Теплообменник с плавающей головкой: когда он оправдан и как подобрать условное давление

В теплообменнике с плавающей головкой (ТП) одна трубная решётка закреплена неподвижно, а вторая вместе с крышкой плавающей головки свободно перемещается внутри кожуха. Трубы удлиняются при нагреве независимо от кожуха, а пучок целиком вынимается.

Доводы за ТП — большая разница температур сред, давление выше 1,6 МПа (предел ТК по ТУ 3612-024) и необходимость механически чистить межтрубное пространство. Разберём каждое — и главное, как подобрать условное давление, если среда горячая.

Когда ТП, а когда ТУ

Оба типа позволяют трубам свободно удлиняться и вынимать пучок, и оба работают со средами от −30 до +450 °C. Различия — в давлении, диаметрах и разбивке труб:

• условное давление: у ТП до 8,0 МПа (при кожухе 500–800 мм), у ТУ — до 6,3 МПа;
• диаметр кожуха: ТП — до 1200 мм, ТУ — до 1400 мм;
• разбивка труб: у ТП — по квадрату или по треугольникам, у ТУ — только по треугольникам;
• трубы: у ТП прямые, у ТУ — согнутые буквой U.

Решающий довод — чистка. ГОСТ 31842-2012 (п. 5.5.4) требует располагать коридоры, которые нужно регулярно очищать, по прямому или повёрнутому квадрату. Из двух типов с извлекаемым пучком квадратную разбивку по ТУ 3612-023 даёт только ТП.

Условное давление при нагреве снижается — как подобрать

По приложению 3 ТУ 3612-023 предельное расчётное давление при температуре среды до 100 °C равно условному, а с ростом температуры снижается. Для аппаратов ТП, ХП, КП и ТУ:

• условное 1,6 МПа: при 200 °C — 1,49, при 300 °C — 1,20, при 450 °C — 0,57 МПа;
• условное 2,5 МПа: при 200 °C — 2,32, при 300 °C — 1,90, при 450 °C — 0,90 МПа;
• условное 4,0 МПа: при 200 °C — 3,72, при 300 °C — 3,00, при 450 °C — 1,40 МПа;
• условное 8,0 МПа: при 200 °C — 7,00, при 300 °C — 6,00, при 450 °C — 3,20 МПа.

Пример подбора. Среда в кожухе — 300 °C, нужное расчётное давление — 1,8 МПа. Условное 1,6 МПа при этой температуре даёт только 1,20 МПа — не проходит. Условное 2,5 МПа даёт 1,90 МПа — проходит. Значит, аппарат заказывают на 2,5 МПа, хотя рабочее давление ниже.

Значения для 250–450 °C технические условия дают только для аппаратов со стальными трубами.

Гидроиспытание ТП — в три этапа

ГОСТ 31842-2012 (таблица 14) испытывает аппараты с плавающей головкой и с U-образными трубами по частям, в три этапа. Для ТП:

• 1 — корпус без распределительной камеры, крышки плавающей головки и крышки корпуса, с двумя испытательными кольцами, пробным давлением межтрубного пространства;
• 2 — распределительная камера с трубным пучком и узлом плавающей головки, без корпуса и крышки корпуса, с испытательным кольцом, пробным давлением трубного пространства;
• 3 — фланцевые соединения на герметичность в сборе, пробным давлением обеих полостей одновременно.

Пробное давление считают по ГОСТ 34347-2017 от расчётного давления и отношения допускаемых напряжений материала при 20 °C и при расчётной температуре. Поэтому при одинаковом расчётном давлении пробные у полостей могут различаться: у нашего теплообменника 500ТПГ при расчётных 1,6 МПа в обеих полостях пробные — 2,3 и 2,53 МПа.

Как читать обозначение

Пример из технических условий — Теплообменник 1000 ТПГ-2,5-М1/20Г-6-Т-4-У-И:

• 1000 — внутренний диаметр кожуха, мм;
• ТПГ — с плавающей головкой, горизонтальный;
• 2,5 — условное давление, МПа;
• М1 — материальное исполнение;
• 20Г — трубы наружным диаметром 20 мм, гладкие;
• 6 — длина прямого участка труб, м;
• Т — трубы по вершинам треугольников (К — по квадратам);
• 4 — число ходов по трубам;
• У — климатическое исполнение;
• И — с деталями для крепления теплоизоляции.

Буква разбивки — именно то место, где решается вопрос механической чистки межтрубного пространства.

Разобранные случаи

• Теплообменник 1000ТПГ: в межтрубном среда охлаждается с 95–100 до 25–30 °C, в трубах нагревается с 25–30 до 60–65 °C; расчётные давления — 2,5 МПа в трубах и 1,0 МПа в кожухе. Поверхность 383,6 м² по таблице технических условий соответствует трубам 20 мм, четырём ходам и разбивке по треугольникам.
• Холодильник 900ХПГ: нефть в трубах под рабочим давлением 4,65 МПа, теплоноситель в кожухе охлаждается с 195 до 125 °C; трубы 19,05 мм из дуплексной стали 2205 — такого диаметра нет в ряду ТУ 3612-023 (там 20 и 25 мм), аппарат сделан по нашим ТУ 3612-001-85873787-2020.
• Трубный пучок к теплообменнику 800ТП: 160 м², расчётные давления 3,3 МПа в трубах и 2,3 МПа в кожухе. Пучок поставлен отдельно от аппарата, в собранном виде на транспортной раме.

Типичные ошибки в заявке

• Условное давление выбрано по рабочему давлению без учёта температуры — при 300 °C аппарат на 1,6 МПа держит только 1,20 МПа.
• Не указано, нужна ли механическая чистка межтрубного пространства, — а от этого зависит буква разбивки в обозначении: Т или К.
• Одна температура на аппарат — а у каждой полости свои температуры на входе и выходе.
• При замене пучка не сообщены тип аппарата, диаметр кожуха, диаметр и длина труб, число ходов и материал.

Что указать в опросном листе и зачем

• Рабочее и расчётное давление каждой полости, температуры на входе и выходе — по ним выбирают условное давление с учётом снижения при нагреве.
• Нужна ли механическая чистка межтрубного пространства — напишите в примечаниях: от этого зависит разбивка по квадрату.
• Среды и их коррозионность — материальное исполнение.
• Ориентация — горизонтальный или вертикальный: она входит в условное обозначение.
• Климат площадки и теплоизоляция.
• Взамен старого оборудования или на новый объект; для пучка к действующему аппарату — тип аппарата, диаметр кожуха, диаметр и длина труб, число ходов и материал.

Скачайте опросный лист, заполните и приложите к заявке — инженеры ПЗЭМ проверят условное давление с учётом температур обеих полостей и предложат разбивку труб.