Podstawa projektowania i warunków eksploatacji dla w pełni spawanych wymienników ciepła: Metodologia techniczna

Abstrakt
Całkowicie spawane wymienniki ciepła stanowią kluczową kategorię urządzeń cieplnych przeznaczonych do zastosowań, w których alternatywy z uszczelnieniem lub spawaniem są niepraktyczne lub niebezpieczne.Charakteryzuje się brakiem uszczelnień w drogach przepływu płynu, wymienniki te oferują wyższą odporność na wysokie ciśnienie, ekstremalne temperatury, korozyjne medium i cykle termiczne.Niniejszy artykuł przedstawia kompleksową metodologię określania konstrukcji i warunków pracy całkowicie spawanych wymienników ciepła na podstawie konkretnych przypadków zastosowań przemysłowychOkreśla on inżynieryjne uzasadnienie wyboru konstrukcji całkowicie spawanych w stosunku do innych typów, definiuje krytyczne parametry regulujące projekt (ciśnienie, temperatura, korozja,zmęczenie termiczne), i określa stopniową procedurę przekształcania wymagań procesu w zatwierdzoną specyfikację sprzętu.API 662) oraz integracja zaawansowanych narzędzi projektowych, takich jak analiza elementów skończonych (FEA) do oceny integralności naczyń ciśnieniowych.

Ewolucja procesów przemysłowych w kierunku wyższej wydajności, większych wymagań bezpieczeństwa i bardziej agresywnych środowisk operacyjnych doprowadziła do opracowania całkowicie spawanych wymienników ciepła.W przeciwieństwie do zespołów z uszczelnieniami płytkowo-ramkowymiZ kolei w przypadku całkowicie spawanych wymienników, które korzystają z uszczelnień elastomerowych między płytami, do tworzenia przejść płynnych wykorzystuje się spawania stałe.

• Wyeliminowanie warunków awarii związanych z uszczelnieniami:Wyeliminowane są wycieki spowodowane degradacją uszczelnienia, zestawem kompresyjnym lub cyklem termicznym.

• Rozszerzone zakres operacyjny:Zdolne do obsługi ciśnienia przekraczającego 100 barów i temperatury w warunkach kryogenicznych (-200 °C) do ponad 800 °C (z odpowiednimi materiałami).

• Kompatybilność chemiczna:Brak ograniczeń elastomerycznych; odpowiedni do agresywnych węglowodorów, kwasów i mediów o wysokiej czystości.

• Bezpieczne zamknięcie:Konstrukcja spawana zapewnia wtórne zabezpieczenie przed uwalnianiem niebezpiecznych płynów.

Jednakże korzyści te wiążą się z kompromisami: całkowicie spawane wymienniki są na ogół mniej dostępne do czyszczenia (czyszczenie mechaniczne jest ograniczone lub niemożliwe),Modyfikacje wymagają znaczącej poprawyW związku z tym decyzja o określeniu wymiennika całkowicie spawanego musi opierać się na rygorystycznej ocenie warunków pracy,wymagania w zakresie utrzymania, i kosztów cyklu życia.

Niniejszy artykuł ustanawia ramy metodologiczne do określania warunków projektowania i eksploatacji całkowicie spawanych wymienników ciepła.Jest ona skonstruowana w celu prowadzenia inżyniera przez proces podejmowania decyzji., szczegółową definicję parametrów, względy dotyczące materiałów i konstrukcji mechanicznej oraz procedury walidacji zapewniające niezawodną długoterminową eksploatację.

Przed rozpoczęciem analizy metodologii projektowania niezbędne jest zrozumienie podstawowych konfiguracji całkowicie spawanych wymienników ciepła, ponieważ każdy typ jest odpowiedni do określonych warunków eksploatacji.

W takiej konfiguracji zestaw płyt falistych jest całkowicie spawany wzdłuż krawędzi, a następnie zamknięty w powłokę ciśnieniową.drugi przepływa przez stronę powłoki.

• Warunki obsługi:Wysokie ciśnienie (do 40 ‰ 100 barów) po jednej lub obu stronach; umiarkowane do wysokich temperatur (do 400 ‰ 500 °C w zależności od materiałów).

• Typowe zastosowania:Reaktory chemiczne, systemy amin w przetwarzaniu gazu ziemnego, hydrauliczne chłodzenie oleju wysokiego ciśnienia.

Składają się one z płytek, w których oba płynów znajdują się w spawanych kanałach, bez powłoki.

• Warunki obsługi:Wysoka wydajność termiczna, kompaktowy odcisk; nadaje się do obsługi w warunkach wysokiej temperatury i korozyjnych, w których zamknięcia są zabronione.

• Typowe zastosowania:Pociągi do podgrzewania rafinerii, odzyskiwanie ciepła w wysokiej temperaturze, procesy korozyjne chemiczne.

Specjalistyczna kategoria, w której kanały przepływowe są fotokemicznie wygrawerowane na płytkach metalowych i łączone lub spawane.

• Warunki obsługi:Ekstremalne ciśnienie (do 500-1000 barów), kryogeniczne do wysokich temperatur.

• Typowe zastosowania:Platformy naftowe i gazowe na morzu (odwodnienie gazu), superkrytyczne cykle zasilania CO2, procesy z płynnym gazem ziemnym (LNG).

Zbudowany z dwóch długich metalowych płyt owiniętych wokół centralnego rdzenia, tworząc dwa koncentryczne spiralne kanały.

• Warunki obsługi:Obsługa płynów zanieczyszczających, suszonych, lepkich nośników oraz jednofazowych lub kondensacyjnych.

• Typowe zastosowania:Przemysł celulozowo-papierniczy, oczyszczanie ścieków, zakłady chemiczne z przepływami zanieczyszczeń.

Wybór między tymi typami jest sam w sobie częścią określenia podstawy projektowania i zależy od specyficznego połączenia ciśnienia, temperatury, tendencji do skażenia i wymaganej czystości.

Pierwszym krokiem w ustalaniu podstawy projektowania jest ustalenie, czy konfiguracja całkowicie spawana jest konieczna lub odpowiednia.Decyzja ta opiera się na systematycznej ocenie parametrów procesu w odniesieniu do ograniczeń technologii alternatywnych.

Wymienniki ciepła z taśmami uszczelniającymi są zazwyczaj ograniczone do ciśnienia projektowego 10-25 barów, a specjalistyczne konstrukcje ciężkich urządzeń rozciągają się do 30-40 barów.

• Podstawa projektowania:Całkowicie spawana konstrukcja jest obowiązkowa dla bezpiecznej pracy.

• Rozważenie:Projekty wysokiego ciśnienia wymagają grubszych płyt, zmniejszonych luk kanałowych i rygorystycznej analizy naprężenia według kodów naczyń ciśnieniowych.

Przy procesach działających powyżej tych temperatur:

• Podstawa projektowania:Materiały takie jak stal nierdzewna, stopy niklu i tytanu zachowują integralność w temperaturach przekraczających 500°C.

• Rozważenie:Różnice w rozszerzaniu termicznym między komponentami stają się krytyczne i muszą być rozwiązywane poprzez elastyczne elementy konstrukcyjne lub przepisy dotyczące rozszerzania.

Przyciski są podatne na atak chemiczny, obrzęk lub ekstrakcję.

• Silne kwasy utleniające (np. stężony kwas azotowy), które atakują większość elastomerów.

• Węglowodory aromatyczne (benzen, toluen), które powodują obrzęk w wielu powszechnych materiałach uszczelniających.

• Płynów o wysokiej czystości (wody ultraczystej, farmaceutycznych środkach pośrednich), w których nie można wyciągać materiałów z uszczelnień.

• Podstawa projektowania:Całkowicie spawana konstrukcja całkowicie eliminuje ograniczenie kompatybilności uszczelnienia.

Stosowania obejmujące płynów łatwopalnych, toksycznych lub niebezpiecznych dla środowiska wymagają najwyższego poziomu integralności zamknięcia.

• Podstawa projektowania:Konstrukcja spawana zapewnia ciągłą barierę metalową bez dynamicznych uszczelnień podlegających długotrwałej degradacji.

• Kierowcy regulacyjni:API 662 (Plate Heat Exchangers for General Refinery Services) oraz sekcja VIII, sekcja 1 lub 2 normy ASME stanowią ramy dla zastosowań o kluczowym znaczeniu dla bezpieczeństwa.

Natomiast całkowicie spawane wymienniki sąNie, nieodpowiednie w przypadku konieczności częstego czyszczenia mechanicznego; jeżeli płyn ma dużą skłonność do zanieczyszczania i nie może być czyszczony chemicznie (CIP),preferowana jest jednostka z uszczelnieniem (pozwalająca na dostęp do płyty) lub wymiennik muszli i rur (pozwalający na ciągnięcie rur).

Po podjęciu decyzji o zastosowaniu całkowicie spawanego wymiennika następny etap polega na określeniu szczegółowych parametrów projektowych, które będą regulować specyfikację sprzętu.

Projekt termiczny rozpoczyna się od tych samych podstawowych obliczeń jak każdy wymiennik ciepła:

Jednakże w przypadku wymienników całkowicie spawanych stosuje się następujące dodatkowe względy:

Zmiany właściwości w zależności od temperatury i ciśnienia:

• Przy wysokich ciśnieniach (zwłaszcza w pobliżu punktów krytycznych) właściwości płynu (gęstość, lepkość, ciepło właściwe) mogą się znacząco różnić.

• W przypadku płynów nadkrytycznych (np. CO2 w cyklach mocy) wymagane są specjalistyczne metody projektowania i modele równań stanu.

Czynniki powodujące skażenie:

• W przypadku całkowicie spawanych wymienników nie ma dostępu do czyszczenia mechanicznego, dlatego współczynniki skażenia muszą być oszacowane bardziej ostrożnie niż w przypadku zespołów z uszczelnieniami.

• Standardowa odporność na zanieczyszczenie (np. TEMA) może być niewystarczająca; w przypadku nowych zastosowań zaleca się uzyskanie danych dotyczących konkretnych miejsc lub przeprowadzenie badań pilotażowych.

• Typowym podejściem do projektowania jest uwzględnienie 15~30% marży nad powierzchnią, zrównoważonej z ryzykiem niedoskonałości pomiędzy cyklami czyszczenia chemicznego.

Podstawa projektowania ciśnienia musi uwzględniać zarówno warunki pracy w stanie stacjonarnym, jak i zdarzenia przejściowe.

Inżynieryjne podstawy:W przeciwieństwie do jednostek z uszczelnieniami, w których kompresja uszczelnienia ogranicza dopuszczalne ciśnienie, całkowicie spawane wymienniki są zaprojektowane jako naczynia ciśnieniowe.MAWP ustala się na podstawie najsłabszego składnika, zazwyczaj opakowania płytkowego, spawania lub powłoki i muszą być zwalidowane przez obliczenia lub badania.

Temperatura wpływa na dobór materiału, rozkład naprężenia termicznego oraz możliwość zmęczenia termicznego.

Określenie temperatury metalu:

• W przypadku całkowicie spawanych jednostek płyt metalowych temperatura metalu jest przybliżona jako średnia dwóch temperatur płynu.

• W przypadku jednostek z płytką i powłoką strona powłoki może mieć różne profile temperatury; do ustalenia temperatur szczytowych może być wymagana analiza elementów skończonych (FEA).

Cykl termiczny:

• W przypadku zastosowań obejmujących częste uruchamianie/wyłączanie lub procesy seryjne urządzenia podlegają cyklowi cieplnemu.

• W sekcji VIII sekcji 2 normy ASME określono wymagania dotyczące analizy zmęczenia naczyń ciśnieniowych podlegających cyklicznej pracy.

• W przypadku całkowicie spawanych zestawów płyt spawalniczych spawania są potencjalnymi miejscami rozpoczęcia zmęczenia; należy odpowiednio określić projekt spawania i inspekcję (np. penetrant barwnikowy, radiograficzna).

Wskaźniki rozpoczęcia i zakończenia działalności:

• Należy określić maksymalnie dopuszczalne prędkości ogrzewania i chłodzenia w celu zapobiegania nadmiernemu obciążeniu termicznemu.

• Typowe limity wynoszą 50-100°C na godzinę dla średnich konstrukcji, z niższymi wskaźnikami dla grubiutkich sekcji lub niepodobnych spań materiałowych.

Wybór materiału dla całkowicie spawanych wymienników ciepła jest bardziej krytyczny niż w przypadku zespołów z uszczelnieniami, ponieważ degradacja materiału nie może zostać rozwiązana poprzez wymianę uszczelnienia, ponieważ cała jednostka może zostać zagrożona.

Projekt musi uwzględniać potencjalne mechanizmy korozji specyficzne dla danego urządzenia:

Konstrukcja mechaniczna całkowicie spawanych wymienników ciepła musi być zgodna z obowiązującymi przepisami dotyczącymi naczyń ciśnieniowych.Podejście różni się od zespołów z uszczelnieniami, ponieważ sam zestaw płytki staje się elementem utrzymującym ciśnienie.

W przypadku złożonych geometrii (płyty z falami, spawane zamknięcia kanałów) lub konstrukcji wysokiego ciśnienia FEA musi:

• Sprawdzić rozkład naprężenia w opakowaniu płyt pod ciśnieniem i obciążeniami termicznymi.

• Ocena współczynników stężenia naprężenia spawania.

• Ocena trwałości z powodu zmęczenia w przypadku pracy cyklicznej.

• Określenie właściwości deformacji pod ciśnieniem różniczkowym.

Kluczowe wyniki FEA:

• Prężenie membranowe pierwotne (graniczne zgodnie z normą ASME VIII-2)

• Prywatne + wtórne naprężenie (w przypadku obciążeń termicznych)

• Szczytowe obciążenie (do oceny zmęczenia)

Złoty w całkowicie spawanych wymiennikach mają strukturę i utrzymują ciśnienie.

• Rodzaj spawania:W przypadku złączy utrzymujących ciśnienie wymagane są spawania o pełnym przepuszczeniu; częściowe przepuszczanie może być dopuszczalne w przypadku urządzeń niepodciśnieniowych.

• Wymogi dotyczące kontroli:Badanie radiograficzne (RT) lub ultradźwiękowe (UT) dla spań krytycznych; barwnik przenikający (PT) do badania powierzchni.

• Wymagania w odniesieniu do urządzeń, które są objęte kontrolą techniczną:Wymagane dla niektórych materiałów (np. stali węglowej o określonej grubości) w celu złagodzenia naprężenia pozostałego i zapobiegania łamliwemu pękaniu.

Wydajność cieplna całkowicie spawanych wymienników zależy w sposób krytyczny od jednolitego rozkładu przepływu w całej płytce.

• Włączające i zbiorniki:W celu zapewnienia równomiernego rozkładu przepływu może być wymagana obliczeniowa analiza dynamiki płynów (CFD) dla dużych jednostek lub usług krytycznych.

• Geometria kanału:Wzorce korygujące (kolczyk heringowy, płytka myjąca) powodują turbulencje i poprawiają transfer ciepła, ale również wpływają na spadek ciśnienia i rozkład przepływu.

W przeciwieństwie do zespołów z uszczelnieniami, w których można dodać płyty w celu zmniejszenia prędkości, całkowicie spawane jednostki mają stałą liczbę płyt.

• Konstrukcyjny spadek ciśnienia musi być określony z większą precyzją.

• Rozmiar pompy musi uwzględniać spadek ciśnienia wymiennika przy minimalnej możliwości regulacji pola.

• W celu uwzględnienia różnic w produkcji i niewielkich zanieczyszczeń uwzględnia się marżę projektową (zwykle 10-15%).

Warunki obsługi:

• Proces: Chłodzenie gazu ziemnego z temperatury 80°C do 25°C za pomocą chłodnicy propanowej.

• Ciśnienie robocze: 95 barów.

• Skład płynu: gaz ziemny z ciężkimi węglowodorami; strona propanowa.

• Klasyfikacja bezpieczeństwa: Gaz łatwopalny.

Określenie podstawy projektowania:

• Wybór typu:Konfiguracja całkowicie spawana płytka i powłoka wybrana ze względu na wysokie ciśnienie i wymagania bezpieczeństwa.

• Podstawa ciśnienia:MAWP ustawiony na 110 barów (15% nad poziomem roboczym).

• Temperatura:Temperatura konstrukcyjna -20°C-100°C w celu dostosowania się do warunków uruchamiania i otoczenia.

• Materiały:316L ze stali nierdzewnej dla strony gazowej (gaz zawierający siarkę wymaga dopuszczenia do korozji); stal węglowa dla powłoki propanu.

• Zgodność z kodeksem:ASME Sekcja VIII, Sekcja 2 z zatwierdzeniem FEA opakowania płytkowego.

• Inspekcja:100% badania radiograficznego głównych spań; badania wycieku helu.

Warunki obsługi:

• Proces: Chłodzenie 98% kwasu siarkowego z temperatury 120°C do 50°C przy użyciu wody chłodzącej.

• Ciśnienie robocze: 6 bar (strona kwasowa), 5 bar (strona wodna).

• Żrzawość: Bardzo żrąca; ryzyko przyspieszonej korozji w podwyższonych temperaturach.

Określenie podstawy projektowania:

• Wybór typu:Całkowicie spawany wymiennik typu bloku, wybrany w celu wyeliminowania uszczelnień, które nie zadziałałyby w usłudze kwasowej.

• Podstawa korozji:Wybór materiału oparty na danych dotyczących szybkości korozji: Hastelloy C-276 po stronie kwasowej; 316L po stronie wodnej.

• Temperatura:Temperatura konstrukcyjna 150°C w warunkach zakłóceń.

• Podstawa powstawania skażenia:Strona kwasowa jest uważana za nieprzekrętną; strona wodna obejmuje 0,0002 m2·K/W dopuszczalnego zakrztu.

• Utrzymanie:Wbudowane urządzenia do czyszczenia chemicznego na miejscu (CIP); nie wymagany dostęp do czyszczenia mechanicznego.

• Włókno:Złoty o pełnym przepuszczaniu; wygrzewanie roztworu po spawaniu w celu przywrócenia odporności na korozję.

Warunki obsługi:

• Proces: odzyskiwanie ciepła między superkrytycznymi strumieniami CO2.

• Ciśnienie robocze: 250 barów.

• Temperatura: strona gorąca 550°C; strona zimna 100°C wejście, 400°C wyjście.

• Płyn: wysokiej czystości CO2.

Określenie podstawy projektowania:

• Wybór typu:Wybrany wymiennik ciepła z obwodu drukowanego (PCHE) ze względu na duże ciśnienie, wymagania dotyczące kompaktu i wysoką skuteczność termiczną (> 95%).

• Podstawa ciśnienia:MAWP 300 bar (w tym przejściowe nadciśnienie).

• Wybór materiału:Stop 800H do wysokiej odporności na wkręcanie.

• Ocena zmęczenia:Rozszerzona analiza cyklu termicznego; trwałość projektu 30 lat przy codziennym cyklu.

• Wyrób:łączenie dyfuzyjne za pomocą selektywnego spawania laserowego; badania kwalifikacyjne zgodnie z normami ASME Kodeksu kotłów i naczyń ciśnieniowych, sekcja III (nuklearne), ze względu na brak konwencjonalnego kodeksu.

Podstawa projektowania musi również określać ograniczenia eksploatacyjne w celu ochrony urządzenia w ciągu całego okresu jego użytkowania.

Projektowanie całkowicie spawanych wymienników ciepła wymaga rygorystycznego, systematycznego podejścia, które integruje wymagania dotyczące wydajności termicznej z inżynierią naczyń ciśnieniowych, nauką materiałów,i bezpieczeństwo procesówW przeciwieństwie do alternatyw z uszczelnieniem lub lutowaniem, konstrukcja całkowicie spawana eliminuje uszczelnienia dynamiczne, ale nakłada trwałe decyzje projektowe, które nie mogą być łatwo modyfikowane w terenie.

Określenie warunków projektowania i eksploatacji następuje zgodnie ze złożoną metodologią:

1. Decyzja podstawowa:Ustalenie, że konstrukcja całkowicie spawana jest uzasadniona na podstawie ciśnienia, temperatury, kompatybilności płynów lub wymogów bezpieczeństwa.

2. Definicja parametru:Precyzyjnie określając obowiązek termiczny, ciśnienie (MAWP i różnicę), temperaturę (funkcjonowanie, konstrukcja i przejściowe) oraz oczekiwania na skażenie.

3. Wybór materiału:Wybór stopów na podstawie mechanizmów korozji, temperatury i wymogów kodów.

4. Projekt mechaniczny:Zastosowanie odpowiednich kodów naczyń ciśnieniowych, wykonywanie FEA dla złożonych geometrii oraz określenie jakości spawania i kontroli.

5. Projekt hydrauliczny:Zapewnienie jednolitego rozkładu przepływu i dokładnego przewidywania spadku ciśnienia.

6. Środki bezpieczeństwa operacyjnego:Określenie limitów i systemów ochrony w celu utrzymania integralności przez cały cykl życia urządzenia.

Właściwie zastosowana metoda ta pozwala na uzyskanie urządzeń, które niezawodnie zawierają płyn niebezpieczny, wytrzymują ekstremalne warunki pracy,i zapewnia wydajność termiczną przy minimalnej interwencji konserwacyjnejW miarę jak procesy przemysłowe ciągle przesuwają się w kierunku wyższego ciśnienia, wyższych temperatur i bardziej agresywnych mediów,całkowicie spawany wymiennik ciepła, zaprojektowany na solidnej podstawie inżynieryjnej, pozostanie niezbędnym elementem arsenału inżynierów termicznych.