5 causes courantes de défaillance réfractaire et comment les résoudre

Oct 25, 2023

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Tous les réchauffeurs de processus fonctionnent à des températures élevées et sont construits avec des tubes de processus à l'intérieur d'une enceinte revêtue de réfractaire, qui est chauffée par la chaleur rayonnante du chauffage au gaz ou, moins fréquemment, du chauffage au mazout.

Les revêtements réfractaires sont isolants et minimisent les pertes de chaleur, ce qui les rend essentiels pour conserver l'environnement à haute température. Cependant, lorsqu'il est soumis à des températures élevées, le réfractaire peut se détériorer et potentiellement conduire à une défaillance si des travaux de réparation ne sont pas effectués.

Les types de revêtement réfractaire comprennent la fibre céramique réfractaire, la brique et le béton ou béton. Si une défaillance réfractaire entraîne un arrêt imprévu, cela peut coûter aux usines plus d'un million de dollars par jour en perte de production.

Il est utile de connaître les causes les plus courantes de défaillance des réfractaires, comment inspecter les appareils de chauffage ou les fours à la recherche de dommages et les méthodes de réparation des réfractaires en ligne sans avoir à perturber le fonctionnement normal. Voici les causes courantes de défaillance réfractaire.

1. Détérioration due à l'ancienneté

Au fur et à mesure que les revêtements réfractaires vieillissent, leurs propriétés physiques changent. L'environnement à haute température provoque des modifications microstructurales des liants à l'intérieur des matériaux, entraînant une perte de surface ou de résistance interne. Si le matériau réfractaire porte une charge de compression, comme des briques ou des revêtements coulables, cela peut entraîner une défaillance locale ou généralisée.

Si le réfractaire est sujet à l'impact des flammes, ce qui est courant dans de nombreuses applications de murs radiants, la durée de vie utile sera plus courte.

Dans les appareils de chauffage au mazout, la détérioration du réfractaire est accélérée par des agents corrosifs dans les produits de combustion. Heureusement, il y a peu de cas où la cuisson au mazout est utilisée maintenant.

2. Matériaux réfractaires incompatibles

Une combinaison de matériaux réfractaires est une caractéristique commune des appareils de chauffage à feu. Les ouvertures telles que les portes utilisent souvent des matériaux en fibre et en brique, et les viseurs peuvent utiliser des modules IFB, coulables ou en fibre.

Une conception standardisée utilisant différents matériaux peut être difficile car chaque matériau a des propriétés variables à des températures élevées. Par conséquent, les revêtements réfractaires peuvent être endommagés, laissant la coque exposée aux gaz de combustion chauds et provoquant des points chauds.

Pour réduire le risque de matériaux réfractaires incompatibles, il est judicieux de travailler en étroite collaboration avec le fournisseur de réfractaire pour s'assurer que des matériaux comparables sont utilisés autour des ouvertures.

3. Perte de soutien

Tous les types de revêtements réfractaires sont fixés et soutenus par la coque en acier externe du réchauffeur à feu. Le support classique est assuré par un système d'ancrage, qui est soudé à la coque.

Fréquemment, le joint soudé entre la coque et l'ancre est compromis par la corrosion et le support est perdu. La corrosion est causée par les gaz de combustion chauds pénétrant à travers le revêtement réfractaire et se condensant lorsqu'ils atteignent l'enveloppe du refroidisseur. L'environnement local est idéal pour une oxydation ou une corrosion rapide du point le plus faible : la soudure.

Une fois le support perdu, des briques individuelles, des modules, etc. peuvent tomber, laissant la coque métallique exposée, ce qui crée un effet domino et la défaillance du revêtement réfractaire adjacent.

Dans une usine en Europe, un point chaud a été découvert sur la gaine de transition entre les sections radiante et de convection d'un CCR Platformer. Dans ce cas, la défaillance de la couverture en fibre céramique dans le toit a laissé la coque exposée aux gaz de combustion chauds. Cela a fait que la température de la coque externe a dépassé 1040 ° F (560 ° C).

Pour éviter la surchauffe de la coque jusqu'à l'échec, le taux de production sur le CCR Platformer a dû être diminué, entraînant une perte de production de plus de 400 000 $ par jour.

L'usine a fait appel au service de réparation de réfractaires à chaud de Hot-tek pour résoudre le problème jusqu'à la prochaine révision prévue. Ce service est décrit plus en détail plus loin dans ce livre blanc.

4. Contrainte mécanique

Plusieurs facteurs peuvent entraîner une contrainte mécanique entraînant une défaillance du réfractaire. Ceci comprend:

Une installation ou un entretien incorrect est une cause fréquente de défaillance du réfractaire. Des facteurs tels que les techniques d'installation, le temps de durcissement, un support inadéquat ou des matériaux de mauvaise qualité peuvent tous affaiblir le réfractaire et contribuer à sa défaillance.

L'installation du réfractaire commence au stade de la fabrication. Une bonne communication entre le fabricant et l'usine est essentielle pour s'assurer que le réfractaire est adapté à son usage. Il doit être résistant aux contraintes thermiques et autres processus causés par l'environnement d'exploitation. Les paramètres tels que les températures, les démarrages et les arrêts, la température des gaz de combustion et les composants chimiques, ainsi que la perte de chaleur requise doivent tous être évalués.

Une fois fabriqué, le réfractaire doit être stocké dans un espace sec et bien ventilé et installé dans les trois mois pour les environnements de fonctionnement à haute température ou à forte abrasion. S'ils sont installés et entretenus correctement, les revêtements réfractaires devraient durer 20 ans ou plus.

Cependant, plusieurs caractéristiques pourraient suggérer des problèmes à l'étape de l'installation. Par exemple, si vous remarquez que des modules de fibre sont tombés du toit ou que des espaces sont apparus, cela peut être dû à un problème tel qu'un soudage insuffisant des goujons. Cela pourrait également être un signe de corrosion de la coque, ce qui est plus courant si un revêtement protecteur en alliage, tel que le jet thermique à grande vitesse d'IGS, n'a pas été appliqué sur la coque avant l'installation.

Bien qu'il existe une gamme de problèmes d'installation potentiels pouvant entraîner une défaillance du réfractaire, des inspections régulières et diligentes peuvent aider à identifier les dommages à un stade précoce pour permettre d'effectuer des travaux de réparation.

Comment inspecter les fours pour les dommages

Souvent, le premier signe de défaillance réfractaire est un point chaud sur la coque externe en acier, car l'observation directe de la zone à problème n'est pas possible. IGS a conçu et développé l'outil d'inspection des éléments chauffants Lancescope™ de Cetek. Il permet d'entreprendre une inspection du four à haute température pour déterminer l'étendue du problème, évitant souvent un arrêt coûteux du réchauffeur.

Le système d'inspection à chaud utilise un système de caméra numérique de pointe, qui fournit des images claires et détaillées des zones problématiques jusqu'à 3000°F (1650°C). Le système d'inspection de la fournaise peut être inséré dans des ouvertures aussi petites que 2,75 pouces (7 cm) et atteindre jusqu'à 30 pieds (10 m). Dans les applications inférieures à 1000 °F (540 °C), le système d'inspection du réchauffeur fournit un éclairage via une source lumineuse à haute température pour une clarté optimale.

L'avantage d'effectuer une inspection à chaud comprend :

Méthodes de réparation réfractaire

Une fois les dommages identifiés, il existe généralement des options pour résoudre le problème. La production peut être interrompue pour mettre l'actif hors ligne et effectuer des réparations conventionnelles, ou le four peut continuer à fonctionner à des performances réduites jusqu'à la prochaine révision prévue. Cependant, cela pourrait aggraver tout dommage existant.

Alternativement, un service de réparation réfractaire en ligne est proposé par Hot-tek™, où il n'est pas nécessaire de mettre le réchauffeur hors ligne et la production ne sera pas interrompue ou la capacité limitée. C'est une bonne option pour réparer temporairement les dommages jusqu'à la prochaine révision prévue.

Une équipe de techniciens réfractaires peut être mobilisée à court terme et la réparation consiste à créer des ouvertures de point d'accès minimales pour insérer des composants spécialement conçus et du matériel de réparation, offrant une réparation semi-permanente qui durera au moins jusqu'à la prochaine révision.

Étude de cas : arrêt de l'élément chauffant évité grâce à la réparation du réfractaire chaud

Une raffinerie aux États-Unis a découvert de graves problèmes d'intégrité réfractaire sur son unité de chauffage de reformage catalytique (CCR). La fibre céramique réfractaire manquait dans un four. En conséquence, la coque extérieure en acier a été endommagée en raison de l'exposition à des températures élevées dans plusieurs zones du toit et des parois latérales.

Les images infrarouges des fours de raffinerie révèlent les zones problématiques

Cette raffinerie est une société d'énergie en aval avec des actifs dans le raffinage du pétrole, la logistique, les dépanneurs, l'asphalte et les énergies renouvelables avec une capacité de moins de 150 000 barils par jour. La raffinerie produit des types d'essence, des distillats et des produits de propane.

L'usine a invité Hot-Tek à inspecter l'unité et à effectuer des réparations réfractaires à chaud. L'équipe a pris des images infrarouges des points chauds sur le toit de l'aérotherme CCR lors de la réunion d'avant-projet.

Des températures de plus de 1500°F/815°C ont été atteintes au niveau du mur du pont, relativement élevées pour un appareil de chauffage à combustion CCR. La sélection des matériaux utilisés lors des réparations précédentes n'était pas suffisante pour ces températures élevées des parois du pont.

Solution de réparation réfractaire à chaud Hot-Tek

Les zones endommagées ont été réparées à l'aide de deux techniques : la réparation de style panier unique de Hot-Tek et la réparation de modules plus importants. Les plus grandes surfaces endommagées du toit du four ont été coupées en sections et enlevées une à la fois. Ensuite, des modules préfabriqués composés de plaques et de quincaillerie en alliage supérieur ainsi que de fibres céramiques à haute température ont créé une solution de réparation à long terme pour la raffinerie. La méthode de réparation de type panier a été utilisée pour sceller autour du périmètre des modules.

Solution de réparation Hot-Tek étape par étape

Réparation de la fournaise Hot-Tek en utilisant le style de module au plafond des boîtes à chien installées :

Le résultat : la solution de réparation réfractaire à chaud Hot-Tek

Le projet Hot-Tek a été achevé dans le délai convenu de huit jours. La raffinerie a continué à fonctionner à pleine capacité, sans être affectée par les réparations en cours. Une fermeture aurait coûté des millions à la raffinerie en perte de production.

Conclusion

Il existe de nombreuses causes de défaillance réfractaire, mais l'arrêt du four doit toujours être un dernier recours car cela a un impact énorme sur la production et les revenus. L'environnement d'exploitation est responsable de la plupart des défaillances réfractaires et un oubli courant consiste à augmenter la température du four sans évaluer l'impact que cela aura sur les paramètres de conception du réfractaire. La planification de la surcapacité peut aider à atténuer le risque de défaillance réfractaire si les spécifications changent après l'installation.

Comprendre et prévenir les dommages réfractaires est la clé de la performance globale du four. IGS reconnaît les effets de la défaillance des actifs et travaille en partenariat avec des usines du monde entier pour optimiser la fiabilité et les performances des équipements. L'identification précoce des dommages réfractaires et la compréhension des raisons sous-jacentes aideront les opérateurs à augmenter le temps de fonctionnement du four et à maximiser les performances globales, ce qui pourrait économiser des millions de dollars en revenus autrement perdus.

Si des pertes de performances inattendues ont un impact sur vos opérations, IGS peut se mobiliser rapidement pour vous aider à identifier, réparer et prévenir les dommages futurs.

Pour plus d'informations, visitez le site integratedglobal.com.