W eksploatacji pieców przemysłu chemicznego (zakłady amoniaku, zakłady petrochemiczne) najważniejszym czynnikiem jest czas bezawaryjnej pracy, określany jako trwałość eksploatacyjna. Wyznaczenie jej jest skomplikowane, ponieważ trwałość elementów konstrukcyjnych pieców nie jest identyczna z trwałością materiałów określoną na próbkach w próbach pełzania i zmęczenia cieplnego.
Trwałość żarowytrzymałych elementów pieców przemysłu chemicznego zależy przede wszystkim od temperatury pracy pieca T, naprężenia elementu 6 oraz zmiany tych parametrów w trakcie pracy. Istotne również są: czas eksploatacji, poprawność pracy pieca, agresywność utleniającej i nawęglającej atmosfery pieca, rodzaj konstrukcji pieca, technologia wykonania elementów i ich montażu w piecu [7, 22, 29, 30, 72, 74, 77].
Najbardziej narażonymi na uszkodzenia elementami pieców chemicznych są ogrzewane rury, w których zachodzą endotermiczne reakcje chemiczne. W reformerach metanu następuje rozkład gazu ziemnego na wodór i tlenki węgla, natomiast w piecach stosowanych w petrochemii przeprowadzana jest destylacja frakcyjna lub synteza związków chemicznych, np. etylenu w tzw. piecach etylenowych. W niniejszej pracy rozważane będą mechanizmy degradacji struktury rur stosowanych w reformerach metanu zwanych rurami katalitycznymi lub reformingowymi.
Zwyczajowo rury katalityczne pieców do parowego reformingu metanu są projektowane na 100 000 godzin pracy, przy maksymalnej temperaturze 900°C i ciśnieniu wewnątrz rury do 4 MPa [72]. Ten okres w niektórych krajowych zakładach chemicznych już się kończy. Powstaje więc pytanie, co z tymi rurami teraz zrobić, jaki jest ich aktualny stan, zwłaszcza 2e parametry pracy niektórych pieców są niższe od projektowych, czy należy rury wymienić, czy można przedłużyć ich eksploatację, a jeżeli tak, to na jak długo? Jest to poważny problem, ponieważ eksploatowane w kraju piece do parowego reformingu metanu mają przeważnie po 200 sztuk rur katalitycznych, a każda z nich kosztuje aktualnie ok. 6000 ECU. Do tego dochodzą koszty wymiany rur w piecu i utrata produkcji zakładu przy wyłączeniu reformera z pracy.
Genezą podjęcia tematu niniejszej pracy jest pilna potrzeba znalezienia wiarygodnej metody określającej ilościowo rzeczywisty stan materiału rur oraz pozwalającej na przewidywanie zapasu trwałości rur w warunkach eksploatacji. Dotychczas nie opracowano ogólnie przyjętych norm ani instrukcji dotyczących oceny stopnia degradacji rur katalitycznych. Nie ma również zaleceń dotyczących stosowania metod badań diagnostycznych. W konsekwencji diagnostyka rur przeprowadzana jest różnymi sposobami, zależnie od doświadczenia użytkownika. Metody te zazwyczaj nie są porównywalne i dają rozbieżne wyniki. Niepewność uzyskanych wyników prowadzi często do przedwczesnej wymiany rur, co pociąga za sobą wzrost kosztów produkcji.
Dla znalezienia odpowiedzi na postawione pytania trzeba rozpatrzyć mechanizmy degradacji rur. W tym celu niezbędne jest ustalenie prędkości degradacji mikrostruktury rur w czasie eksploatacji pieców i stopnia oddziaływania degradacji mikrostruktury na spadek właściwości mechanicznych rur. Należy ustalić, jak dużą degradację właściwości mechanicznych można dopuścić przy zachowaniu minimalnie dopuszczalnego współczynnika bezpieczeństwa pracy rur.
Wyjaśnienie tych spraw jest przedmiotem niniejszej pracy.
Spis treści:
WSTĘP
1. KONSTRUKCJA I WARUNKI PRACY PIECA DO KONWERSJI GAZU ZIEMNEGO Z PARĄ WODNĄ
2. ZAŁOŻENIA, CEL I TEZA PRACY
3. ROZWÓJ CHROMOWO-NIKLOWYCH STALIW NA ODLEWANE RURY KATALITYCZNE
3.1. Umocnienie roztworowe
3.2. Umocnienie wydzieleniowe
3.3. Kontrolowany rozrost wymiaru ziarna osnowy austenitycznej
4. PRZYCZYNY DEGRADACJI MATERIAŁU RUR KATALITYCZNYCH PODCZAS EKSPLOATACJI W REFORMERZE METANU
4.1. Procesy wydzieleniowe
4.2. Uszkodzenia pełzaniowe
4.3. Nawęglanie i utlenianie
5. MIERNIKI STOPNIA DEGRADACJI MATERIAŁU RUR KATALITYCZNYCH
5.1. Analiza mierników degradacji mikrostruktury rur katalitycznych wyznaczanych w badaniach metalograficznych
5.2. Zmiany w mikrostrukturze staliwa IN-519 w czasie pracy rur katalitycznych
5.3. Ocena przydatności technik pomiarów uogólnionej degradacji struktury rur katalitycznych pracujących w warunkach pełzania
6. PRÓBA ZNALEZIENIA ZALEŻNOŚCI POMIĘDZY WŁAŚCIWOŚCIAMI MECHANICZNYMI A STRUKTURĄ I PARAMETRAMI PRACY RUR KATALITYCZNYCH ZE STALIWA IN-519
6.1. Ocena właściwości mechanicznych rur katalitycznych w stanie dostawy hutniczej
6.1.1. Opracowanie postaci równań regresji
6.1.2. Wyniki analizy regresji i ich dyskusja
6.2. Ocena właściwości mechanicznych rur katalitycznych po eksploatacji w reformerze metanu
6.2.1. Opracowanie postaci równań regresji
6.2.2. Wyniki analizy regresji i ich dyskusja
6.2.3. Weryfikacja doświadczalna równań regresji
6.2.4. Opracowanie metody wyznaczania zapasu trwałości rur katalitycznych
7. WNIOSKI
BIBLIOGRAFIA
Streszczenie w j. polskim
Streszczenie w j. angielskim
