ITUB20150270A1 - Scambiatore di calore a fascio tubiero con saldature IBW - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell?invenzione industriale avente per titolo "Scambiatore di calore a fascio tubiero con saldature IBW"

La presente invenzione si riferisce ad uno scambiatore di calore del tipo con involucro in pressione e fascio tubiero fra piastre tubiere di ingresso e uscita. In particolare, lo scambiatore pu? essere del tipo con almeno una piastra tubiera di tipo ?sottile?, vale a dire con piastra realizzata per essere relativamente flessibile e assecondare la pressione interna dello scambiatore. Ancora pi? in particolare, lo scambiatore pu? anche essere uno scambiatore TLE (Transfer Line Exchanger) impiegato nel ciclo di produzione dell?etilene.

In molte tipologie di scambiatori a fascio tubiero sussistono rischi di erosione sul lato fumi caldi e di corrosione e surriscaldamenti sul lato del fluido di scambio (in particolare acqua) sulla piastra tubiera 'calda'. Inoltre vi possono anche essere rischi di stagnazione di vapore, di surriscaldamenti, di cicli a fatica e di deposizione sali sulla piastra tubiera 'fredda'. In particolare, ma non esclusivamente, tali rischi sono particolarmente sentiti negli scambiatori TLE per etilene, i quali sono tipicamente a moto verticale ascendente dei fumi nei tubi e che hanno la piastra tubiera calda che ? la piastra inferiore.

Per la giunzione fra estremit? dei tubi e piastra tubiera un sistema utilizzato ? quello di realizzare una saldatura d?angolo e di forza dei tubi, vale a dire quello di disporre i tubi con la loro estremit? libera che attraversa la piastra per essere saldata sulla faccia esterna della piastra stessa. La saldatura sulla faccia esterna della piastra ? comoda ed economica da realizzare, per? produce un lungo cordone di saldatura affacciato sull?esterno della piastra e che pu? essere facilmente eroso dal flusso di fluido in ingresso allo scambiatore. In particolare, specialmente negli scambiatori TLE per etilene, si ha il problema di una elevata erosione causata dal gas in arrivo sulla piastra tubiera di ingresso (piastra ?calda?) a causa del particolato (coke) che viene trascinato dai gas ad elevata velocit? (> 100 m/s).

Per cercare di migliorare la situazione, da tempo si ? proposto di impiegare per la sola piastra tubiera di ingresso una saldatura testa-testa che prevede una saldatura IBW (Internal Bore Welding).

Con tale saldatura l?estremit? del tubo non passa pi? attraverso la piastra tubiera per essere saldata sulla faccia esterna di quest?ultima, ma ? invece accolto di testa contro un colletto sulla faccia interna della piastra (lato mantello) e la saldatura principale fra tubo e colletto viene realizzata dall?interno del tubo stesso, introducendo una apposita testa di saldatura nel tubo.

Con tale saldatura testa-testa, il cordone di saldatura non ? pi? frontale al flusso di fluido da raffreddare e non soffre direttamente dell?impatto con il fluido.

Si ottiene per? una asimmetricit? dello scambiatore, la quale negli scambiatori noti con saldatura IBW porta vari svantaggi, fra i quali ad esempio la necessit? di mantenere una sola direzione di flusso per tutta la vita utile dello scambiatore. Poich? l?estremit? di ingresso dello scambiatore si deteriora sempre maggiormente rispetto alla estremit? di uscita, la vita utile dello scambiatore, prima di una manutenzione profonda, ? perci? limitata dal deterioramento dell?ingresso.

Scopo principale della presente invenzione ? quello di ovviare ai problemi della tecnica nota fornendo uno scambiatore del tipo a fascio tubiero fra piastre tubiere opposte di struttura perfezionata.

Ulteriore scopo ? permettere l?inversione del flusso nello scambiatore dopo un certo periodo di attivit?, cos? da aumentarne la vita utile.

In vista di tali scopi si ? pensato di realizzare, secondo l'invenzione, uno scambiatore di calore a fascio tubiero con involucro in pressione e tubi di scambio fra piastre tubiere opposte, caratterizzato dal fatto che ad entrambe le estremit? i tubi del fascio tubiero sono fissati alle piastre tubiere attraverso saldature IBW.

In particolare, ? stato trovato vantaggioso realizzare lo scambiatore con involucro in pressione avente ad una estremit? prossima ad una delle piastre tubiere una parte di mantello non di pezzo per fornire un accesso al lato interno della piastra, cos? da permettere le operazioni di allineamento e saldatura IBW dei tubi alla piastra dopo avere saldato in posto l?opposta estremit? dei tubi all?altra piastra.

Secondo l?invenzione si ? anche pensato di realizzare un metodo di produzione e montaggio dello scambiatore di calore a fascio tubiero con involucro in pressione e tubi di scambio fra una prima e una seconda piastra tubiera opposte, comprendente le fasi di realizzare l?involucro dello scambiatore sostanzialmente come cilindro aperto alle due estremit? e con almeno una parte mancante prossima all?estremit?, saldare i tubi del fascio tubiero ad una loro prima estremit? alla prima piastra tubiera delle due piastre tubiere mediante saldatura IBW, accostare la prima piastra tubiera alla corrispondente estremit? dell?involucro con il fascio tubiero inserito al suo interno fino a fare giungere alla parte mancante l?opposta estremit? dei tubi del fascio, saldare tale opposta estremit? dei tubi alla seconda piastra tubiera mediante saldatura IBW, aggiungere la parte di estremit? mancante dell?involucro per completare l?involucro.

La parte di sezione mancante pu? essere vantaggiosamente formata da settori di parete cilindrica del mantello dell?involucro, uno dei quali pu? anche vantaggiosamente comprendere un condotto di ingresso o uscita del fluido di raffreddamento destinato a scorrere nell?involucro.

I settori di parete cilindrica possono vantaggiosamente formare parete laterale di una zona di distribuzione del fluido di raffreddamento nell?involucro in corrispondenza di un deflettore di flusso di estremit? entro l?involucro completo.

Per rendere pi? chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriver? di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, una realizzazione esemplificativa applicante tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta una vista schematica laterale e parzialmente sezionata di uno scambiatore secondo l?invenzione in una condizione assemblata;

-figura 2 rappresenta schematicamente una zona sezionata di connessione fra un tubo e la piastra tubiera nello scambiatore di figura 1;

-figure 3 e 4 rappresentano viste schematiche parziali degli estremi dello scambiatore di figura 1 durante fasi successive di realizzazione secondo un metodo oggetto della presente invenzione.

Con riferimento alle figure, in figura 1 ? mostrato uno scambiatore, indicato genericamente con 10, realizzato secondo i principi della presente invenzione.

Lo scambiatore 10 comprende un involucro in pressione 11 alle cui opposte estremit? sono presenti diffusori conici (o cilindrici con uscite laterali) o collettori 12, 13 ai quali giungono condotti 14, 15 di ingresso e uscita del fluido da raffreddare (ad esempio vapore di etilene). Un fascio tubiero 18 ? disposto nell?involucro fra piastre tubiere 16 e 17 per essere immerso nel fluido di scambio (ad esempio, acqua) che circola nello scambiatore attraverso condotti di ingresso e uscita 19 e 20. Le piastre tubiere possono essere vantaggiosamente di tipo cosiddetto ?sottile? e perci? essere piastre flessibili per le quali la tenuta contro l?incurvamento a causa della pressione interna allo scambiatore ? assicurata ad esempio dallo stesso fascio tubiero saldato fra le piastre, e le piastre si flettono verso l?esterno anche a causa della dilatazione termica del fascio.

Come si vede sempre in figura 1, nello scambiatore secondo l?invenzione possono essere impiegati anche diaframmi di convogliamento del fluido di scambio disposti trasversalmente lungo il fascio.

Tali diaframmi sono vantaggiosamente in forma di dischi 23 e ciambelle 24 alternati lungo l?asse del fascio per avere una circolazione come indicata dalle frecce in figura 1, vale a dire che serpeggia fra un passaggio periferico e un passaggio centrale. Lo scambiatore (in particolare un TLE) ? infatti preferibilmente verticale con moto ascendente del fluido (fumi) da raffreddare.

Come si vede in figura 1, possono anche essere vantaggiosamente previsti diaframmi 31 e 32, disposti ai due estremi dello scambiatore attorno al fascio tubiero e conformati con paratie cilindriche lungo l?asse dello scambiatore in modo da formare zone 33, 34 in corrispondenza dei condotti 19 e 20 e che sono di distribuzione del fluido di raffreddamento nella circonferenza dell?involucro per poi indirizzarlo a scorrere da un estremo all?altro dello scambiatore.

Vantaggiosamente, tali diaframmi di estremit? sono fissati (eventualmente saldati) alle pareti dell?involucro. Inoltre, sono preferibilmente previsti tiranti 35 estesi lungo l?asse dello scambiatore per sostenere gli eventuali altri diaframmi distribuiti lungo il fascio. Come mostrato in figura 1, nel caso di scambiatore verticale, i tiranti possono essere supportati anche solo inferiormente per mantenere la gabbia del fascio con la spaziatura desiderata dei diaframmi.. La gabbia (diaframmi, tiranti, spaziatori) potrebbe comunque anche essere solidale al mantello.

Secondo i principi della presente invenzione, i tubi del fascio hanno entrambe le estremit? che sono saldate alle rispettive piastre tubiere mediante una saldatura IBW (Internal Bore Welding) ossia testa-testa.

La doppia saldatura di tipo IBW sia sul lato caldo che lato freddo dello scambiatore, permette di rendere lo scambiatore (vantaggiosamente uno scambiatore TLE) reversibile, vale a dire ingressi e uscite dei flussi di fluido primario e secondario possono essere scambiati fra loro in modo che l?ingresso dello scambiatore diviene l?uscita e viceversa. In altre parole, lo scambiatore pu? essere vantaggiosamente ribaltato di 180?.

Ci? permette ad esempio di allungare la vita utile dello scambiatore prima della necessit? di manutenzioni profonde causate dal degrado.

La soluzione ? applicabile sia con metallurgia omogenee di tubi e piastre tubiere (ad esempio, acciai al mezzo molibdeno o basso legati) sia con una configurazione in cui la parte centrale delle piastre tubiere ? in metallurgia nobile, ad esempio Inconel 625, come pure eventuali segmenti di raccordo iniziali e finali saldati fra piastra e tubi.

In figura 2 ? mostrato un possibile esempio di saldatura testa-testa IBW realizzabile ad entrambe le estremit? dei tubi, dove ? previsto l?impiego di un segmento di raccordo 36 fra ciascuna estremit? dei tubi del fascio 18 e la rispettiva piastra (16 o 17).

Questa soluzione consente di estendere la resistenze all'erosione e alla corrosione ed al surriscaldamento alla parte inferiore dei tubi di scambio (in un TLE classico a fumi caldi avente moto verticale ascendente); e di estendere la resistenza alla stagnazione vapore ed al surriscaldamento ed alla fatica ciclica ed alla aggressione da deposito sali alla parte superiore dei tubi.

Poich? le piastre e i tubi secondo l?invenzione sono reversibili, si pu? facilmente estendere la reversibilit? ad ogni sotto-componente dello scambiatore cos? da avere una completa reversibilit? dello scambiatore. Per la completa reversibilit? lo scambiatore pu? essere realizzato completamente simmetrico rispetto ad un piano ideale trasversale di mezzeria (il piano ideale tagliando virtualmente i tubi a met? della loro lunghezza). La completa reversibilit? richiede naturalmente particolari accorgimenti nell'arrangiamento dei supporti esterni (selle, mensole, guide, ecc.) e nella disposizione degli elementi interni, come ora facilmente immaginabile dal tecnico esperto.

Per la realizzazione dello scambiatore secondo l?invenzione, si ? trovato vantaggioso realizzare lo scambiatore con involucro in pressione avente ad una estremit? prossima ad una delle piastre tubiere parte di mantello non di pezzo, in modo che tale parte possa essere montata dopo le operazioni di allineamento e saldatura IBW dei tubi alla piastra corrispondente, anche dopo avere saldato in posto l?opposta estremit? dei tubi all?altra piastra. E? cos? facilmente mantenuta l?accessibilit? alla faccia interna della piastra.

Nella realizzazione di figura 1, la parte di mantello non di pezzo ? indicata con 37 e corrispondente vantaggiosamente alla parte di involucro in prossimit? dell?area 34 (o 33) di distribuzione del fluido di raffreddamento e direttamente a contatto con la piastra tubiera. In figura 3 ? mostrata una prima fase di montaggio nella quale, dopo avere realizzato l?involucro 11 sostanzialmente come cilindro aperto alle due estremit? e con almeno una parte di estremit? mancante (la parte terminale 37) e avere posizionato e fissato gli eventuali setti con i loro tiranti, i tubi 18 del fascio tubiero vengono saldati ad una loro prima estremit? alla prima piastra tubiera mediante la saldatura testa-testa (IBW).

La piastra pu? essere mantenuta scostata dall?involucro per tutta la fase di saldatura, cos? da avere pieno accesso e ispezionabilit? delle saldature. Il fascio pu? anche essere gi? parzialmente inserito nell?involucro, come bene si vede in figura 3.

Dopo la saldatura del fascio alla prima piastra, tale prima piastra tubiera, con il fascio tubiero inserito all?interno dell?involucro (ad esempio calando l?involucro sulla prima piastra), pu? venire accostata alla corrispondente estremit? dell?involucro fino a fare giungere alla sezione mancante l?opposta estremit? dei tubi del fascio, come mostrato in figura 4. La prima piastra pu? essere fissata in posto sulla sua estremit? dell?involucro 11.

Come sempre si vede in figura 4, le opposte estremit? dei tubi (uno solo mostrato per semplicit?) possono essere saldate testa-testa alla seconda piastra tubiera sempre vantaggiosamente mediante saldatura IBW, poich? entrambe le facce della seconda piastra sono ancora accessibili. Finita la saldatura si pu? poi aggiungere la parte 37 di estremit? mancante all?involucro, cos? da completare l?involucro e chiudere la camera di circolazione del fluido di raffreddamento.

La parte di sezione 37 mancante pu? essere vantaggiosamente formata da settori di parete del mantello dell?involucro. Ad esempio, come mostrato in figura 4, i settori possono essere due, indicati con 38, 39, accostabili radialmente uno verso l?altro. Il fissaggio finale pu? essere realizzato mediante saldatura o altro adeguato sistema di vincolo a tenuta. Vantaggiosamente, uno dei settori comprende anche il condotto di ingresso o uscita 19 o 20 del fluido di raffreddamento che deve circolare nell?involucro. Alternativamente ad una completa rimozione della parte terminale 37 dell?involucro dello scambiatore, le parti rimosse possono anche solo realizzare finestre nella parete dell?involucro per l?accesso alla faccia interna della piastra, con le finestre che vengono chiuse dopo la saldatura dei tubi. Ci? consente anche di avere un preciso riferimento per il posizionamento della seconda piastra.

Dopo la saldatura dei tubi e la chiusura dell?involucro possono essere montati gli altri elementi dello scambiatore, quali ad esempio i collettori di estremit? 12 e 13.

A questo punto ? chiaro come si siano ottenuti gli scopi prefissati. Uno scambiatore a fascio tubiero realizzato secondo l?invenzione soffre molto meno di effetti erosivi e corrosivi e permette inoltre maggiore efficienza e flessibilit? d?uso, anche grazie alla possibilit? di realizzarlo invertibile e, in particolare, ribaltabile.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di una realizzazione applicante i principi innovativi della presente invenzione ? riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perci? essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato. Ad esempio, le proporzioni delle varie parti dello scambiatore potranno variare rispetto a quanto mostrato nei disegni per adattarsi a specifiche esigenze, come facilmente immaginabile dal tecnico. Anche il numero di tubi, tiranti ed eventuali diaframmi a disco e ciambella interni potr? variare a seconda della realizzazione pratica e delle specifiche esigenze, cos? come la posizione delle sezioni dell?involucro dello scambiatore che sono di accesso alla parte interna della seconda piastra tubiera per la seconda saldatura IBW dei tubi. La parte di accesso 37 pu? essere realizzata su un lato e/o sul lato opposto dello scambiatore, anche se ? stato trovato vantaggioso realizzarlo sulla piastra fredda. L?accessibilit? all?interno pu? essere realizzata anche ad entrambe le estremit?.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore (10) a fascio tubiero con involucro in pressione (11) e tubi di scambio (18) posti fra una prima e una seconda piastra tubiera (16, 17), caratterizzato dal fatto che ad entrambe le estremit? i tubi (18) del fascio tubiero sono fissati alle piastre tubiere mediante saldature IBW.
2. 2. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l?involucro in pressione ha ad una estremit? prossima alla seconda piastra tubiera una parte di mantello (37) non di pezzo per fornire durante il montaggio un accesso al lato interno della detta seconda piastra tubiera dopo che l?opposta estremit? dei tubi ? fissata in posto alla prima piastra tubiera.
3. 3. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la detta parte di mantello (37) ? formata da settori di parete del mantello dell?involucro.
4. 4. Scambiatore secondo rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la detta parte di mantello (37) ? in corrispondenza di una area (33,34) di distribuzione di fluido di raffreddamento interna all?involucro completamente assemblato.
5. 5. Scambiatore secondo rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la detta area (33,34) ? definita da pareti di un diaframma distributore (31,32) disposto attorno al fascio tubiero.
6. 6. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere uno scambiatore TLE per etilene.
7. 7. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto i tubi sono saldati alle piastre con interposizione di segmenti di raccordo (36).
8. 8. Scambiatore secondo rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che i segmenti di raccordo (36) e le piastre sono in Inconel 625.
9. 9. Metodo per la realizzazione di uno scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente le fasi di realizzare l?involucro (11) dello scambiatore sostanzialmente come cilindro aperto alle due estremit? e con almeno una parte (37) mancante prossima all?estremit?, saldare i tubi (18) del fascio tubiero ad una loro prima estremit? alla prima piastra tubiera delle due piastre tubiere mediante saldatura IBW, accostare la prima piastra tubiera alla corrispondente estremit? dell?involucro con il fascio tubiero inserito al suo interno fino a fare giungere alla parte mancante (37) l?opposta estremit? dei tubi del fascio, saldare tale opposta estremit? dei tubi alla seconda piastra tubiera mediante saldatura IBW, aggiungere la parte di estremit? mancante dell?involucro per completare l?involucro.
10. 10. Metodo secondo rivendicazione 9, nel quale lo scambiatore ? realizzato per essere reversibile.