ЗАЩИТНОЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ КОЖУХОТРУБНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
PROTECTIVE DEVICE FOR SHELL-AND-TUBE EQUIPMENT

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к защитному приспособлению для кожухотрубного оборудования а, более конкретно, для трубной стороны входных трубных решеток кожухотрубного оборудования, такого как теплообменники и реакторы, где соединение трубка – трубная решетка представляет собой тип сварного соединения встык и выполняется из отверстия трубной решетки (также называемое «сваркой изнутри отверстия» или IBW – Internal Bore Welding). Защитное приспособление предназначено для защиты отверстия трубной решетки от турбулентности и эрозии, возникающей из–за течения текучей среды по трубной стороне.
Текучие среды с турбулентностью, при высокой скорости или среды многофазного типа могут вызывать явления повреждения на кожухотрубном оборудовании. Газы, насыщенные твердыми частицами или пузырьками жидкости, и жидкости, насыщенные твердыми частицами или пузырьками газа, являются типичными примерами многофазных потоков. Когда турбулентность текучей среды локально высока, коэффициент теплопередачи текучей среды увеличивается, и поэтому может происходить локальный перегрев или переохлаждение, что приводит к более высоким термомеханическим напряжениям и коррозии в деталях конструкции оборудования. Когда материалы конструкции оборудования не могут выдерживать воздействий от ударных или касательных усилий, возникающих из–за высокой скорости или в случае многофазных потоков, появляется эрозия.
В кожухотрубном оборудовании, когда входная трубная решетка с трубной стороны соединяется с трубками посредством сварного соединения встык, выполненного из отверстия трубной решетки, отверстие трубной решетки может подвергаться локальной высокой турбулентности и эрозии. Текучая среда, протекающая по трубной стороне, входит в отверстие трубной решетки и находится в непосредственном контакте с поверхностями отверстия, так как трубка, соединенная с трубной решеткой сваркой изнутри отверстия, не защищает отверстие трубной решетки. Вследствие, если текучая среда на входной трубной стороне, поступающая в отверстие трубной решетки, находится, например, при более высокой температуре, чем текучая среда на стороне кожуха, и характеризуется двумя фазами (газ–твердое вещество, жидкость–твердое вещество, газ – жидкость), текучая среда может локально повредить отверстие трубной решетки из–за перегрева или эрозии. Такое повреждение опасно, так как может значительно сократить срок службы оборудования.
Основной пример, когда теплообменники кожухотрубного типа могут пострадать от эрозии, представлен так называемыми «закалочными» или «закалочно–испарительными» аппаратами (TLE), установленными в печах парового крекинга для производства этилена. Промышленный газ, выходящий из печи, находится при высокой температуре, высокой скорости и насыщен частицами углеводородов. На участке входа в TLE промышленный газ может иметь скорость приблизительно в диапазоне от 100 м/с до 150 м/с. Соответственно, в таком применении важно выбрать конструкцию или приспособление для защиты деталей на входе в трубной части, находящихся под давлением, от локального перегрева и эрозии, так чтобы обеспечить эксплуатационную надежность и длительный срок службы.
В данной области техники известны несколько приспособлений для защиты трубной стороны входной трубной решетки и входного, с трубной стороны, участка трубок кожухотрубного оборудования от эрозии. Концептуально эти известные технические решения можно разделить на две основные группы, а именно:
– защитные приспособления, полностью или частично вставленные в трубки; и
– защитные приспособления, прикрепленные к трубкам, но не вставленные в них.
Защитные приспособления первой группы могут быть либо защитными приспособлениями, стойкими к эрозии, либо расходуемыми защитными приспособлениями. В результате на участке труб, защищенных защитным приспособлением, не может произойти никакой эрозии.
Например, документ US 7252138 описывает теплообменник, имеющий плакировку на трубной решетке и проточные, приваренные к ней вставки для предотвращения эрозии, проходящие внутри трубок. Документ US 3707186 описывает теплообменник, имеющий огнеупор на одной стороне трубной решетки и оправы в форме воронки, размещенные в конце трубок, проходящие внутрь трубок. Документ US 4585057 описывает кожухотрубный теплообменник, имеющий входы с воронкообразными по форме трубными удлинениями, выполненными из материала стойкого к эрозии, для защиты трубной решетки, проходящие внутрь трубок.
Вышеупомянутые три патентных документа являются основными примерами защитных приспособлений, которые полностью или частично вставляются в трубки, и поэтому внутренний диаметр защитного приспособления не идентичен внутреннему диаметру трубки. Это представляет собой разрыв непрерывности между внутренним диаметром приспособления и внутренним диаметром трубки, который может быть источником локальной высокой турбулентности и эрозии.
Защитные приспособления второй группы обычно изготавливаются в виде удлинения трубок, и поэтому эрозия происходит на таком удлинении. Фактически, текучая среда на входе в приспособление имеет локальную высокую турбулентность, которая сглаживается вдоль приспособления, прежде чем достичь трубки. Такие удлинения могут быть заменены или отремонтированы.
Например, документ FR 2508156 описывает то, как входные концы трубок кожухотрубного теплообменника защищаются от эрозии, за счет того, что они снабжаются удлинительными трубками, которые могут быть приварены к трубкам или удлинены от трубок. Документ DE 1109724 описывает кожухотрубный теплообменник, имеющий прикрепленные к трубкам сменные трубчатые удлинители для предотвращения эрозии. Документ US 6779596 описывает трубчатый теплообменник, имеющий расходуемые, увеличенные длины трубки, позволяющие периодически заменять расходуемые участки, которые могут быть отрезаны, и может быть приварен новый расходуемый участок. Документ US 4103738 описывает трубчатый теплообменник со сменным входным средством в форме трубчатых удлинений с таким же диаметром, что и у трубок теплообменника. Удлинения могут иметь скошенные концы. Документ US 4785877 описывает закалочно–испарительный аппарат (то есть кожухотрубный теплообменник для конкретного предназначения), имеющий полые усеченные конусы, которые являются продолжением трубок.
Приведенные выше пять патентных документов являются основными примерами защитных приспособлений, которые присоединяются к трубкам или выполнены как одно целое с трубками. Эти документы относятся к кожухотрубному теплообменнику, в котором трубки не соединяются сваркой изнутри отверстия с трубной решеткой. Наоборот, трубки проходят внутрь отверстия трубной решетки, либо до поверхности трубной части трубной решетки, либо за пределы поверхности трубной части трубной решетки. Соответственно, отверстие трубной решетки защищается самой трубкой, и защитное приспособление не предъявляется в качестве защиты отверстия трубной решетки, а только лишь первого участка трубки.
Кроме того, документ EP 1331465 того же заявителя раскрывает теплообменник TLE кожухотрубного типа, в котором трубная сторона входной трубной решетки и сменные трубки сварены вместе сваркой встык, что исключает разрыв непрерывности и ступеньки при переходе от трубной решетки к трубкам. Следовательно, вдоль пути прохождения газа нет никаких препятствий, которые могут привести к ударным воздействиям или эрозии. На торце в газовой части трубная решетка защищается футеровкой (наплавкой) из материала с высокой устойчивостью к эрозии, которая способна противостоять воздействию ударных и касательных усилий горячих газов, выходящих из печи парового крекинга. Такое техническое решение, которое показано на фиг. 2, до сих пор считалось удовлетворительным для защиты торца трубной решетки в газовой части.
Однако явления эрозии могут также возникать на внутренних стенках отверстия трубной решетки и на первом участке теплообменных трубок. Такая эрозия на внутренних стенках отверстия трубной решетки и на первом участке теплообменных трубок обуславливается турбулентностью газа, а также высокими рабочими температурами металла. Вход в отверстия трубной решетки представляет собой сильный разрыв непрерывности для траектории газа, и поэтому отверстия трубной решетки являются источником турбулентности. Вниз по течению от входа поток газа хаотичен, не очень хорошо сформирован с гидродинамической точки зрения. В результате происходит воздействие касательного и ударного усилия газа и частиц углеводородов на отверстие и стенки трубки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной из целей настоящего изобретения, следовательно, является предоставить защитное приспособление для кожухотрубного оборудования, которое способно устранить вышеупомянутые недостатки предшествующего уровня техники простым, недорогим и особенно функциональным способом.
Более детально, одной из целей настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить приспособление для защиты входной трубной решетки кожухотрубного оборудования от эрозии и высокой турбулентности, возникающей из–за текучей среды, протекающей по трубной стороне, при этом трубки и трубная решетка соединяются сварным соединением встык, выполненным изнутри отверстия трубной решетки, и при этом защитное приспособление состоит из выступов, соединенных с торцом трубной решетки. Каждый выступ имеет смещение от торца трубной части трубной решетки, и между внутренним диаметром выступа и диаметром отверстия трубной решетки в указанном соединении нет никакого разрыва непрерывности. Защитное приспособление в соответствии с настоящим изобретением направлено на устранение или, по меньшей мере, уменьшение риска эрозии и высокого коэффициента локального теплообмена на поверхности отверстия трубной решетки, в частности, когда текучая среда на входной трубной стороне имеет высокую скорость и температуру, или в случае многофазного потока, такого как синтез–газы из процессов риформинга и газификации, стоков из углеводородных печей парового крекинга и текучих сред типа суспензии.
Эта цель достигается в соответствии с настоящим изобретением путем предоставления защитного приспособления для кожухотрубного оборудования, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.
В частности, эта цель достигается с помощью кожухотрубного оборудования, содержащего кожух, который окружает пучок трубок. Пучок трубок содержит множество трубок. По меньшей мере, один конец каждой трубки соединяется с входной трубной решеткой, снабженной соответствующими отверстиями трубной решетки, для вхождения текучей среды в кожухотрубное оборудование. Входная трубная решетка обеспечивается первой стороной, которая принимает текучую среду, и второй стороной, которая противоположна указанной первой стороне и к которой присоединяются трубки. Входная трубная решетка соединяется с каждой трубкой пучка трубок на указанной второй стороне таким образом, что каждая трубка не проходит внутрь соответствующего отверстия трубной решетки. Входная трубная решетка снабжается, по меньшей мере, на части из указанных отверстий трубной решетки соответствующими трубчатыми защитными приспособлениями для защиты указанных отверстий трубной решетки от высокой локальной турбулентности и эрозии, вызванной текучей средой, протекающей в указанные отверстия трубной решетки. Каждое трубчатое защитное приспособление изготавливается в форме выступа или части трубки, который/которая проходит от указанной первой стороны входной трубной решетки на соответствующем отверстии трубной решетки, при этом между трубчатыми защитными приспособлениями и трубками кожухотрубного оборудования нет никакого физического контакта.
Дополнительные признаки изобретения подчеркнуты зависимыми пунктами формулы изобретения, которые являются неотъемлемой частью настоящего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Характеристики и преимущества защитного приспособления для кожухотрубного оборудования в соответствии с настоящим изобретением будут более понятны из следующего иллюстративного и неограничивающего описания со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых:
Фиг. 1 – схематический вид кожухотрубного оборудования с горизонтально расположенным пучком трубок;
Фиг. 2 – вид с частичным разрезом защитного приспособления для кожухотрубного оборудования согласно предшествующему уровню техники;
Фиг. 3 – вид с частичным разрезом первого варианта осуществления защитного приспособления для кожухотрубного оборудования в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 4 – вид с частичным разрезом второго варианта осуществления защитного приспособления для кожухотрубного оборудования в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 5 – вид с частичным разрезом третьего варианта осуществления защитного приспособления для кожухотрубного оборудования в соответствии с настоящим изобретением; и
Фиг. 6 – вид с частичным разрезом четвертого варианта осуществления, а также пятого варианта осуществления защитного приспособления для кожухотрубного оборудования в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Согласно фиг. 1 показано кожухотрубное оборудование 10, более конкретно кожухотрубный теплообменник 10. Кожухотрубное оборудование 10 относится к типу, содержащему кожух 12, который окружает пучок 14 трубок. Хотя кожухотрубное оборудование 10 показывается в горизонтальной ориентации, оно также может быть ориентировано вертикально или под любым углом относительно горизонтальной поверхности.
Пучок 14 трубок содержит множество трубок 16. Трубки 16 могут иметь любую форму, например, U–образную или прямую. По меньшей мере, один конец каждой трубки 16 соединяется с входной трубной решеткой 18, снабженной соответствующими отверстиями 20 трубной решетки, для вхождения текучей среды 22 в трубки 16 кожухотрубного оборудования 10.
Теперь согласно фиг. 3–6 входная трубная решетка 18 обеспечивается первой стороной 24 или трубной стороной, которая принимает входящую текучую среду 22, и второй стороной 26 или кожуховой стороной, которая находится напротив указанной трубной стороне 24. Таким образом, текучая среда 22 вводится во входную трубную решетку 18 с трубной стороны 24 и подается в трубки 16, лежащие в кожуховой стороне 26.
На кожуховой стороне 26 входная трубная решетка 18 соединяется далее с каждой трубкой 16 пучка 14 трубок, предпочтительно с помощью сварного соединения 28 встык, выполненного изнутри соответствующего отверстия 20 трубной решетки указанной входной трубной решетки 18 (этот метод сварки также называется «сварка изнутри отверстия» или I.B.W.). Следовательно, сварное соединение 28 встык остается на кожуховой стороне 26 входной трубной решетки 18.
В соответствии с этим сварным соединением 28 встык, входная трубная решетка 18 снабжается на кожуховой стороне 26 кольцевыми выступами или шейками 30, на которые привариваются соответствующие трубки 16. Другими словами, каждая трубка 16 не проходит внутрь соответствующего отверстия 20 трубной решетки. Вследствие чего каждое отверстие 20 трубной решетки не защищается соответствующей трубкой 16, и текучая среда, протекающая по трубной стороне 24 входной трубной решетки 18 находится в непосредственном контакте с отверстием 20 трубной решетки.
Согласно настоящему изобретению, входная трубная решетка 18 снабжается, по меньшей мере, на части ее отверстий 20 трубной решетки, то есть, по меньшей мере, на некоторых из отверстий 20 трубной решетки, соответствующими трубчатыми защитными приспособлениями 32 для защиты отверстия 20 трубной решетки от высокой локальной турбулентности и эрозии. В частности, входная трубная решетка 18 снабжается на ободках, по меньшей мере, части ее отверстий 20 трубной решетки соответствующими трубчатыми защитными приспособлениями 32. Более конкретно, каждое трубчатое защитное приспособление 32 изготавливается в форме выступа, или части трубки, который/которая проходит от первой стороны 24 или трубной стороны входной трубной решетки 18 у соответствующего отверстия 20 трубной решетки. Другими словами, каждое трубчатое защитное приспособление 32 проходит от противоположной стороны входной трубной решетки 18 относительно второй стороны 26 или кожуховой стороны указанной входной трубной решетки 18, где соединяются трубки 16. Следовательно, отсутствует какой–либо физический контакт между трубчатыми защитными приспособлениями 32 и трубками 16 кожухотрубного оборудования 10. Трубчатые защитные приспособления 32 не проходят в отверстие 20 трубной решетки.
Кроме того, каждое трубчатое защитное приспособление 32 имеет внутренний диаметр D1, измеренный в части 34 соединения между упомянутым трубчатым защитным приспособлением 32 и трубной стороной 24 входной трубной решетки 18, который по существу идентичен внутреннему диаметру D2 соответствующего отверстия 20 трубной решетки. Предпочтительно, внутренний диаметр D1 каждого трубчатого защитного приспособления 32 также по существу идентичен внутреннему диаметру D3 соответствующей трубки 16, расположенной на противоположной стороне, то есть на кожуховой стороне 26, входной трубной решетки 18.
В соответствии с предпочтительными, но не ограничивающими вариантами осуществления, показанными на фиг. 3–5, каждое трубчатое защитное приспособление 32 может быть соединено с поверхностью трубной стороны 24 входной трубной решетки 18 в соответствующей части 34 соединения тремя альтернативными способами:
– каждое трубчатое защитное приспособление 32 выполнено как одно целое с трубной решеткой 18, как показано на фиг. 3, то есть, например, трубчатое защитное приспособление 32 изготавливается из трубной решетки 18 путем механической обработки;
– каждое трубчатое защитное приспособление 32 приваривается к трубной решетке 18, как показано на фиг. 4, например, с помощью сварного шва 36;
– каждое трубчатое защитное приспособление 32 приваривается к футеровке 38, защищающей поверхность трубной стороны 24 входной трубной решетки 18, как показано на фиг. 5, например, посредством наложения сварного шва 36.
Таким образом, во всех конфигурациях соединений каждое трубчатое защитное приспособление 32 характеризуется следующими преимущественными признаками:
– оно не контактирует с трубками 16; и
– в части 34 соединения между трубчатым защитным приспособлением 32 и трубной стороной 24 входной трубной решетки 18 внутренний диаметр D1 трубчатого защитного приспособления 32 по существу идентичен внутреннему диаметру D2 отверстия 20 трубной решетки, так что отсутствует какой–либо разрыв непрерывности между отверстием трубчатого защитного приспособления 32 и отверстием 20 входной трубной решетки 18.
Как упоминалось ранее, каждое трубчатое защитное приспособление 32 имеет первую цель защитить соответствующий отверстие 20 трубной решетки от высокой локальной турбулентности и эрозии, возникающей из–за текучей среды 22 на трубной стороне, протекающей в указанное отверстие 20 трубной решетки. В зависимости от длины трубчатого защитного приспособления 32, измеренной в направлении потока текучей среды 22 на трубной стороне, и толщины входной трубной решетки 18, трубчатое защитное приспособление 32 также может защищать первый, с трубной стороны, участок 16 трубок.
Как известно, текучая среда при высокой скорости, попадая в отверстие из более крупного домена, увеличивает свою скорость и меняет свои линии потока. Это приводит к усилению локальной турбулентности внутри отверстия. В следствии чего:
– локальный коэффициент теплопередачи увеличивается, и, если текучая среда 22 с трубной стороны более горячая, чем текучая среда с кожуховой стороны, может возникнуть локальный перегрев в отверстии 20 трубной решетки; и
– в случае мультифазного потока, в котором имеется абразивная фаза, эта абразивная фаза может оказывать на поверхность отверстия ударные или касательные усилия, что приведет к эрозии.
Защита отверстия 20 трубной решетки происходит из–за того, что соответствующее трубчатое защитное приспособление 32 надлежащим образом регулирует динамику текучей среды, прежде чем текучая среда 22 с трубной стороны достигнет отверстия 20 трубной решетки. Другими словами, если случится локальный высокий коэффициент теплопередачи или эрозия, то они произойдут на трубчатых защитных приспособлениях 32, а не в отверстиях 20 трубной решетки.
В результате отверстие 20 трубной решетки не подвергается, например, опасному локальному перегреву, когда текучая среда 22 с трубной стороны является более горячей текучей средой, и поэтому термомеханические напряжения и явления коррозии на входной трубной решетке 18 не возникают или не усугубляются. Кроме того, турбулентность абразивной фазы в случае многофазного потока регулируется и направляется вдоль продольного направления оси трубок.
Каждое трубчатое защитное приспособление 32 может быть изготовлено либо из того же конструкционного материала, что и входная трубная решетка 18 (это происходит, например, в варианте осуществления, изображенного на фиг. 3), либо из материала с высокой устойчивостью к эрозии. Во всех случаях трубчатое защитное приспособление 32 можно рассматривать как расходуемый элемент, который может быть удален и заменен в случае значительных повреждений.
Для того чтобы улучшить действие трубчатого защитного приспособления 32 по гидродинамическому сглаживанию, свободный конец 40, по меньшей мере, части трубчатых защитных приспособлений 32, то есть конец 40, не соединенный с частью 34 соединения входной трубной решетки 18, может иметь несколько форм. Таким образом, свободный конец 40, по меньшей мере, некоторых из трубчатых защитных приспособлений 32 может иметь несколько форм. Например, как показано на фиг. 6, свободный конец 40 каждого трубчатого защитного приспособления 32 может иметь скошенный по форме участок 42, причем внутренний диаметр D4 указанного скошенного по форме участка 42, измеренный на указанном свободном конце 40, больше, чем внутренний диаметр D1 трубчатого защитного приспособления 32, измеренный на участке 34 соединения между указанным трубчатым защитным приспособлением 32 и трубной стороной 24 входной трубной решетки 18. Внутренний диаметр D4 скошенного по форме участка 42, измеренный на соответствующем свободном конце 40 также может быть по существу идентичным внешнему диаметру D6 соответствующего трубчатого защитного приспособления 32.
Кроме того, как еще раз показано на фиг. 6, свободный конец 40, по меньшей мере, части трубчатых защитных приспособлений 32, то есть свободный конец 40, по меньшей мере, некоторых из трубчатых защитных приспособлений 32, также может иметь воронкообразный участок 44, причем внутренний диаметр D5 указанного воронкообразного участка 44, измеренный на указанном свободном конце 40, больше внутреннего диаметра D4 вышеуказанного скошенного по форме участка 42. Внутренний диаметр D5 воронкообразного участка 44, измеренный на соответствующем свободном конце 40 также может быть больше, чем внешний диаметр D6 соответствующего трубчатого защитного приспособления 32. В любом случае, завершающее сглаживающее действие трубчатого защитного приспособления 32 может быть отрегулировано путем изменения длины указанного трубчатого защитного приспособления 32, измеряемой в направлении потока текучей среды 22 на трубной стороне или изменения входной формы соответствующего свободного конца 40.
По меньшей мере, часть трубчатых защитных приспособлений 32, то есть, по меньшей мере, некоторые из трубчатых защитных приспособлений 32, могут быть снабжены диском, таким как круглый или квадратный диск, вокруг свободного конца 40.
Трубчатое защитное приспособление 32 применимо всякий раз, когда кожухотрубное оборудование 10 с соединением трубка–трубная решетка типа сварки встык, выполненной из отверстия, имеет:
– текучую среду на входе с трубной стороны, имеющую высокую скорость, которая может вызвать локальный высокий коэффициент теплопередачи; и
– текучую среду на входе с трубной стороны с мультифазным потоком, который может вызвать эрозию.
Вот некоторые примеры текучих сред и соответствующего кожухотрубного оборудования 10, которое может выиграть от использования трубчатого защитного приспособления 32 в соответствии с настоящим изобретением:
– закалочно–испарительные аппараты для стоков из печей парового крекинга для производства этилена;
– промышленные газовые котлы и охладители для синтез–газов (риформинг, газификация); а также
– реакторы для приготовления текучих сред ввиде суспензий.
Таким образом, кожухотрубное оборудование может представлять собой кожухотрубный теплообменник, в частности кожухотрубный теплообменник для трубопровода, кожухотрубный промышленный газовый котел или охладитель, или кожухотрубный реактор и, в частности, кожухотрубный теплообменник трубопровода или кожухотрубный промышленный газовый котел или охладитель.
Таким образом, видно, что защитное приспособление для кожухотрубного оборудования в соответствии с настоящим изобретением достигает ранее обозначенных целей.
Защитное приспособление для кожухотрубного оборудования по настоящему изобретению, задуманное таким образом, допускает в любом случае многочисленные модификации и варианты, все из которых подпадают под одну и ту же изобретательскую концепцию; Кроме того, все детали могут быть заменены технически эквивалентными элементами. Практически, используемые материалы, а также формы и размеры могут быть любого типа в соответствии с техническими требованиями.
Объем патентной охраны изобретения, следовательно, определяется прилагаемой формулой изобретения.