ПРОТИВОЭРОЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОЖУХОТРУБНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ANTI-EROSION DEVICE FOR SHELL-AND-TUBE EQUIPMENT

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к противоэрозионному устройству для кожухотрубного оборудования, а конкретнее - к противоэрозионному устройству для трубной решетки кожухотрубного оборудования.
Впускные трубообразные решетки кожухотрубного оборудования, подобного теплообменникам и химическим реакторам, могут подвергаться повреждениям, а также раннему износу и разрыву, когда текучая среда внутритрубного пространства характеризуется высокой скоростью и пребыванием в двух фазах как текучая среда, содержащая большое количество твердых частиц или пузырьков. Такая текучая среда может вызывать локальную эрозию на впускной трубной решетке. Примером вредной текучей среды являются газы, поступающие из печей парового крекинга для производства этилена: крекинг-газ с высокой температурой и скоростью, содержащий большое количество коксовой мелочи, зачастую охлаждают посредством кожухотрубных теплообменников (называемых также «закалочно-испарительными теплообменниками» или ЗИТ), соединения впускных трубных решеток и соединения труб с трубообразными решетками которых часто страдают от значительного износа и разрыва.
Чтобы исключить или умерить износ и разрыв впускной трубной решетки кожухотрубного оборудования, имеющего дело с эрозионной текучей средой внутритрубного пространства, имеются несколько решений: среди них, применение втулок или гильз представляет основное решение. Втулки или гильзы - это короткие трубы или патрубки, зачастую снабжаемые входным и выходным концами особой формы, которые можно устанавливать либо снаружи, либо - частично или полностью - внутри отверстий и труб впускной трубной решетки. В данной области техники известны втулки или гильзы многих типов, предназначенные для решения проблем эрозии; здесь упоминаются некоторые из них.
Например, в документе FR 2508156 описано трубное устройство, которое является удлинителем обменной трубы, закрепленным на самóй трубе, и страдает от эрозии вместо обменной трубы.
В документе US 4103738 описаны дырчатый щит, размещенный над впускной трубной решеткой, и гильзы, соединенные со впускной трубной решеткой. Расходуемые сменные трубы, удерживаемые на месте, как дырчатым щитом, так и гильзами, установлены так, что упираются в обменные трубы.
В документе US 4585057 описана впускная направляющая труб с воронкообразными удлинителями, нижние концы которых заходят в обменные трубы. Впускная направляющая труб удерживается на месте особыми опорами.
Как хорошо известно в данной области техники, конкретно на закалочно-испарительных теплообменниках (ЗИТ) применяются втулки или гильзы, проектируемые для восприятия эрозии на внутренних деталях внутритрубного пространства. Например, в документе US 3707186 описана втулка, имеющая вход, которому придана форма раструба, простирающегося за пределы трубной решетки, и который частично внедрен в огнеупорную футеровку, смонтированную на сообщающейся с внутритрубным пространством поверхности трубной решетки. Остающийся участок втулки вставлен в соответственную обменную трубу. Выход втулки имеет внутренний диаметр, который больше, чем внутренний диаметр центрального участка втулки.
В документе US 2008/202732 описаны трубообразная гильза и пластина, соединенные друг с другом, образуя гильзу с пластиной. Трубообразный участок гильзы вставлен в отверстие трубной решетки и в соответственную обменную трубу, и он расширяется у трубы за счет раскатки или гидравлического расширения. Конец гильзы, не вставленный в трубу, снабжен пластиной, расположенной под углом 90° относительно оси гильзы и накрывающей сообщающуюся с внутритрубным пространством поверхность трубной решетки.
С общей точки зрения отметим, что раскрыты многие другие конструкции втулок или гильз для защиты впускной трубной решетки кожухотрубного оборудования от явлений помимо эрозии, подобных перегреву и коррозии. Некоторые весьма показательные примеры описаны в следующих документах. В документе US 2001/0040024 раскрыт ряд втулок или гильз нескольких форм и из нескольких материалов для установки во внутритрубном пространстве впускных трубных решеток кожухотрубного оборудования, работающего в условиях науглероживания, азотирования или восстановления, где втулки оперты в огнеупорном слое.
В документе DE 3022480 описано устройство для защиты трубной решетки теплообменника для отходящего газа колонны синтеза аммиака. Устройство состоит из двух гильз, одна из которых вставлена в другую, где внешняя гильза приварена одним концом к сообщающейся с внутритрубным пространством поверхности впускной трубной решетки, а другим концом - к стенке камеры короба, а внутренняя гильза, прикрепленная к внешней гильзе, проходит сквозь трубную решетку и по первому участку труб.
Закрепление или удержание втулок или гильз на месте - это, вообще говоря, вопрос проектирования. Он критичен, в частности, когда:
текучая среда внутритрубного пространства течет с высокой скоростью и является эрозионной, или
втулки устанавливают на выходном конце обменных труб, или
кожухотрубное оборудование находится в вертикальном положении, а трубная решетка, оснащенная втулками, находится внизу.
В первом случае, втулки или гильзы могут вибрировать или подвергаться значительному ударному воздействию. Во втором случае, втулки может быть вытолкнуты из труб, тогда как в третьем случае втулки могут выпадать вниз. Втулки или гильзы можно удерживать на месте з счет внедрения участка, выступающего наружу из сообщающейся с внутритрубным пространством поверхности трубной решетки в огнеупорный слой, как говорится в документах US 3707186 и US 2001/0040024, упомянутых выше. Втулки или гильзы можно также крепить за счет раскатки или гидравлического расширения тела втулки у обменной трубы, как говорится в документе US 2008/202732, упомянутом выше, или можно удерживать на месте посредством некоторого третьего элемента, подобного несущей трубной решетке (раскрытой в документе US 4103738) или гильзе (раскрытой в документе DE 3022480).
Вышеупомянутые документы, где описаны втулки или гильзы для защиты трубных решеток и труб, имеют как преимущества, так и недостатки. Например, потенциальным недостатком втулок или гильз, просто упираемых в обменные трубы, является рассогласование или различные допуски относительно соответствующих внутренних диаметров, что может стать препятствием течению во внутритрубном пространстве, а вследствие этого - источником эрозии и турбулентности. Помимо этого, просто упертые устройства можно использовать лишь для верхних трубных решеток.
Потенциальным недостатком втулок или гильз, внедряемых в огнеупоры, является затрудненное техническое обслуживанием в случае замены втулок. Более того, система внедренных втулок и огнеупоров может страдать от тепловых надрывов.
И, наконец, втулки или гильзы, расширяющиеся у обменных труб, могут порождать повреждения в трубах во время установки и снятия втулок с целью технического обслуживания, а также во время операций из-за различий в тепловом удлинении между работающими под давлением элементами и втулками, а также из-за локального перегрева.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поэтому одна задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать противоэрозионное устройство для кожухотрубного оборудования, способное преодолеть недостатки известных технических решений простым и недорогим способом, обеспечивающим конкретные функциональные возможности.
Говоря подробнее, одна задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать противоэрозионное устройство для кожухотрубного оборудования, способное минимизировать вышеупомянутые недостатки или избежать их, не затрудняя осмотр, снятие и - при случае - замену самого устройства.
Еще одна задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать противоэрозионное устройство для кожухотрубного оборудования, имеющее стойкую к внешним воздействиям и простую новую конструкцию.
В соответствии с данным изобретением, эти задачи решаются путем разработки противоэрозионного устройства для кожухотрубного оборудования, охарактеризованного в прилагаемой формуле изобретения.
В частности, эти задачи решаются кожухотрубным оборудованием, содержащим кожух, который огораживает трубный пучок. Упомянутый трубный пучок содержит множество труб, причем, по меньшей мере, один конец каждой трубы снабжен соединением со впускной трубной решеткой в соответственных отверстиях трубной решетки для впуска текучей среды в кожухотрубное оборудование. Впускная трубная решетка имеет первую сторону, которая принимает текучую среду из впускного канала, расположенного в технологической цепочке перед (выше по потоку) упомянутой впускной трубной решеткой, и вторую сторону, которая противоположна упомянутой первой стороне и на которой трубы соединены. Впускная трубная решетка соединена с каждой трубой трубного пучка на упомянутой второй стороне. Упомянутое кожухотрубное оборудование содержит противоэрозионное устройство, содержащее первый - внешний - трубообразный элемент и второй - внутренний - трубообразный элемент, по меньшей мере, для одной соответствующей трубы. Оба трубообразных элемента - внешний и внутренний - имеют соответственную продольную ось, которая параллельна продольной оси соответствующей трубы. Первый трубообразный конец упомянутого внешнего трубообразного элемента соединен с первой стороной впускной трубной решетки, тогда как второй - свободный - трубообразный конец упомянутого внешнего трубообразного элемента проходит во впускной канал. Упомянутый внутренний трубообразный элемент вставлен в упомянутый внешний трубообразный элемент таким образом, что, по существу, покрывает всю внутреннюю поверхность упомянутого внешнего трубообразного элемента и заходит, по меньшей мере, в часть соответствующей трубы до некоторой точки, находящейся за пределами упомянутого соединения или второй стороны впускной трубной решетки, смотря по тому, что из них дальше от упомянутого внешнего трубообразного элемента. Упомянутый внутренний трубообразный элемент соединен с упомянутым внешним трубообразным элементом посредством механического или гидравлического расширения, по меньшей мере, первого трубообразного участка упомянутого первого трубообразного элемента у внутренней поверхности упомянутого внешнего трубообразного элемента. Впускная трубная решетка предпочтительно соединена с каждой трубой трубного пучка на упомянутой второй стороне так, что каждая труба либо не вставлена в соответственное отверстие трубной решетки, либо частично вставлена в соответственное отверстие трубной решетки.
Дополнительные отличительные признаки изобретения подчеркнуты в зависимых пунктах формулы изобретения, которая является неотъемлемой частью данного описания.
Противоэрозионное устройство, соответствующее данному изобретению, спроектировано для установки в кожухотрубном оборудовании, подобном теплообменникам и химическим реакторам, с целью защиты впускной трубной решетки, уместных соединений труб с трубной решеткой и первого участка труб от эрозионного воздействия текучей среды внутритрубного пространства. Противоэрозионное устройство также может способствовать снижению перегрева в случае, если текучая среда внутритрубного пространства имеет высокую температуру. Это противоэрозионное устройство характеризуется стойкостью к внешним воздействиям, позволяющей выдерживать тяжелые условия эксплуатации, и простой конструкцией для удобства технического обслуживания.
Противоэрозионное устройство, соответствующее данному изобретению, представляет интерес для закалочно-испарительных теплообменников (ЗИТ). Технологический газ, поступающий из печи парового крекинга углеводородов, как правило, при температуре 750—850 °C, попадает во впускной канал ЗИТ, как правило, со скоростью 100—150 м/с и содержит большое количество углеродсодержащих побочных продуктов, поступающих из процесса крекинга углеводородов. Такие побочные продуты зачастую состоят из твердых частиц твердых частиц которые являются потенциальным источником эрозии для обращенной к газу поверхности впускной трубной решетки, для соединения труб со впускной трубной решеткой и для первого участка труб. Кроме того, помимо ЗИТ, противоэрозионное устройство, соответствующее данному изобретению, также можно использовать для обслуживания кожухотрубного оборудования, где надо обрабатывать двухфазную текучую среду, движущуюся с высокой скоростью, такую, как суспензия или газ из псевдоожиженных слоев и камер сгорания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Отличительные признаки и преимущества противоэрозионного устройства для кожухотрубного оборудования, соответствующее данному изобретению, станут яснее из нижеследующего, имеющего характер примеров и неограничительного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, при этом:
на фиг.1 представлен схематический вид кожухотрубного оборудования с горизонтально распложенным трубным пучком;
на фиг.2А представлен частичный вид в разрезе согласно первому варианту осуществления соединения трубы с трубной решеткой в кожухотрубном оборудовании, соответствующем известному уровню техники;
на фиг.2B представлен частичный вид в разрезе согласно второму варианту осуществления соединения трубы с трубной решеткой в кожухотрубном оборудовании, соответствующем известному уровню техники;
на фиг.3A—3C представлены соответственные частичные виды в разрезе, демонстрирующие основные признаки противоэрозионного устройства для кожухотрубного оборудования, соответствующего данному изобретению;
на фиг.4A и 4B представлены соответственные частичные виды в разрезе согласно одному варианту осуществления противоэрозионного устройства для кожухотрубного оборудования, соответствующего данному изобретению;
на фиг.5 представлен частичный вид в разрезе согласно еще одному варианту осуществления противоэрозионного устройства для кожухотрубного оборудования, соответствующего данному изобретению; и
на фиг.6 представлен частичный вид в разрезе согласно дополнительному варианту осуществления противоэрозионного устройства для кожухотрубного оборудования, соответствующего данному изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Обращаясь к фиг.1, отмечаем, что здесь показано кожухотрубное оборудование 10, а конкретнее - кожухотрубный теплообменник 10. Кожухотрубное оборудование 10 относится к типу, предусматривающему наличие кожуха 12, который огораживает трубный пучок 14. Хотя кожухотрубное оборудование 10 показано в горизонтальной ориентации, его можно ориентировать и вертикально или под любым углом относительно горизонтальной поверхности.
Трубный пучок 14 содержит множество труб 16. Возможны трубы 16 любой формы, подобной U-образной, или прямые. По меньшей мере, один конец каждой трубы 16 соединен со впускной трубной решеткой 18, в которой предусмотрены соответственные отверстия 20 трубной решетки для впуска текучей среды F в кожухотрубное оборудование 10. Упомянутый, по меньшей мере, один конец каждой трубы 16 снабжен соединением 26 со впускной трубной решеткой 18 в соответственных отверстиях 20 трубной решетки. Кожухотрубное оборудование 10 дополнительно содержит впускной канал, соединенный со впускной трубной решеткой 18 на противоположной стороне кожуха 12 и сообщающийся по текучей среде с трубами 16.
Обращаясь к фиг.2A, отмечаем, что здесь показан первый вариант осуществления соединения трубы с трубной решеткой, соответствующего известному уровню техники. Это соединение трубы с трубной решеткой можно получить, например, в кожухотрубном оборудовании 10 того типа, которое показано на фиг.1. Впускная трубная решетка 18 имеет сообщающуюся с внутритрубным пространством поверхность 22, обращенную ко впускному каналу. Таким образом, относящаяся к внутритрубному пространству поверхность 22 впускной трубной решетки 18 принимает текучую среду F из впускного канала, который находится в технологической цепочке перед упомянутой впускной трубной решеткой 18. Впускная трубная решетка 18 также имеет сообщающуюся с межтрубным пространством поверхность 24, соединенную с каждой трубой 16 сварным швом 26 торцевого типа. Этот сварной шов 26 также называют «сварным швом на внутреннем отверстии», поскольку обычно его делают от отверстия 20 трубной решетки.
В этом варианте осуществления каждую трубу 16 не вставляют в соответственное отверстие 20 трубной решетки и обычно делают имеющей, по существу, такой же внутренний диаметр D3, как диаметр D4 отверстия 20 трубной решетки. Каждая труба 16 приварена на сообщающейся с межтрубным пространством поверхности 24 впускной трубной решетки 18. В предпочтительном варианте впускная трубная решетка 18 может быть снабжена ступицей 28 на сообщающейся с межтрубным пространством поверхности 24, поэтому соединение 26 трубы с трубной решеткой представляет собой стыковой сварной шов «торец-к-торцу».
На фиг.2B показан второй вариант осуществления соединения трубы с трубной решеткой, соответствующего известному уровню техники. Это соединение углового типа, где труба 16 либо не вставлена в отверстие 20 трубной решетки, либо частично вставлена в отверстие 20 трубной решетки, т.е., вставлена в отверстие 20 трубной решетки на часть длины отверстия 20 трубной решетки. Внешний диаметр D5 каждой трубы 16, по существу, идентичен внутреннему диаметру D4 соответственного отверстия 20 трубной решетки или меньше этого диаметра. Соединение 26 делают либо между торцом трубы 16 и поверхностью отверстия 20 трубной решетки, либо между внешней поверхностью трубы 16 и поверхностью отверстия 20 трубной решетки. Соединение 26 делают от отверстия 20 трубной решетки, и оно находится в окрестности сообщающейся с межтрубным пространством поверхности 24 впускной трубной решетки 18.
На фиг.3A-3C показан родовой вариант осуществления противоэрозионного устройства для кожухотрубного оборудования, соответствующего данному изобретению. В качестве примера, отметим, что это противоэрозионное устройство применимо к сварному шву 26, являющемуся соединением трубы с трубной решеткой, как на фиг.2B. Вместе с тем, надо подчеркнуть, что противоэрозионное устройство, соответствующее данному изобретению, можно позаимствовать для других типов соединений трубы с трубной решеткой, где труба 16 соединена со впускной трубной решеткой 18 на сообщающейся с межтрубным пространством поверхности 24 трубной решетки 18. Например, противоэрозионное устройство, соответствующее данному изобретению, может быть установлено в кожухотрубном оборудовании 10, снабженным любым из двух соединений, представленных на фиг.2A и 2B, или в любом другом соединении трубы с трубной решеткой, которое известно в уровне техники и в котором труба соединена со впускной трубной решеткой на сообщающейся с межтрубным пространством поверхности трубной решетки. Ради простоты изложения, в нижеследующем описании речь пойдет о соединении 26 трубы с трубной решеткой согласно фиг.2B, но не в смысле ограничения концептуального применения противоэрозионного устройства, соответствующее данному изобретению, к другим соединениям труб с трубообразными решетками.
Трубная решетка 18 имеет сообщающуюся с внутритрубным пространством поверхность 22, которая также именуется первой стороной 22. Первая сторона 22 принимает текучую среду F из впускного канала, находящегося в технологической цепочке перед впускной трубной решеткой 18. Трубная решетка 18 также имеет сообщающуюся с межтрубным пространством поверхность 24, которая также именуется второй стороной 24. Вторая сторона 24 впускной трубной решетки 18 противоположна первой сторона 22, т.е., вторая сторона 24 - это сторона впускной трубной решетки 18, противоположная по отношению к первой стороне 22 впускной трубной решетки 18. Трубы 16 соединены со впускной трубной решеткой 18 на второй сторона 24. Впускная трубная решетка 18 соединена с каждой трубой 16 трубного пучка 14 на второй стороне 24. Труба 16 либо не вставлена в отверстие 20 трубной решетки, либо частично вставлена в отверстие 20 трубной решетки. Вследствие этого, труба 16 не проходит через отверстие 20 трубной решетки. Тогда впускная трубная решетка 18 соединена с каждой трубой 16 трубного пучка 14 на упомянутой второй стороне 24 таким образом, что каждая труба 16 либо не вставлена в соответственное отверстие 20 трубной решетки, либо частично вставлена в соответственное отверстие 20 трубной решетки.
В некоторых вариантах осуществления, трубы 16 не вставлены в отверстия 20 трубной решетки. Иными словами, трубы 16 не проходят в отверстия 20 трубной решетки. Вследствие этого, трубы 16 находятся снаружи отверстий 20 трубной решетки. Тогда впускная трубная решетка 18 соединена с каждой трубой 16 трубного пучка 14 на упомянутой второй стороне 24 таким образом, что каждая труба 16 не вставлена в соответственное отверстие 20 трубной решетки.
Соединение между трубой 16 и впускной трубной решеткой 18 в форме сварного шва 26 может находиться снаружи отверстия 20 трубной решетки, как на фиг.2A и 6, или может находиться внутри отверстия 20 трубной решетки, как на фиг.2B, 3A, 3C, 4A, 4B и 5.
Обращаясь к фиг.3A—3C, отмечаем, что противоэрозионное устройство, соответствующее данному изобретению, содержит два трубообразных элемента или две втулки, т.е., первую втулку 30, или внешнюю втулку, и вторую втулку 32, или внутреннюю втулку. В частности, на фиг.3А показана только внешняя втулка 30, на фиг.3B показана только внутренняя втулка 32, а на фиг.3C показаны обе - внутренняя и внешняя - втулки 32 и 30. Обе - внешняя и внутренняя - втулки 30 и 32 имеют соответственную продольную ось, которая параллельна продольной оси соответствующей трубы 16.
Внешняя втулка 30 соединена первым трубообразным концом 34 с сообщающейся с внутритрубным пространством поверхностью 22 впускной трубной решетки 18. Соединение на упомянутом первом трубном конце 34 предпочтительно создают сварным швом, т.е., внешняя втулка 30 предпочтительно соединена с первой стороной 22 впускной трубной решетки 18 сварным швом. Кроме того, внешняя втулка 30 также может быть выполнена как единое целое со впускной трубной решеткой 18, то есть, внешнюю втулку 30 получают посредством механической обработки впускной трубной решетки 18. Для приложения, связанного с ЗИТ, на сообщающейся с внутритрубным пространством поверхности 22 впускной трубной решетки 18 предпочтительно наносят сплошной слой особого материала, являющегося стойким к эрозии. В результате такой конструкции, внешняя втулка 30 оказывается соединенной с таким слоем посредством сварного шва. Поскольку внешняя втулка 30, именуемая также внешним трубообразным элементом 30, соединена с сообщающейся с внутритрубным пространством поверхностью 22, т.е., первой стороной 22, впускной трубной решетки 18, внешняя втулка 30 (внешний трубообразный элемент 30) находится снаружи отверстия 20 трубной решетки. Внешняя втулка 30 (внешний трубообразный элемент 30) не вставлена (не вставлен) в отверстие 20 трубной решетки. Иными словами, внешняя втулка 30 (внешний трубообразный элемент 30) не проходит в отверстие 20 трубной решетки.
Второй трубообразный конец 36 внешней втулки 30 свободен, проходя во впускной канал кожухотрубного оборудования 10, и может иметь любую форму. Этот второй - свободный - трубообразный конец 36 предпочтительно имеет фаску или имеет форму воронки с тем, чтобы минимизировать удар текучей среды F внутритрубного пространства и сделать прохождение этой текучей среды F естественнее. Внутренний диаметр D6 внешней втулки 30 может быть либо, по существу, идентичным диаметру D4 отверстия 20 трубной решетки, либо бóльшим, чем этот диаметр. В случае других сварных швов, являющихся соединениями труб с трубообразными решетками, внутренний диаметр D6 внешней втулки 30 мог бы быть либо, по существу, идентичным, внешнему диаметру D5 трубы 16, либо бóльшим, чем этот диаметр.
Внешняя втулка 30 является стойкой к внешним воздействиям, имея толщину T1, которая может быть, по существу, идентичной толщине трубы 16. Для внешней втулки 30 можно использовать любой конструкционный материал, такой, как любой материал с металлическими свойствами. В предпочтительной конструкции, такой материал должен быть углеродистой сталью, низколегированной сталью или сплавом никеля. Иными словами, внешний трубообразный элемент 30 может быть изготовлен из материала, выбранного из группы, состоящей из углеродистой стали, низколегированной стали и сплава никеля. Внешняя втулка 30 может иметь осевую длину L5, за исключением второго свободного трубообразного конца 36, находящуюся в диапазоне от 50 мм до приблизительно 200 мм.
Внутренняя втулка 32 имеет такую общую осевую длину L1, включая соответственные трубообразные концы 38 и 40, что внутренняя втулка 32 проходит - на первой стороне, соответствующей ее первому трубообразному концу 38, в трубу 16 до некоторой точки, которая находится за пределами, по меньшей мере, соединения 26 трубы с трубной решеткой. Внутренняя втулка 32 предпочтительно проходит в трубу 16 до некоторой точки, которая находится за пределами либо соединения 26 трубы с трубной решеткой, либо сообщающейся с межтрубным пространством поверхности 24 впускной трубной решетки 18, в зависимости от того, что из соединения 26 и сообщающейся с межтрубным пространством поверхности 24 находится дальше от внешней втулки 30. Таким образом, внутренняя втулка 32 предпочтительно проходит в трубу 16 до некоторой точки, которая находится за пределами, как соединения 26 трубы с трубной решеткой, так и сообщающейся с межтрубным пространством поверхности 24 впускной трубной решетки 18. На противоположной стороне, соответствующей ее второму трубообразному концу 40, внутренняя втулка 32 проходит либо до второго - свободного - трубообразного конца 36, либо за пределы упомянутого второго - свободного - трубообразного конца 36 внешней втулки 30.
Внутренняя втулка 32 характеризуется двумя внешними диаметрами. Первый внешний диаметр D7 относится к первому трубообразному участку 42 внутренней втулки 32, которая вставлена на всю длину или бóльшую ее часть во внешнюю втулку 30, тогда как второй внешний диаметр D8 относится ко второму трубообразному участку 44 внутренней втулки 32, которая вставлена на всю длину или бóльшую ее часть в трубу 16. Первый внешний диаметр D7 и второй внешний диаметр D8 могут быть, по существу, идентичными или разными, в зависимости от соединения 26 трубы с трубной решеткой и от конструкции готовой внутренней втулки 32. В случае, если первый внешний диаметр D7 и второй внешний диаметр D8 являются разными, второй внешний диаметр D8 меньше, чем первый внешний диаметр D7, а первый трубообразный участок 42 соединен со вторым трубообразным участком 44 предпочтительно посредством конического или псевдоконического переходного участка 46 внутренней втулки 32. Переходный участок 46, если он есть, предназначен для минимизации турбулентности и ударного воздействия текучей среды F. В случае, если первый внешний диаметр D7 и второй внешний диаметр D8, по существу, идентичны, подобно ситуации, например, в варианте осуществления противоэрозионного устройства, показанном на фиг.6, переходный участок 46 отсутствует, а первый и второй трубообразные участки 42 и 44 соединены непосредственно, образуя единый прямолинейный трубообразный участок. Второй внешний диаметр D8 второго трубообразного участка 44 внутренней втулки 32 меньше, чем внутренний диаметр D3 трубы 16 или, по существу, равен ему. Второй внешний диаметр D8 второго трубообразного участка 44 предпочтительно делают как можно более близким к упомянутому внутреннему диаметру D3 трубы 16, в зависимости от механических допусков.
Второй трубообразный конец 40 внутренней втулки 32, расположенный ближе ко второму свободному трубообразному концу 36 внешней втулки 30, может иметь любую форму. Второй трубообразный конец 40 внутренней втулки 32 предпочтительно имеет фаску или имеет форму воронки с тем, чтобы минимизировать турбулентность и ударное воздействие текучей среды F. Первый трубообразный конец 38 внутренней втулки 32, расположенный дальше от второго свободного трубообразного конца 36 внешней втулки 30, тоже может иметь любую форму. Первый трубообразный конец 38 внутренней втулки 32 предпочтительно имеет фаску или имеет форму воронки с тем, чтобы минимизировать турбулентность текучей среды F.
Внутренняя втулка 32 изготовлена из материала с металлическими свойствами. Внутренняя втулка 32 предпочтительно изготовлена из стойкого к эрозии материала, такого, как сплав никеля с высоким содержанием последнего. В альтернативном варианте, внутренняя втулка 32 может быть изготовлена из обычной углеродистой стали или низколегированной стали, а вследствие этого внутренняя втулка 32 работает как расходуемый элемент, со временем подлежащий замене. Иными словами, внутренний трубообразный элемент 32 может быть изготовлен из материала, выбранного из группы, состоящей из углеродистой сталью, низколегированной сталью и сплава никеля с высоким содержанием последнего.
Как показано на фиг.3C, внутренняя втулка 32 вставлена во внешнюю втулку 30 таким образом, что, по существу, покрывает всю внутреннюю поверхность последней, и проходит, по меньшей мере, в участок трубы 16. Внутренняя втулка 32 соединена со внешней втулкой 30 посредством механического или гидравлического расширения своего первого трубообразного участка 42 или основной секции упомянутого первого трубообразного участка 42 у внутренней поверхности внешней втулки 30. Практически, внутренняя втулка 32 расширяется у внешней втулки 30 на протяжении длины L2, которая предпочтительно короче осевой длины L5 внешней втулки 30. Длина L2 также предпочтительно короче общей осевой длины первого трубообразного участка 42.
В соответствии с предпочтительной конструкцией, второй трубообразный конец 40 внутренней втулки 32 следует форме второго - свободного - трубообразного конца 36 внешней втулки 30, чтобы покрыть тот участок внешней втулки 30, по которому может наносить удар текучая среда F. Переходный участок 46 внутренней втулки 32 показан на фиг.3C. Как сможет понять любой специалист в данной области техники, такой переходный участок 46 необходим, когда диаметр D4 отверстия трубной решетки больше внутреннего диаметра D3 трубы 16. Длину L4 переходного участка 46 конструктор определяет в соответствии с размерами впускной трубной решетки 18 и соответственной трубы 16. Длину L4 переходного участка 46 также определяют, предусматривая снижение вносимой турбулентности. Также отметим, что, даже если переходного участок 46 присутствует, второй трубообразный участок 44 и первый трубообразный участок 42 могут иметь, по существу, идентичный внутренний диаметр благодаря толщине второго трубообразного участка 44, большей по отношению к толщине первого трубообразного участка 42. Всю длину L3 второго трубообразного участка 44 или бóльшую ее часть, на которую он вставлен в трубу 16, конструктор определяет в соответствии с риском возникновения эрозии внутри трубы 16. Длину L3 второго трубообразного участка 44 также определяют, предусматривая сглаживание турбулентности текучей среды F.
Как показано на фиг.4A, внутреннюю поверхность внешней втулки 30 можно снабдить одной или несколькими канавками или выемками 48, предназначенными для более прочного крепления внутренней втулки 32. В соответствии с такой конструкцией, первый трубообразный участок 42 внутренней втулки 32 расширяется у внутренней поверхности внешней втулки 30 на протяжении длины L2, а в канавках или выемках 48 вынуждается проникновение внутренней втулки 32 в канавки или выемки 48.
Помимо расширения у внешней втулки 30, внутренняя втулка 32 также может быть приварена к внешней втулке 30 сварным швом 50 между вторым - свободным - трубообразным концом 36 внешней втулки 30 и вторым трубообразным концом 40 внутренней втулки 32, как показано на фиг.4B. Соответственно, материал сварного шва 50 является стойким к эрозии.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления противоэрозионного устройства, внутренняя втулка 32, помимо расширения у внешней втулки 30, также может расширяться у трубы 16. Практически, некоторая секция длиной L3 второго трубообразного участка 44, вставленная на всю свою длину или бóльшую ее часть в трубу 16, расширена механически или гидравлически. В случае такой конструкции, показанной на фиг.5, внешняя втулка 30 предпочтительно снабжена щелями или перфорацией 52, выполненными на том участке внешней втулки 30, где внутренняя втулка 32 не расширена у внешней втулки 30, чтобы вентилировать пространство между внутренней втулкой 32 и внешней втулкой 30, отверстие 20 трубной решетки и трубу 16. Внешняя втулка 30 может быть снабжена щелями или перфорацией 52 на участке внешней втулки 30 окрестности сообщающейся с внутритрубным пространством поверхности 22 впускной трубной решетки 18.
В соответствии с вышеизложенным описанием, эрозионная текучая среда F, подлежащая обработке кожухотрубным оборудованием 10, переносится противоэрозионным устройством, содержащим внешнюю втулку 30 и внутреннюю втулку 32. Противоэрозионное устройство собирает текучую среду F далеко от впускной трубной решетки 18 и поэтому уменьшает ударное воздействие текучей среды F на сообщающуюся с внутритрубным пространством поверхность 22 впускной трубной решетки 18. Помимо этого, в случае внешней втулки 30, или внутренней втулки 32, имеющей второй трубообразный конец 40, которому придана форма воронки, можно дополнительно уменьшить или исключить ударное воздействие текучей среды F на впускную трубную решетку 18. Внешняя втулка 30 также имеет важную функцию в зависимости от соответственной осевой длины L5, заключающуюся в снижении турбулентности потока до того, как он достигает впускной трубной решетки 18 и трубы 16.
Внутренняя втулка 32 защищает внешнюю втулку 30, отверстие 20 трубной решетки, соединение 26 трубы с трубной решеткой и первый участок трубы 16 от непосредственного ударного воздействия текучей среды F, а значит - и от эрозии. Поскольку текучая среда F вынуждена медленно течь в определенном направлении и переносится вдоль внешней втулки 30 и внутренней втулки 32, вследствие чего снижается турбулентность, эрозионное воздействие газа тоже снижается. В случае, если температура текучей среды F высока, снижается и коэффициент теплопередачи во внутритрубном пространстве, а также снижается риск локального перегрева.
С точки зрения строительных норм и правил, внешнюю втулку 30 можно считать не подвергающейся воздействию давления деталью. Как следствие, внешнюю втулку 30 можно ремонтировать или заменять без особых процедур. Такая внешняя втулка 30 устойчива к внешним воздействиям и может выдержать высокие механические напряжения среза и нагрузки со стороны текучей среды F или из-за расширения внутренней втулки 32. Внутренняя втулка 32 тоже не относится к деталям, находящимся под воздействием давления. Поэтому внутреннюю втулку 32 можно легко удалять и - при случае - заменять, не причиняя ущерба впускной трубной решетке 18.
Пространство, остающееся в промежутке между внутренней втулкой 32 и отверстием 20 трубной решетки или трубой 16, выгодно с точки зрения теплопередачи, поскольку оно работает как тепловой барьер. При необходимости, такое пространство можно заполнить теплоизоляционным материалом. В альтернативном или дополнительном варианте, внешнюю поверхность внутренней втулки 32 также можно покрыть теплоизоляционным материалом.
Таким образом, можно заметить, что противоэрозионное устройство для кожухотрубного оборудования, соответствующее данному изобретению, решает все вышеперечисленные задачи.
Таким образом, противоэрозионное устройство для кожухотрубного оборудования согласно данному изобретению задумано в любом случае допускающим многочисленные модификации и варианты, причем все они находятся в рамках одного и того же изобретательского замысла; в дополнение к этому, все детали могут быть заменены технически эквивалентными элементами. На практике возможны используемые материалы, а также формы и размеры любого типа в соответствии с техническими требованиями.
Следовательно, объем защиты изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.