حرارتی کاملاً جوشیده باید مطابق با قوانین مربوط به ظروف تحت فشار باشد.این رویکرد با واحدهای گاسکت شده متفاوت است زیرا بسته پلاک خود به یک جزء نگهدارنده فشار تبدیل می شود.

برای هندسه های پیچیده (پلاک های بسته بندی شده با لوله کشی، بسته شدن کانال های جوشیده) یا طرح های فشار بالا، FEA نیاز به:

• توزیع فشار در داخل بسته صفحه تحت فشار و بار حرارتی بررسی شود.

• فاکتورهای غلظت استرس جوش را ارزیابی کنید.

• ارزیابی طول عمر خستگی برای خدمات چرخه ای.

• مشخص کردن ویژگی های تغییر شکل تحت فشار دیفرانسیل.

خروجی های کلیدی FEA:

• فشارهای غشا اولیه (حدود بر اساس ASME VIII-2)

• فشار اولیه + ثانویه (برای بار های حرارتی)

• فشار اوج (برای ارزیابی خستگی)

جوش ها در مبادلات کاملاً جوش داده شده دارای ساختار و حفظ فشار هستند.

• نوع جوش:جوش های نفوذ کامل برای مفاصل نگهدارنده فشار مورد نیاز است؛ نفوذ جزئی ممکن است برای لوازم غیر فشار پذیرفته شود.

• الزامات بازرسی:بررسی رادیوگرافی (RT) یا فوق صوتی (UT) برای جوش های بحرانی؛ نفوذ کننده رنگ (PT) برای بررسی سطح.

• درمان حرارتی پس از جوش (PWHT):مورد نیاز برای مواد خاص (به عنوان مثال فولاد کربن بیش از ضخامت های خاص) برای کاهش فشارهای باقیمانده و جلوگیری از شکستگی شکننده.

عملکرد حرارتی مبادلات کاملاً جوشیده به طور حیاتی به توزیع یکنواخت جریان در سراسر بسته صفحه بستگی دارد. ملاحظات طراحی عبارتند از:

• پورتهای ورودی و مانفولدها:تجزیه و تحلیل دینامیک مایعات محاسباتی (CFD) ممکن است برای واحدهای بزرگ یا خدمات حیاتی مورد نیاز باشد تا توزیع جریان را تضمین کند.

• هندسه کانال:الگوهای موج (هینگبون، بشقاب شویی) آشفتگی ایجاد می کنند و انتقال گرما را بهبود می بخشند اما همچنین کاهش فشار و توزیع جریان را تحت تاثیر قرار می دهند.

برخلاف واحدهای گاسکت شده که می توانند صفحات را برای کاهش سرعت اضافه کنند، واحدهای کاملاً جوش داده شده تعداد صفحه ثابت دارند. بنابراین:

• کاهش فشار طراحی شده باید با دقت بیشتری مشخص شود.

• اندازه گیری پمپ باید کاهش فشار مبدل را با حداقل توانایی تنظیم میدان در نظر بگیرد.

• یک حاشیه طراحی (معمولاً 10٪ تا 15٪) برای حساب کردن تغییرات ساخت و ساز و آلودگی های جزئی گنجانده می شود.

شرایط خدمات:

• فرآیند: خنک کردن گاز طبیعی از ۸۰ درجه سانتیگراد تا ۲۵ درجه سانتیگراد با استفاده از یخچال پروپان.

• فشار کار: 95 بار

• ترکیب مایع: گاز طبیعی با هیدروکربن های سنگین؛ طرف پروپان.

• طبقه بندی ایمنی: گاز قابل اشتعال

تعیین پایه طراحی:

• انتخاب نوع:پیکربندی کاملاً جوشکاری صفحه و پوسته به دلیل فشار بالا و الزامات ایمنی انتخاب شده است.

• پایه فشار:MAWP تنظیم شده در 110 بار (15% حاشیه بالاتر از عملکرد). طرف پوسته (پروپان) برای 25 بار طراحی شده است.

• پایه ی دمایی:دمای طراحی -20°C تا 100°C برای پذیرش شرایط راه اندازی و محیط.

• مواد:فولاد ضد زنگ 316L برای سمت گاز (گاز حاوی گوگرد نیاز به تخفیف خوردگی دارد) ؛ فولاد کربن برای پوسته پروپان.

• انطباق با کد:بخش VIII، بخش 2 ASME با اعتبار FEA بسته بندی صفحه.

• بازرسی:بررسی رادیوگرافیک 100٪ از جوش های اصلی؛ آزمایش نشت هلیوم.

شرایط خدمات:

• فرآیند: خنک کردن 98٪ اسید سولفوریک از 120°C تا 50°C با استفاده از آب خنک کننده.

• فشار کار: 6 بار (جانب اسید) ، 5 بار (جانب آب).

• خوردگی: بسیار خوردگی؛ خطر خوردگی سریع در دمای بالا.

تعیین پایه طراحی:

• انتخاب نوع:یک مبادله کننده کاملاً جوشکاری که برای حذف گاسکت هایی که در خدمات اسید شکست می خورند انتخاب شده است.

• پایه خوردگی:انتخاب مواد بر اساس داده های نرخ خوردگی: استیل C-276 برای طرف اسید؛ 316L برای طرف آب.

• پایه ی دمایی:دمای طراحی 150 درجه سانتیگراد برای پذیرش شرایط اختلال.

• مبنای آلودگی:طرف اسید غیر آلوده کننده محسوب می شود؛ طرف آب شامل 0.0002 m2 · K / W اجازه آلودگی است.

• نگهداری:مقررات برای تمیز کردن شیمیایی در محل (CIP) گنجانده شده است؛ دسترسی مکانیکی به تمیز کردن مورد نیاز نیست.

• جوش:جوش های نفوذ کامل؛ جوش محلول پس از جوش برای بازگرداندن مقاومت در برابر خوردگی.

شرایط خدمات:

• فرآیند: بازیابی گرما بین جریان های فوق بحرانی CO2

• فشار کار: 250 بار

• دمای: طرف داغ 550 درجه سانتیگراد؛ طرف سرد 100 درجه سانتیگراد وارد، 400 درجه سانتیگراد خارج می شود.

• مایع: دی اکسید کربن خالص

تعیین پایه طراحی:

• انتخاب نوع:مبادله گرما مدار چاپی (PCHE) به دلیل فشار شدید، الزامات فشرده سازی و کارایی حرارتی بالا (> 95٪) انتخاب شده است.

• پایه فشار:حداکثر فشار مایع (MAWP) 300 بار (شامل فشار بیش از حد گذرا)

• انتخاب مواد:آلیاژ 800H برای مقاومت در برابر گرما

• ارزیابی خستگی:تجزیه و تحلیل چرخه حرارتی گسترده؛ عمر طراحی 30 سال با چرخه روزانه.

• تولید:اتصال پخش با جوش لیزری انتخابی؛ آزمایش صلاحیت بر اساس ASME کتل و ظرف فشار کد، بخش III (نوکری) استانداردها به دلیل عدم پوشش کد معمولی.

پایه طراحی همچنین باید محدودیت های عملیاتی را برای محافظت از تجهیزات در طول عمر خدمت خود تعریف کند.

طراحی مبادلات حرارتی کاملاً جوش داده شده نیاز به یک رویکرد دقیق و سیستماتیک دارد که الزامات عملکرد حرارتی را با مهندسی ظرف های تحت فشار، علوم مواد،و ملاحظات ایمنی فرآیندبرخلاف جایگزین های گاسکت شده یا جوش داده شده، ساخت کاملاً جوش داده شده مهر و موم های پویا را از بین می برد اما تصمیمات طراحی دائمی را تحمیل می کند که نمی تواند به راحتی در زمینه تغییر کند.

تعیین شرایط طراحی و عملیات بر اساس یک روش ساختاری انجام می شود:

1. تصمیم اساسی:تعیین اینکه ساخت کاملاً جوش داده شده بر اساس فشار، دمای، سازگاری مایعات یا الزامات ایمنی توجیه شده است.

2. تعریف پارامتر:به طور دقیق مشخص کردن وظیفه حرارتی، فشار (MAWP و تفاوت) ، دمای (کار، طراحی و گذرا) و انتظارات آلودگی.

3. انتخاب مواد:انتخاب آلیاژها بر اساس مکانیسم خوردگی، دمای و الزامات کد.

4. طراحی مکانیکی:استفاده از کدهای مناسب ظرف فشار، انجام FEA برای هندسه های پیچیده و مشخص کردن کیفیت جوش و بازرسی.

5. طراحی هیدرولیک:تضمین توزیع یکنواخت جریان و پیش بینی دقیق کاهش فشار.

6. حفاظت های عملیاتی:تعریف محدودیت ها و سیستم های حفاظت برای حفظ یکپارچگی در طول چرخه عمر تجهیزات.

هنگامی که به درستی اجرا شود، این روش تجهیزات را که به طور قابل اعتماد مایعات خطرناک را شامل می شود، در برابر شرایط عملیاتی شدید مقاومت می کند،و عملکرد حرارتی را با حداقل مداخله نگهداری ارائه می دهدبه عنوان فرآیندهای صنعتی به سمت فشار های بالاتر، دمای بالاتر و رسانه های تهاجمی تر ادامه می دهند،مبادله گرما کاملاً جوشکاری شده که بر مبنای مهندسی صحیح طراحی شده است، یک عنصر ضروری در زرادخانه مهندسین حرارتی باقی خواهد ماند.