Tubi degli scambiatori di calore: guida alla selezione di materiali, qualità e dimensioni

I tubi dello scambiatore di calore  sono tubi a parete sottile che formano il fascio di uno scambiatore di calore a fascio tubiero, di un condensatore, di un evaporatore o di un riscaldatore dell'acqua di alimentazione, ovvero la superficie attraverso la quale il calore passa tra due fluidi. La scelta del tubo è un equilibrio di tre cose contemporaneamente: conduttività termica, resistenza meccanica alla temperatura e resistenza alla corrosione dei fluidi  sia  sul lato tubo che sul lato mantello. Se si sbaglia il materiale, il pacco perde; si sbaglia la parete o la tolleranza e non si riesce a sigillare la piastra tubiera.

ZC Steel Pipe (ZHENCHENG Steel Co., Ltd.) è un produttore cinese che fornisce tubi per scambiatori di calore e condensatori su ordinazione per l'intera gamma di materiali: acciaio al carbonio, lega Cr-Mo, acciaio inossidabile austenitico e duplex, rame-nichel, lega di nichel e titanio - ad ASTM, ASME, EN, DIN, JIS e GB. Questa guida fornisce gli standard vigenti, le proprietà meccaniche verificate da ASME per i gradi di acciaio, le gamme dimensionali e una chiara logica di selezione dei materiali per i settori energetico, delle raffinerie, petrolchimico, HVAC e marittimo.

CONTENUTO

1. Cosa sono i tubi dello scambiatore di calore?

2. Famiglie di materiali per tubi

3. Standard e proprietà meccaniche verificate

4. Dimensioni, spessore della parete e tolleranze

5. Configurazioni di tubi e giunti di piastre tubiere

6. Selezione dei materiali per servizio

7. Come specificare i tubi dello scambiatore di calore (lista di controllo PO)

8. Domande frequenti

1. Cosa sono i tubi dello scambiatore di calore?

Un tubo dello scambiatore di calore trasporta un fluido attraverso il suo foro mentre un secondo fluido scorre attraverso la sua superficie esterna nel guscio. Il calore si trasferisce attraverso la parete del tubo, quindi il tubo è la superficie di lavoro dell'intera unità. Poiché in un singolo fascio possono esserci centinaia o migliaia di tubi, ciascuno espanso o saldato in una piastra tubiera su entrambe le estremità, l'uniformità del diametro esterno, della parete e della rettilineità sono importanti tanto quanto la qualità.

DEFINIZIONE — SCAMBIATORE DI CALORE/TUBO CONDENSATORE Un tubo a parete sottile senza saldatura o saldato utilizzato negli scambiatori di calore a fascio tubiero, condensatori, evaporatori e riscaldatori dell'acqua di alimentazione per trasferire il calore tra due fluidi. Governato da standard specifici per i tubi (ad esempio ASTM A179, A213, A249, B111, B338) – non da standard per i tubi – perché l'accettazione si basa sul controllo delle pareti, sulla finitura superficiale e sull'integrità del giunto della piastra tubiera piuttosto che sul contenimento della pressione di linea.

Questa distinzione tra tubi e tubi è l'errore di specifica più comune nell'approvvigionamento di scambiatori di calore e guida il resto di questa guida.

2. Famiglie di materiali dei tubi

ZC fornisce cinque famiglie di materiali per il servizio degli scambiatori di calore. La famiglia giusta viene determinata innanzitutto dall'ambiente di corrosione e dalla temperatura, quindi ristretta dal costo e dalla conduttività.

Acciaio al carbonio e C-Mo

Specifiche:  A179, A192, A210, A214

Utilizzo:  Caldaia, acqua di alimentazione, radiatore dell'olio

Limite:  fluidi non corrosivi

Acciaio legato al Cr-Mo

Specifiche:  A213 T11 / T12 / T22 / T91

Utilizzo:  surriscaldatore, HX ad alta temperatura

Limite:  scorrimento a temperatura elevata

Acciaio inossidabile/duplex

Specifiche:  A213 / A249; 2205

Gradi:  TP304/L, TP316/L

Utilizzo:  Acidi, cloruri, igiene

Rame/Cu-Ni

Specifiche:  ASTM B111

Gradi:  90/10, 70/30 Cu-Ni

Utilizzo:  HVAC, condensatori marini

Lega di nichel

Gradi:  Inconel 600/625

Inoltre:  Hastelloy C276, Monel 400

Utilizzo:  Corrosione/calore estremi

Titanio

Gradi:  Gr.2, Gr.5 (B338)

Utilizzo:  Acqua di mare, desalinizzazione

Forza:  Leggero, resistente al cloruro

3. Standard e proprietà meccaniche verificate

La tabella seguente fornisce lo standard applicabile ai tubi e le proprietà meccaniche minime dell'ASME Sezione II-A per i gradi di acciaio al carbonio e legato. I valori sono presi dalle specifiche ASME BPVC II-A, non stimati.

Fonte: ASME BPVC Sezione II-A (SA-179, SA-192, SA-210, SA-214, SA-213). A179 e A214 non sono sottoposti a test di trazione obbligatorio nel corpo standard e sono accettati in termini di durezza; i valori di trazione indicati per A179/A192 sono valori di progetto indicati nelle note esplicative.

Critico: T91 NON è un grado inossidabile.  ASTM A213 copre sia tubi ferritici che austenitici, mentre T91 (9Cr-1Mo-V) rientra nella famiglia  ferritico-martensitica  , non nella famiglia degli inossidabili austenitici. Non raggruppare T91 con TP304 / TP316 in una tabella di corrosione o in una procedura di saldatura. La sua resistenza al creep alle alte temperature è eccellente, ma il suo comportamento alla corrosione e la saldabilità (preriscaldamento, PWHT) sono completamente diversi dall'acciaio inossidabile austenitico.

Per i tubi degli scambiatori di calore in acciaio inossidabile austenitico, gli standard corretti sono  ASTM A213 (senza saldature)  e  ASTM A249 (saldati)  nei gradi TP304/304L e TP316/316L; i bundle duplex utilizzano 2205 (UNS S31803/S32205). I tubi del condensatore in lega di rame seguono ASTM B111 mentre i tubi in titanio seguono ASTM B338. Confermare i minimi meccanici esatti per questi gradi non di acciaio rispetto allo standard applicabile e al codice di progettazione.

Nota sull'approvvigionamento: 'A312' su uno scambiatore di calore è un campanello d'allarme.  ASTM A312 è una specifica per  tubi in acciaio inossidabile  . Condivide i nomi dei gradi TP304/TP316, quindi è facile copiarlo per errore su una richiesta di tubi, ma un tubo dello scambiatore di calore dovrebbe essere ordinato su A213 (senza saldatura) o A249 (saldato), che portano i requisiti dimensionali, di appiattimento, di svasatura e di correnti parassite specifici del tubo di cui un fascio ha effettivamente bisogno. Specificando lo standard del tubo, segue il prodotto giusto.

I gradi di carbonio e Cr-Mo qui si sovrappongono fortemente alla pratica dei tubi per caldaie; per i dettagli sul limite di temperatura e sulla qualità su A192 / A210 / A213, vedere il nostro guida ai gradi dei tubi per caldaie → , e per la famiglia degli inossidabili, spiegazione del tubo senza saldatura inossidabile austenitico →

4. Dimensioni, spessore della parete e tolleranze

Il tubo dello scambiatore di calore è dimensionalmente controllato in modo molto più rigoroso rispetto al tubo di linea, poiché il coefficiente della pellicola sul lato del tubo e l'espansione della piastra tubiera dipendono entrambi dal diametro esterno e dalla parete costanti. Le gamme standard di ZC sono riportate di seguito; le dimensioni personalizzate sono realizzate su ordinazione.

Engineering Insight: il muro medio rispetto al muro minimo cambia il prezzo e il design.  Il tubo può essere ordinato con tolleranza della parete media o minima. La parete minima garantisce il punto più sottile ma costa di più ed è mediamente più pesante; la parete media è più leggera ed economica ma consente punti sottili entro la tolleranza. La progettazione della pressione e i calcoli dell'assottigliamento della curva a U devono utilizzare la base effettivamente ordinata: dichiararlo esplicitamente anziché lasciare le impostazioni predefinite del produttore.

5. Configurazioni dei tubi e giunti delle piastre tubiere

Oltre al grado e alle dimensioni, tre scelte di configurazione determinano l'ordine dei tubi: la geometria del fascio, la finitura dell'estremità del tubo e se la superficie è liscia o alettata.

Gamme standard ZC. Nell'ordine è necessario specificare un diametro esterno/parete più stretto e una base tra parete media e parete minima per adattarla al design dello scambiatore.

Le estremità dei tubi sono unite alla piastra tubiera mediante espansione a rulli, mediante saldatura o entrambi (espansi e saldati a tenuta) per una maggiore integrità. Le curve a U introducono un assottigliamento delle pareti sul raggio esterno e possono richiedere una distensione su alcuni gradi, pertanto la pianificazione del tubo a U deve essere indicata con l'ordine. Per la saldatura tubo-piastra tubiera e il contesto più ampio della connessione, vedere panoramica dei tipi di connessione →

Punto critico di progettazione: la corrosione del lato tubo e del lato mantello sono due problemi diversi.  Un tubo può passare all'interno e guastarsi all'esterno. L'acqua di raffreddamento all'interno di un tubo di acciaio inossidabile austenitico può causare cricche da tensocorrosione da cloruro nel foro, mentre lo stesso fascio va bene sul lato del mantello. Valutare sempre la corrosività di  entrambi  i fluidi, alla temperatura di esercizio, prima di fissare il materiale del tubo.

6. Selezione dei materiali per servizio

Il percorso decisionale riportato di seguito associa gli ambienti di servizio più comuni al materiale del tubo iniziale. La selezione finale deve essere confermata rispetto alla scheda tecnica del processo, al codice di progettazione e ad entrambe le caratteristiche chimiche dei fluidi.

Solo selezione del punto di partenza. Confermare rispetto alle pressioni parziali, al contenuto di cloruro, alla temperatura e alla velocità per il servizio effettivo.

7. Come specificare i tubi dello scambiatore di calore (lista di controllo PO)

Engineering Insight: i must-have del PO per scambiatori di calore

• Standard e qualità del tubo:  ad es. ASTM A213 TP316L (senza giunture) - non le specifiche del tubo.

• DE e parete:  con base di tolleranza (parete media rispetto a parete minima).

• Lunghezza e forma:  diritto o tubo a U (con raggi di curvatura/limite di assottigliamento).

• Trattamento termico/stato:  ricotto, solubilizzato; PWHT per i gradi di lega.

• Superficie e pulizia:  decapato, ricotto brillante, finitura ID/OD.

• CND:  prove a correnti parassite (ET), ultrasoniche (UT), idrostatiche, flaring/appiattimento.

• Certificati:  PMI, EN 10204 3.1/3.2 MTR, tracciabilità completa.

In qualità di produttore su ordinazione, ZC produce tubi in base alla scheda tecnica dello scambiatore (grado specifico, base di tolleranza, lunghezza e programma di piegatura a U) anziché forzare il lavoro in magazzino. Visualizza il pagina del prodotto tubi scambiatori di calore → , o ns inossidabile senza giunte →  e saldato inossidabile →  gamme.

8. Domande frequenti

Di che materiale sono fatti i tubi degli scambiatori di calore?

I tubi degli scambiatori di calore sono realizzati in acciaio al carbonio (ASTM A179, A192, A214), acciaio legato al Cr-Mo (A213 T11/T22), acciaio inossidabile austenitico e duplex (A213 senza saldatura / A249 saldato, gradi TP304/304L, TP316/316L, 2205), rame e leghe di rame-nichel (ASTM B111, 90/10 e 70/30 Cu-Ni), leghe di nichel (Inconel, Hastelloy, Monel) e titanio (Gr.2, Gr.5). Il materiale viene scelto in base alla temperatura di esercizio, alla pressione e alla corrosività dei fluidi sia sul lato tubo che sul lato mantello.

Qual è la differenza tra i tubi ASTM A179 e A192?

A179 è un tubo in acciaio a basso tenore di carbonio trafilato a freddo senza saldatura per scambiatori di calore e condensatori in servizio a bassa pressione; non prevede prove di trazione obbligatorie ed è accettato sulla durezza (72 HRBW max). A192 è un tubo per caldaia in acciaio al carbonio senza saldatura per servizi ad alta pressione, con un massimo di silicio controllato pari a 0,25% e un limite di durezza di 137 HBW. Entrambi condividono valori minimi di progettazione di 47 ksi (325 MPa) di trazione e 26 ksi (180 MPa) di snervamento.

Qual è la differenza tra ASTM A213 e A249?

A213 riguarda i tubi senza saldatura per caldaie, surriscaldatori e scambiatori di calore in acciaio legato ferritico e austenitico; A249 copre l'equivalente saldato in acciaio inossidabile austenitico. Per i tubi degli scambiatori di calore in acciaio inossidabile, A213 è il percorso senza saldatura e A249 il percorso saldato. Si noti che A312 è una specifica del tubo, non la specifica corretta del tubo, anche se condivide le designazioni del grado TP304/TP316.

In quali dimensioni sono disponibili i tubi degli scambiatori di calore?

I diametri esterni dei comuni tubi degli scambiatori di calore vanno da circa 6 mm a 50 mm per i tubi senza saldatura e fino a circa 150 mm per i tubi saldati, con spessore della parete da 0,5 mm a 10 mm e lunghezze da 1 ma 12 m. Pareti sottili e tolleranze strette tra diametro esterno e parete sono tipiche perché il trasferimento di calore dal lato del tubo e l'espansione da tubo a piastra tubiera dipendono entrambi dal controllo dimensionale.

Quale materiale del tubo dello scambiatore di calore è il migliore per i condensatori marini e dell'acqua di mare?

Per l'utilizzo con condensatori marini e con acqua di mare, le scelte abituali sono le leghe di rame-nichel (90/10 o 70/30 Cu-Ni) per una buona conduttività termica e resistenza al biofouling, o il titanio di grado 2 dove la vaiolatura del cloruro e l'erosione-corrosione sono gravi. L'acciaio al carbonio standard e l'acciaio inossidabile 304 sono generalmente inadatti all'acqua di mare grezza a causa dell'attacco del cloruro.

I tubi dello scambiatore di calore sono senza saldatura o saldati?

Vengono utilizzati entrambi. Il tubo senza saldatura (A179, A192, A213) è preferito per il servizio a pressione e temperatura più elevate ed evita un cordone di saldatura. Il tubo saldato (acciaio al carbonio A214, acciaio inossidabile A249) è conveniente per fasci di grandi dimensioni in servizio a bassa pressione e viene fornito con la zona di saldatura completamente trattata termicamente e testata. La scelta dipende dalla pressione, dalla temperatura, dal fluido e dal budget.

Tubi per scambiatori di calore di origine di ZC Steel Pipe

ZHENCHENG Steel Co., Ltd. (ZC Steel Pipe) produce tubi per scambiatori di calore e condensatori su ordinazione secondo ASTM, ASME, EN, DIN, JIS e GB: acciaio al carbonio (A179/A192/A210/A214), lega Cr-Mo (A213 T11/T22/T91), acciaio inossidabile austenitico e duplex (A213/A249, 2205), rame-nichel, lega di nichel e titanio. Controllo di qualità rigoroso: analisi chimiche, test meccanici e idrostatici, NDT a correnti parassite e ad ultrasuoni e PMI. Progetti realizzati in Africa, Medio Oriente e Sud America.

E-mail: mandy. w@zcsteelpipe.com   | Whatsapp: +86-139-1579-1813

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