Змеевики трубчатых печей

Требования технологического процесса, как правило, определяют материальное исполнение змеевиков. Трубы для змеевиков изготавливают из углеродистой (20Г), низколегированной (15Х5М) и высоколегированной (12Х18Н9Т) сталей. В наиболее тяжелых условиях работают змеевики радиантных секций, особенно, если процесс нагрева сопровождается частичным или полным испарением обрабатываемого продукта. В этом случае имеет место существенное увеличение объема нагреваемой среды по мере её движения вдоль змеевика, возрастание скорости движения потока и рост гидравлического сопротивления по тракту змеевика.

Змеевик трубчатой печи выполняется из прямых труб длиной от 3 до 24 м, соединенных сварными фитингами или специальными разъемными соединительными двойниками (ретурбендами).

В трубчатых печах применяют два типа фитингов (рис. 11): калачи (а) – для соединения параллельных труб и отводы на 90º (б) – для соединения труб, расположенных под прямым (или другим) углом. Соединение фитингов с трубами осуществляется стыковой сваркой (в) с предварительной обработкой кромок. Соединение фитингами обеспечивает компактное, герметичное и надежное неразъемное соединение труб друг с другом, и применяется в случаях, когда по условиям эксплуатации нет необходимости в систематическом вскрытии торцов труб для их ревизии или чистки изнутри механическим способом. В таких случаях для очистки сварных неразборных змеевиков от внутренних отложений используют паровоздушный метод. Змеевик печи может иметь и комбинированное исполнение: в конвективной камере или на ее начальном участке – сварное, на фитингах, а на остальных участках, испытывающих большую теплонапряженность, – на ретурбендах.

Рис. 11. Неразъемное сварное соединение труб фитингами: а) – с помощью сварного калача; б) – с помощью сварного отвода; в) – схема обработки кромок труб и отводов под стыковую сварку: 1 – соединяемые трубы; 2 – калач (отвод на 180˚); 3 – отвод на 90˚.

Использовать ретурбенды для соединения труб рекомендуется при температурах нагрева внутренней среды в трубах, не превышающих 560 ºС и давлениях до 10 МПа. В зависимости от рабочих условий, печные ретурбенды выпускаются трех ступеней на условные давления 2,5 (тип I), 6,5 и 10 МПа (тип II). Конструктивное исполнение ретурбендов показано на рис. 12.

Корпуса 1 и пробки 2 ретурбендов для некоррозионных сред с температурой до 450 ºС изготавливают методом литья из конструкционной литейной стали марки 25Л (а, в), в случае коррозионной среды и сред с более высокой температурой используют легированные стали 15Х5МЛ и 12Х8ВЛ (иногда 12Х5ТЛ и 12Х8ТЛ). Хорошими эксплуатационными качествами, и в первую очередь, высокой механической прочностью обладают кованые (штампованные) ретурбенды (рис.12, б), изготовленные из углеродистых и легированных сталей. Отличительной особенностью кованых ретурбендов является то, что для механической обработки внутренних полостей и переходов в их корпусах выполняют технологические отверстия, которые, после окончательной обработки, закрывают сварными глухими пробками 6.

Соединение расположенных параллельно (рис. 12, а, б) или под углом 90º (рис. 12, в) пар труб друг с другом осуществляется путем развальцовки их концов в отверстиях 5 корпуса ретурбенда. Для обеспечения плотности и прочности развальцовочного соединения, отверстия под трубы выполняют с одной или двумя канавками. Развальцовка труб осуществляется специальным инструментом – вальцовкой, имеющей привод от пневмомотора или электродвигателя. Для ввода вальцовки внутрь труб в корпусе ретурбенда предусмотрены конические отверстия с углом конусности 20º. В рабочем состоянии указанные отверстия закрыты притертыми коническими пробками 2. Поджатие пробок к гнезду корпуса осуществляется с помощью нажимных траверсных болтов 4, ввернутых на съемные поворотные траверсы 3. В литых ретурбендах траверсы вставляются в проушины корпуса, в кованых – упираются в специальный подковообразный выступ корпуса. Для предотвращения перетяга траверсных болтов и возможной поломки проушин и корпусов ретурбендов, усилие затяжки следует контролировать динамометрическим ключом. Нажимные болты и траверсы для некоррозионных сред с температурой до 425 ºС изготавливают из легированных сталей марок 30Х и 40ХН, для коррозионных сред с более высокой температурой – из хромомолибденовой стали марки 30ХМА.

Рис. 12. Разъемные соединительные двойники (ретурбенды) змеевиков трубчатых печей. а) – двойник двухтрубный литой; б) – кованый двухтрубный ретурбенд; в) – литой угловой двойник: 1 – корпус; 2 – пробка; 3 – траверса; 4 – нажимной болт; 5 – отверстие с канавками для развальцовки труб; 6 – пробка боковая глухая (технологическая – для механической обработки перехода между камерами в кованом ретурбенде).

На рис. 13 представлена схема развальцовки труб и размеры канавок в отверстиях корпусов ретурбендов. Гнезда с одной канавкой (тип I) применяются для условного давления 2,5 МПа, с двумя канавками (тип II) – для условных давлений 6,5 и 10 МПа.

Рис. 13. Схема развальцовки труб в гнездах ретурбендов. а) – с одной канавкой; б) – с двумя канавками: 1 – корпус ретурбенда; 2 – форма гнезда под развальцовку; 3 – труба после развальцовки.

Плотность и прочность развальцовочного соединения труб с ретурбендом зависят от степени развальцовки (в %), определяемой по уравнению:

, (6.1)

где d – начальный диаметр гнезда двойника; d₁ , d₂ – внутренний диаметр трубы до и после развальцовки; s = 2Δ – начальный зазор между наружным диаметром трубы и диаметром гнезда ретурбенда.

Числитель в уравнении (6.1) представляет собой раздачу печной трубы при развальцовке. По данным исследований, только при оптимальной степени развальцовки 1,2 – 2,0 %, обеспечивается необходимая прочность и плотность соединения, причем большие значения ε принимаются для труб с большей толщиной стенок s_т , когда материал труб является более пластичным, а материал гнезд и корпуса двойника – более твердым. Степень развальцовки труб проверяют нутромером.

Рекомендуемые размеры канавок в отверстиях ретурбендов под развальцовку труб различного диаметра d_н представлены в табл. 12 [12, с.182].

Табл. 12

Размеры отверстий (мм) под развальцовку труб в ретурбендах

Большую роль в увеличении прочности соединения труб с двойником играет размер разбортовки b трубы в гнезде. В двойниках с разбортовкой выход трубы за пределы вальцовочного гнезда не должен превышать 6 – 10 мм, так как в слишком длинных выступах трубы могут возникнуть трещины, и соединение ослабится, что не разрешается по действующим правилам эксплуатации печей.

Применение ретурбендов обеспечивает возможность механической чистки труб изнутри при ремонтах, но одновременно требует более тщательной подготовки печи к эксплуатации (уплотнение, опрессовка).

При эксплуатации печей следует исключить возможность перегрева элементов ретурбендов, особенно в радиантных камерах, из-за возможной закалки стальных элементов двойников под действием высоких температур. Известны случаи, когда из-за закалки металл ретурбендов становился весьма хрупким и при затяжке пробок ушки на корпусах отрывались.

С целью защиты элементов ретурбендов от воздействия высоких температур, а также для периодической проверки состояния развальцованных соединений труб змеевика, их выносят из радиантных и конвективных камер печей и размещают в ретурбендных камерах – стальных коробах с открывающимися изолированными дверками.

В ретурбендных камерах размещается также система пожаротушения, представляющая собой перфорированную трубу с выполненными на ней отверстиями для подачи пара для тушения возможных загораний продуктов вследствие утечек из образующихся неплотностей или других дефектов в разъемных (особенно в развальцовочных) соединениях ретурбендов. Пример конструктивного исполнения ретурбендных камер на змеевиках радиантного и конвекционного змеевиков представлено на схеме двухкамерной двухскатной печи с панельными беспламенными горелками (рис. 4).

Одним из параметров, влияющим на тепловую эффективность змеевиков, является коэффициент k_t, определяемый как отношение шага tмежду трубами к их диаметру d: k_t.= t/d. В однорядных экранных змеевиках коэффициент k_t рекомендуется приниматьв пределах 1,8 ¸ 2. Именно при этих соотношениях обеспечивается приемлемая равномерность нагрева труб по окружности за счет эффективного использования отраженного от обмуровки облучения. При необходимости дальнейшего увеличения равномерности нагрева коэффициент k_t может быть увеличен до 3. Увеличение k_t выше 3 практически не влияет на равномерность нагрева. При использовании двухрядных экранов во втором ряде труб условия облучения существенно ухудшаются, поскольку второй ряд труб при k_t = 2 получает только 21% тепла относительно первого ряда.

Рис. 14. Влияние условий облучения экранов радиантных секций на теплонапряженность труб: а) – экран двухстороннего облучения от факела горения; б) – экран одностороннего облучения фронтальной поверхности от факела горения и тыльной поверхности отраженным облучением от стенки обмуровки; в) и г) – распределение теплонапряженности в продольном и поперечном направлениях (в) и по высоте (г) труб центрального экрана двухстороннего облучения при использовании настенных беспламенных горелок. 1, 3 – трубы центрального экрана двухстороннего облучения; 2 – трубы настенного экрана одностороннего облучения.

На рис.14 представлено влияние схемы размещения и типов горелок на распределение тепловой напряженности в поперечном сечении (а, б), вдоль оси труб (в) и по высоте экрана (г) в радиантных камерах трубчатых печей. Для оценки характера распределения тепловой напряженности на поверхности труб на схемах показаны численные значения коэффициента облученности φдля различных вариантов нагрева центральных и настенных (боковых) экранов от факельных и беспламенных горелок.

Наиболее равномерный обогрев труб в поперечном сечении обеспечивает двухстороннее облучение однорядного центрального экрана радиантных труб от факельных горелок (а), при этом коэффициент облученности φ₁= 1. При одностороннем облучении настенного экрана (б) от факельных горелок наблюдается неравномерность тепловой напряженности в поперечном сечении труб: коэффициент φ₁ = 0,55, т.е. теплонапряженность тыльной стороны экрана, обусловленная отраженным от стенки обмуровки облучением, почти в два раза ниже, чем от факела горения. При установке беспламенных панельных горелок с двух сторон от центрального экрана по всей высоте H боковых стенок печи (рис. 14, в, г), обеспечивается наилучшее распределение тепловой нагрузки по всей поверхности змеевика: коэффициент облученности имеет постоянное значение как по длине L труб (φ₂ = 1), так и по высоте H центрального экрана (φ₃ = 1). В этом случае коэффициент облученности φ₁имеет равномерное распределение и в поперечном сечении труб, чем, в частности, обусловлено широкое применение настенных беспламенных горелок (излучающих панелей) для обогрева радиантных секций трубчатых печей.