| Обозначение по ГОСТ | Эквивалент TEMA | Конструктивные особенности | Область применения | Допустимая разность температур, °C |
|---|---|---|---|---|
| Н | BEM, AEL, NEN | Неподвижные трубные решетки жестко закреплены в корпусе, прямые трубы | Теплообменники, холодильники, конденсаторы, испарители | до 50 |
| К | AEK, BEK | Неподвижные решетки с линзовым или сильфонным компенсатором на кожухе | Теплообменники, холодильники, вакуумные конденсаторы | 50–100 |
| П | AES, AET, BES | Плавающая головка с уплотнительным устройством, свободное перемещение трубного пучка | Теплообменники, холодильники, термосифонные испарители | до 200 |
| У | BEU, AEU | U-образные трубы, одна трубная решетка, свободное температурное расширение | Теплообменники с высокими перепадами температур | без ограничений |
| ИП, ИУ | AKT, BKU | Наличие парового пространства для разделения фаз | Испарители с паровым пространством | по расчету |
| ПК | AEP, BEP | Плавающая головка с компенсатором непосредственно на головке | Теплообменники со сложными режимами | до 150 |
| Материал | Марки сталей/сплавов | Теплопроводность, Вт/(м·К) | Рабочий диапазон температур, °C | Коррозионная стойкость | Типичное применение |
|---|---|---|---|---|---|
| Углеродистая сталь | Ст3, Ст20, 09Г2С | 45–54 | −40…+450 | Низкая, требует защиты | Неагрессивные среды, водо-водяные системы |
| Аустенитная нержавеющая сталь | 12Х18Н10Т (AISI 321), 08Х18Н10 (AISI 304), 10Х17Н13М2Т (AISI 316) | 15–17 | −196…+600 | Высокая к общей коррозии | Химическое производство, пищевая промышленность |
| Дуплексная сталь | SAF 2205, SAF 2507 | 15–19 | −50…+300 | Очень высокая к хлоридам | Морская вода, хлорсодержащие среды |
| Медь и медные сплавы | М1, М2, Л63, ЛО70-1 | 110–394 | −60…+250 | Хорошая в пресной воде | Конденсаторы, охладители масла |
| Титан | ВТ1-0, Grade 2, Grade 7 | 14–22 | −60…+350 | Исключительная стойкость | Агрессивные кислоты, морская вода |
| Никелевые сплавы | Inconel 625, Hastelloy C-276, 06ХН28МДТ | 9–15 | −100…+800 | Максимальная универсальность | Высокотемпературные агрессивные среды |
| Графит | Графитовые блоки, импрегнированные смолой | 85–130 | −20…+200 | Стойкость к кислотам | Соляная, серная, фосфорная кислоты |
| Метод очистки | Принцип действия | Типы удаляемых отложений | Преимущества | Ограничения | Периодичность |
|---|---|---|---|---|---|
| Химическая (безразборная) | Циркуляция реагентов по замкнутому контуру с последующей нейтрализацией и промывкой | Накипь (CaCO₃, CaSO₄), ржавчина, органические пленки | Не требует демонтажа, высокая эффективность для растворимых отложений | Требует подбора реагента, риск коррозии без ингибиторов, утилизация отходов | 1–2 раза в год |
| Гидродинамическая | Подача воды под высоким давлением (500–1500 бар) через специальные насадки | Механические отложения, плотный налет, органика | Экологичность, отсутствие химикатов, универсальность | Дорогостоящее оборудование, не справляется с плотной накипью | По результатам диагностики |
| Механическая (разборная) | Очистка щетками, скребками, сверлами с подачей промывочной жидкости | Твердые отложения, коксовые образования, продукты коррозии | Эффективна для любых типов загрязнений, визуальный контроль | Требует демонтажа, риск повреждения труб, трудоемкость | При капремонте |
| Гидроабразивная | Подача абразивных материалов под давлением воздуха или воды | Накоксованные отложения, плотные коррозионные слои | Высокая производительность, удаление стойких загрязнений | Износ поверхности труб, применимо для стальных труб | При значительных отложениях |
| Ультразвуковая | Воздействие ультразвуковых волн, разрушающих структуру отложений | Биологические пленки, мягкие отложения, накипь начальной стадии | Минимальное воздействие на металл, глубокая очистка | Специальное оборудование, ограничения по размерам | Профилактически |
| Комбинированная | Последовательное применение нескольких методов (химия + гидродинамика) | Многослойные сложные отложения | Максимальная эффективность, комплексный подход | Высокая стоимость, увеличенное время простоя | При критическом загрязнении |
| Тип дефекта | Локализация | Причины возникновения | Признаки | Методы контроля | Способы устранения |
|---|---|---|---|---|---|
| Общая коррозия | Внутренняя/наружная поверхность труб, кожух | Агрессивность среды, недостаточная защита, электрохимические процессы | Утонение стенки, рыхлые отложения продуктов коррозии | Ультразвуковая толщинометрия, визуальный контроль | Замена труб, нанесение защитных покрытий |
| Питтинговая коррозия | Поверхность труб, особенно в застойных зонах | Локальное разрушение пассивной пленки, хлорид-ионы | Точечные каверны, сквозные отверстия малого диаметра | Вихретоковый контроль, эндоскопия | Заглушка труб, замена трубного пучка |
| Эрозионный износ | Входные участки труб, зоны перегородок | Высокая скорость потока, абразивные частицы в среде | Характерные борозды, утонение на входе | УЗК, визуальный контроль при ревизии | Снижение скорости потока, защитные втулки |
| Усталостные трещины | Места заделки труб в решетку, сварные швы | Вибрация, циклические термические нагрузки | Микротрещины, постепенное разрушение | Магнитопорошковый, капиллярный контроль | Подварка, замена участков, антивибрационные меры |
| Нарушение развальцовки | Соединения труб с трубной решеткой | Термоциклирование, вибрация, неправильный монтаж | Течи в зоне трубной решетки | Гидравлические испытания, течеискание | Повторная развальцовка, подварка |
| Деформация кожуха | Корпус теплообменника | Превышение давления, температурные напряжения, неравномерный нагрев | Овальность, вмятины, нарушение геометрии | Измерительный контроль, визуальный осмотр | Правка, усиление, замена секций |
| Загрязнение поверхности (фоулинг) | Теплопередающие поверхности | Накипь, биообрастание, полимеризация среды | Снижение теплопередачи, рост гидравлического сопротивления | Термографический контроль, мониторинг параметров | Очистка соответствующим методом |
Назначение кожухотрубных теплообменников в химическом производстве
Кожухотрубные теплообменники представляют собой базовый тип теплообменного оборудования, применяемого в технологических процессах химической, нефтехимической, газоперерабатывающей и смежных отраслей промышленности. Данные аппараты обеспечивают эффективную передачу тепловой энергии между двумя рабочими средами, разделенными стенками теплообменных труб, и характеризуются надежностью конструкции, широким диапазоном рабочих параметров и возможностью применения в различных технологических схемах.
Принцип работы основан на теплопроводности материала трубного пучка: одна среда циркулирует внутри труб (трубное пространство), вторая — в межтрубном пространстве между наружной поверхностью труб и внутренней поверхностью кожуха. В зависимости от технологического назначения кожухотрубные аппараты могут выполнять функции подогревателей, охладителей, конденсаторов, испарителей и ребойлеров.
Согласно требованиям ГОСТ 31842-2012 (ИСО 16812:2007), стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты проектируются для работы под расчетным давлением до 21 МПа, под вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па при температуре стенки не ниже минус 70°C. Эти параметры охватывают подавляющее большинство технологических процессов в химическом производстве.
Основные узлы конструкции
Конструктивно кожухотрубный теплообменник состоит из следующих основных элементов: цилиндрического кожуха (корпуса), трубного пучка с теплообменными трубами, трубных решеток для фиксации труб, распределительных камер (передней и задней головок), поперечных и продольных перегородок в межтрубном пространстве, опорных конструкций и технологических штуцеров.
Трубный пучок является основным теплопередающим элементом. Трубы закрепляются в трубных решетках методом развальцовки, обварки или их комбинации. Перегородки трубного пучка обеспечивают требуемое направление потока в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен и предотвращая застойные зоны.
↑ К полному оглавлениюКонструктивные типы кожухотрубных теплообменников
Классификация кожухотрубных теплообменников определяется способом компенсации температурных деформаций, возникающих при различии температур трубного пучка и кожуха в процессе эксплуатации. В соответствии с ГОСТ 31842-2012 и международным стандартом TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association), выделяют несколько основных конструктивных типов.
Теплообменники жесткого типа (тип Н по ГОСТ)
Аппараты с неподвижными трубными решетками представляют наиболее простую и распространенную конструкцию. Обе трубные решетки жестко приварены к кожуху, трубы прямые. Данный тип применяется при разности температур теплоносителей не более 50°C, когда температурные деформации не превышают допустимых значений. Преимуществами являются низкая стоимость, простота изготовления и возможность механической очистки трубного пространства.
Теплообменники полужесткого типа (тип К)
При значительных температурных напряжениях в конструкцию вводится линзовый или сильфонный компенсатор на кожухе. Это позволяет увеличить допустимый перепад температур до 100°C. Компенсатор защищается внутренней гильзой от попадания загрязнений и снижения гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве.
Теплообменники нежесткого типа (типы П, У, ПК)
Для условий с большим перепадом температур применяются конструкции с плавающей головкой (тип П) или U-образными трубами (тип У). В аппаратах с плавающей головкой одна из трубных решеток имеет возможность свободного осевого перемещения внутри кожуха. Теплообменники с U-образными трубами содержат только одну трубную решетку, а противоположные концы труб изогнуты и не закреплены, что обеспечивает свободное температурное расширение.
Система обозначений TEMA
Международный стандарт TEMA (10-е издание, 2019 г.) использует трехбуквенную систему обозначения, где первая буква определяет тип передней неподвижной головки (A — канальный с крышкой, B — колпак, C — канальный с трубной доской, N — без крышки, D — высокого давления), вторая — тип кожуха (E — одноходовой, F — двухходовой с продольной перегородкой, J — разделенный поток, K — ребойлер, X — поперечный поток), третья — тип задней головки (L, M, N — неподвижные, P, S, T, W — плавающие, U — U-трубы).
↑ К полному оглавлениюМатериалы трубных пучков и корпусных элементов
Выбор конструкционных материалов для кожухотрубных теплообменников определяется комплексом требований: коррозионной стойкостью к рабочим средам, механической прочностью при расчетных температурах и давлениях, теплопроводностью, технологичностью изготовления и свариваемостью. Требования к материалам регламентируются ГОСТ 34347-2017 и отраслевыми стандартами.
Углеродистые и низколегированные стали
Стали Ст3, Ст20, 09Г2С применяются для изготовления кожухов, трубных решеток и труб при работе с неагрессивными средами. Низколегированные стали обеспечивают хорошую теплопроводность (45–54 Вт/(м·К)) и удовлетворительную прочность в диапазоне температур от минус 40 до плюс 450°C. Для работы с водой и паром требуется контроль pH и содержания кислорода для предотвращения коррозии.
Коррозионностойкие стали
Аустенитные нержавеющие стали типа 12Х18Н10Т (аналог AISI 321), 08Х18Н10 (AISI 304) и 10Х17Н13М2Т (AISI 316) широко применяются в химическом производстве. Теплопроводность этих сталей составляет 15–17 Вт/(м·К). Добавка молибдена в стали типа 316 повышает стойкость к питтинговой коррозии в хлорсодержащих средах.
Для особо агрессивных сред применяются высоколегированные сплавы: 06ХН28МДТ (аналог AISI 904L) работает в серной, фосфорной и уксусной кислотах при температурах до 80°C; никелевые сплавы типа Hastelloy C-276 устойчивы практически ко всем коррозионным средам.
Цветные металлы и сплавы
Медь технических марок М1, М2 характеризуется высокой теплопроводностью (около 394 Вт/(м·К)) и применяется в конденсаторах и маслоохладителях. Латунные сплавы (Л63, Л68) имеют теплопроводность 100–120 Вт/(м·К). Алюминиево-латунные сплавы (ЛАМш77-2-0,05) устойчивы к морской воде. Титановые сплавы ВТ1-0 и ОТ4-0 с теплопроводностью 14–22 Вт/(м·К) обеспечивают исключительную коррозионную стойкость к хлорсодержащим средам, окислителям и морской воде.
Неметаллические материалы
Для работы с концентрированными кислотами (соляной, серной, фосфорной) применяются графитовые теплообменники с импрегнированными блоками. Теплопроводность графита (85–130 Вт/(м·К)) сопоставима с металлами, при этом обеспечивается высокая химическая стойкость. Ограничением является относительно низкое допустимое давление и хрупкость материала.
↑ К полному оглавлениюОсобенности эксплуатации в химическом производстве
Эксплуатация кожухотрубных теплообменников в химическом производстве сопряжена с рядом специфических условий: агрессивность рабочих сред, наличие механических примесей, склонность к образованию отложений, периодические пуски и остановки с термоциклированием. Соблюдение эксплуатационных требований определяет безопасность, надежность и срок службы оборудования.
Режимы пуска и остановки
При пуске теплообменника необходимо исключить термический удар, который возникает при резкой подаче горячего теплоносителя на холодные поверхности. Рекомендуемая скорость разогрева и охлаждения не должна превышать 5°C/мин для предотвращения термических напряжений. Заполнение системы производится после охлаждения трубных решеток при вынужденных остановках.
Перед пуском выполняется проверка затяжки фланцевых соединений, состояния прокладок и арматуры. Подача теплоносителей производится последовательно: сначала холодного, затем горячего. При остановке порядок обратный: сначала прекращается подача горячего теплоносителя.
Контроль рабочих параметров
В процессе эксплуатации контролируются следующие параметры: температуры на входе и выходе обоих потоков, давления в трубном и межтрубном пространствах, расходы теплоносителей. Отклонение параметров от проектных значений указывает на загрязнение поверхностей, наличие неконденсируемых газов или нарушение режима работы смежного оборудования.
Рост перепада давления при неизменном расходе свидетельствует о загрязнении проточной части. Снижение температурного напора при сохранении расходов указывает на отложения на теплопередающих поверхностях. Мониторинг этих параметров позволяет своевременно планировать очистку.
Вибрационные явления
Вибрация трубного пучка возникает при определенных скоростях потока в межтрубном пространстве и может приводить к усталостному разрушению труб в местах заделки. Для предотвращения вибрации конструктивно предусматриваются промежуточные опоры труб (перегородки), а эксплуатационно — контроль скоростей потоков в допустимых пределах.
↑ К полному оглавлениюТехническое обслуживание и регламенты
Система технического обслуживания кожухотрубных теплообменников включает комплекс плановых мероприятий различной периодичности и глубины, направленных на поддержание работоспособности, предупреждение отказов и обеспечение безопасной эксплуатации. Регламенты разрабатываются с учетом требований ФНП «Правила промышленной безопасности при использовании оборудования, работающего под избыточным давлением» и рекомендаций производителя.
Ежедневный контроль
Ежедневный обход включает визуальный осмотр на предмет течей через фланцевые и сальниковые уплотнения, сварные швы; проверку показаний контрольно-измерительных приборов и их запись в оперативный журнал; контроль положения запорной арматуры; оценку состояния теплоизоляции и опорных конструкций.
Текущий ремонт
Текущий ремонт выполняется ежегодно или по результатам диагностики. Объем работ включает: подтяжку или замену прокладок фланцевых соединений, ревизию запорной арматуры, проверку состояния теплоизоляции, контроль креплений и опор, очистку наружных поверхностей от загрязнений.
Средний ремонт
Средний ремонт проводится каждые 2–3 года. Дополнительно к объему текущего ремонта выполняется: снятие крышек и распределительных камер, очистка трубного и межтрубного пространства от отложений, испытания на плотность для выявления дефектных труб, ревальцовка или подварка мест течей, глушение поврежденных труб, выборочный контроль толщины стенок труб и кожуха.
Капитальный ремонт
Капитальный ремонт назначается по результатам технического освидетельствования и включает полную разборку аппарата, дефектацию всех элементов, замену трубного пучка или отдельных труб, ремонт трубных решеток, замену прокладок и крепежа, восстановление защитных покрытий, гидравлические испытания и пневмоиспытания на герметичность.
Периодичность работ
Рекомендуемая периодичность профилактических работ для кожухотрубных теплообменников в химическом производстве: ежедневный контроль — непрерывно в процессе эксплуатации; еженедельный осмотр — 1 раз в 7 дней; ежемесячное ТО — 1 раз в месяц; текущий ремонт — 1 раз в год; средний ремонт — каждые 2–3 года; капитальный ремонт — по состоянию, в соответствии с руководством по эксплуатации и требованиями ФНП.
↑ К полному оглавлениюТехнологии очистки теплообменных поверхностей
Образование отложений на теплопередающих поверхностях (фоулинг) является основной причиной снижения эффективности теплообменников. Накипь, продукты коррозии, органические отложения и биообрастание уменьшают коэффициент теплопередачи и увеличивают гидравлическое сопротивление. Выбор метода очистки определяется типом загрязнений, конструкцией аппарата и материалом теплопередающих поверхностей.
Химическая очистка
Химическая промывка основана на растворении отложений реагентами. Для карбонатной накипи применяются растворы соляной, ортофосфорной или лимонной кислот с концентрацией 3–10%. Щелочные растворы (едкий натр, тринатрийфосфат) эффективны для удаления органических загрязнений и масляных пленок. Обязательно использование ингибиторов коррозии для защиты металла.
Технология безразборной химической очистки предусматривает создание замкнутого циркуляционного контура: насосная установка подключается к входному и выходному патрубкам теплообменника, реагент циркулирует заданное время с контролем pH и температуры. После промывки выполняется нейтрализация, промывка водой и пассивация поверхности.
Гидродинамическая очистка
Метод основан на разрушении отложений струями воды под высоким давлением. Промышленные установки создают давление от 500 до 1500 бар. Для очистки внутренней поверхности труб применяются специальные насадки, вводимые внутрь с помощью гибких рукавов. Метод экологически безопасен, не требует утилизации химических отходов, эффективен для механических и рыхлых отложений.
Механическая очистка
Механическая очистка требует разборки теплообменника и применяется для удаления твердых, плотных отложений, не поддающихся химическому растворению. Используются вращающиеся щетки, скребки, сверла с подачей промывочной жидкости. Для очистки межтрубного пространства применяется пескоструйная или гидроабразивная обработка.
Рекомендации по выбору метода
При выборе способа очистки учитываются: тип и толщина отложений (для тонкого слоя — химическая, для плотного — механическая или комбинированная); материал труб (для меди и латуни исключаются агрессивные кислоты); конструкция теплообменника (U-трубы сложны для механической очистки); производственные ограничения (длительность простоя, доступность оборудования).
↑ К полному оглавлениюДефекты и методы неразрушающего контроля
Эксплуатационные повреждения кожухотрубных теплообменников обусловлены коррозионным и эрозионным воздействием рабочих сред, температурными напряжениями, вибрацией и гидравлическими ударами. Своевременное выявление дефектов методами неразрушающего контроля (НК) позволяет планировать ремонтные мероприятия и предотвращать аварийные ситуации.
Классификация дефектов
По характеру повреждения дефекты подразделяются на: коррозионные (общая, питтинговая, межкристаллитная коррозия, коррозионное растрескивание); эрозионные (износ входных участков труб, зон перегородок); механические (трещины, вмятины, нарушение развальцовки); загрязнения поверхностей. По расположению различают дефекты трубного пучка, трубных решеток, кожуха и сварных соединений.
Вихретоковый контроль труб
Вихретоковый метод является основным для диагностики трубных пучков теплообменников. Принцип основан на анализе изменения электромагнитного поля вихревых токов, наводимых в металле трубы. Датчик вводится внутрь трубы и перемещается по всей длине, фиксируя дефекты. Метод позволяет обнаружить утонение стенки, питтинговую коррозию, трещины и сквозные отверстия.
Для труб из ферромагнитных материалов (углеродистая сталь) применяется метод удаленного поля (RFT) или ближнего поля (NFT). Для немагнитных материалов (нержавеющая сталь, медные сплавы, титан) используется стандартный вихретоковый контроль (ECT).
Ультразвуковой контроль
Ультразвуковая толщинометрия применяется для измерения остаточной толщины стенок кожуха, трубных решеток и отдельных труб. Метод IRIS (Ultrasonic Internal Rotary Inspection System) обеспечивает построение профиля внутренней поверхности трубы с визуализацией коррозионных повреждений. Ультразвуковая дефектоскопия выявляет внутренние дефекты сварных швов и расслоения металла.
Другие методы контроля
Магнитопорошковый и капиллярный методы применяются для выявления поверхностных трещин на трубных решетках, кожухе и сварных швах. Гидравлические испытания позволяют обнаружить негерметичность соединений труб с решеткой. Пневмоиспытания с обмыливанием или течеискатели (гелиевые, акустические) обеспечивают локализацию мест утечек.
Периодичность контроля
Объем и периодичность неразрушающего контроля определяются условиями эксплуатации, руководством по эксплуатации и требованиями нормативных документов. Периодичность технического освидетельствования сосудов устанавливается в соответствии с ФНП «Правила промышленной безопасности при использовании оборудования, работающего под избыточным давлением» (Приказ Ростехнадзора № 536 от 15.12.2020) и руководством по эксплуатации оборудования.
↑ К полному оглавлениюРасчетные параметры и формулы
Проектирование и оценка работы кожухотрубных теплообменников основаны на тепловом и гидравлическом расчетах. Тепловой расчет определяет требуемую поверхность теплообмена, гидравлический — потери давления в трубном и межтрубном пространствах. Методы расчета регламентированы нормами ГОСТ 34233.1-34233.12.
Основное уравнение теплопередачи
Тепловая мощность теплообменника определяется уравнением:
где Q — тепловая мощность (Вт); k — коэффициент теплопередачи (Вт/(м²·К)); F — площадь теплообменной поверхности (м²); ΔTср — средний температурный напор (К).
Среднелогарифмический температурный напор
Для противотока и прямотока средний температурный напор вычисляется как среднелогарифмическая величина:
где ΔTб — большая разность температур на концах теплообменника; ΔTм — меньшая разность температур. При многоходовом движении вводится поправочный коэффициент ε, учитывающий отклонение от идеального противотока.
Коэффициент теплопередачи
Коэффициент теплопередачи определяется термическими сопротивлениями:
где α1, α2 — коэффициенты теплоотдачи со стороны трубного и межтрубного пространства; δст — толщина стенки трубы; λст — теплопроводность материала стенки; Rзагр — термическое сопротивление загрязнений.
Оценка загрязнения по эксплуатационным данным
Степень загрязнения теплообменника оценивается по снижению коэффициента теплопередачи относительно проектного значения. Критерием для назначения очистки служит снижение эффективности на 15–20% или рост гидравлического сопротивления на 30–50% от первоначального.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
- ГОСТ 31842-2012 (ИСО 16812:2007) — Нефтяная и газовая промышленность. Теплообменники кожухотрубчатые. Технические требования.
- ГОСТ 34347-2017 — Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия.
- ГОСТ 34233.1-34233.12 — Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность (серия).
- TEMA Standards, 10th Edition (2019) — Стандарты на кожухотрубные теплообменники (Tubular Exchanger Manufacturers Association).
- ФНП «Правила промышленной безопасности при использовании оборудования, работающего под избыточным давлением» (Приказ Ростехнадзора № 536 от 15.12.2020, действует до 01.01.2027).
- ТР ТС 032/2013 — О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением.
- Тимонин А.С. Машины и аппараты химических производств. — М.: Машиностроение.
- Павлов К.Ф., Романков П.Г. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.
- Документация производителей теплообменного оборудования: Alfa Laval, GEA, Kelvion.
