Brevet FR2910623A1 — publié le 20080627

La présente invention concerne un procédé de remplacement des tubes d'un four dans une unité de reformage à la vapeur d'hydrocarbures. Un procédé de reformage d'hydrocarbures ou d'autres sources de carbone et d'hydrogène, par exemple le bio-méthanol, met en oeuvre une chambre de combustion comprenant des brûleurs et des tubes remplis de catalyseurs et aptes à être traversés par un mélange d'hydrocarbures et de vapeur. Les brûleurs sont disposés de manière à transférer la chaleur de leur combustion au mélange d'hydrocarbures et de vapeur à travers la paroi des tubes, généralement par radiation de la chaleur de la flamme sur les parois réfractaires de la chambre de combustion. Un tel procédé met en oeuvre des températures très élevées, généralement de l'ordre de 950 à 1050 C, proches des limites de résistance des alliages métalliques des tubes. C'est la raison pour laquelle on utilise des tubes pouvant être utilisés à hautes températures, généralement de tubes d'acier comprenant de l'ordre de 25 % en poids de Cr et 35 % en poids de Ni, avec éventuellement ajout d'éléments tels que Nb, Ti, W, Co, Zr. Pourtant, même ces tubes en alliages particuliers s'abîment avec le temps et risquent de se rompre. La rupture d'un tube est très pénalisante pour l'exploitation du procédé de reformage car elle entraîne l'arrêt prématuré du procédé pour changer le tube. On cherche donc à anticiper le moment où un tube risque de rompre de manière à pouvoir programmer son changement lors d'une phase de maintenance du four et non au cours de son exploitation. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de remplacement des tubes d'un four de reformage permettant d'éviter la rupture inattendue de ces tubes au cours de l'exploitation du four. Dans ce but, l'invention concerne un procédé de remplacement de tubes dans une unité de reformage d'hydrocarbures ou d'autres sources de carbone et d'hydrogène, mettant en oeuvre une chambre de combustion comprenant des brûleurs et lesdits tubes, lesdits tubes étant remplis de catalyseur et étant aptes à être traversés par un mélange d'hydrocarbures et de vapeur, les brûleurs étant disposés de manière à transférer la chaleur de leur combustion au mélange d'hydrocarbures et vapeur à travers la paroi des tubes, dans lequel on réalise : - des mesures de l'expansion de diamètre des tubes AD avec AD = (Dt û Do)/DoX100, Do étant le diamètre du tube neuf et Dt étant le diamètre du tube au moment de la mesure, - des clichés aux rayons X des tubes, - des répliques de la surface des tubes, et 2910623 2 et dans lequel on remplace un tube dès qu'il vérifie au moins une des conditions suivantes : - son expansion de diamètre AD est supérieure à 3 %, - son cliché aux rayons X présente au moins une fissure, 5 - sa réplique indique : . un vieillissement thermique tel qu'on observe l'absence de précipités secondaires entre les précipités primaires, et/ou . un endommagement par fluage ("creep damage") tel qu'on observe la présence de chaînes de cavités et/ou des frontières de grains, 10 - il est utilisé depuis au moins 5 ans. Le procédé selon l'invention permet de déterminer si un tube doit être remplacé sur la base d'au moins trois types de mesure. Ces mesures sont réalisées avant chaque lancement d'une nouvelle campagne de production. En général, une campagne de production dure au moins 2 ans. Son arrêt est généralement programmé à l'avance pour 15 l'entretien de l'unité opérationnelle. Les tubes utilisés sont généralement faits d'un alliage de type HP. Le premier type de mesure concerne l'expansion du diamètre des tubes. En effet, sous l'effet de la chaleur, les tubes se dilatent. L'expansion du diamètre AD est déduite de la mesure du diamètre Dt sur toute la longueur de chaque tube : la valeur de Dt 20 correspond au diamètre le plus grand enregistré sur cette longueur au moment de la mesure. Cette mesure est réalisée sur tous les tubes de la chambre de combustion avant chaque lancement d'une nouvelle campagne de production. De préférence, si au cours des mesures de chaque tube, des tubes présentent une expansion de diamètre AD comprise entre 2 et 3 %, alors au moins un desdits tubes est démonté pour une analyse 25 destructive. Par analyse destructive, on entend une analyse nécessitant la destruction du tube ; il s'agit par exemple de la coupe de morceaux de tube pour faire une analyse micrographique ou pour usiner des échantillons enue de réaliser des tests de fluage et de traction. Le deuxième type de mesure mis en oeuvre dans le procédé de l'invention est le 30 cliché aux rayons X des tubes. Pour les tubes de reformeur à combustion latérale ("sidefired" en anglais), ce cliché aux rayons X est réalisé au niveau de sa soudure la plus inférieure localisée dans la partie la plus chaude du reformeur. Ce type de mesure est réalisé avant le lancement d'une nouvelle campagne de production sur uniquement 5 % de tous les tubes de la chambre de combustion. Ces 5 % de tubes sont sélectionnés 35 parmi les tubes soumis, lors de la campagne de production précédente, aux températures les plus chaudes ; la sélection se fait sur la base des enregistrements de 2910623 3 températures des tubes réalisés au cours de la campagne de production précédente. Puis, à la fin de la nouvelle campagne de production, d'autres tubes seront contrôlés représentant également 5 % de tous les tubes en suivant le même critère. De préférence, si un tube doit être remplacé suite à son cliché aux rayons X, on réalise de nouveau un 5 cliché aux rayons X de 5 autres pourcents des tubes avant de démarrer une nouvelle campagne de production. Le troisième type de mesure mis en oeuvre dans le procédé de l'invention est la réalisation de réplique des tubes. La mesure par réplique consiste à prendre une empreinte de la surface métallique du tube et à en faire un examen métallurgique. En 10 effet, il a été observé que l'état métallurgique de la surface était un reflet de l'état métallurgique de l'intérieur du tube. Pour les tubes de reformeur à combustion latérale ("side-fired"), la mesure par réplique est réalisée sur la partie du tube qui est soumise aux températures les plus élevées pendant la production ; cette partie correspond généralement au troisième tiers inférieur. Avant de faire l'empreinte, la surface de la paroi 15 externe du tube est préparée par polissage, selon une technique connue pour l'étude de la métallographie des aciers. Le polissage est réalisé jusqu'à ce que la surface polie présente l'aspect d'un miroir. La surface polie est ensuite attaquée chimiquement avec un réactif approprié, comme par exemple le réactif de marble de composition chimique suivante : 4 g de sulfate de cuivre, 20 ml d'acide chlorhydrique concentré et 20 ml de 20 l'eau déminéralisé. Apres la préparation de la surface du tube, la réplique, constituée par exemple d'un film d'acétate, est collée sur la surface pour enregistrer la microstructure de tube. On analyse ensuite la réplique séparément du point de vue du vieillissement thermique et du point de vue de l'endommagement par fluage ("creep damage"). L'analyse de l'endommagement par fluage consiste à classifier la surface selon 25 l'une des classes suivantes par simple observation au microscope : - classe 0 : matériel neuf n'ayant jamais été exposé à la chaleur - classe 1 : matériel sous fluage ne présentant aucune cavité, - classe 2a : matériel sous fluage avancé présentant des cavités isolées, - classe 2b : matériel sous fluage avancé présentant de nombreuses cavités sans 30 orientation préférée, - classe 3a : matériel endommagé par fluage présentant de nombreuses cavités orientées, - classe 3b : matériel très endommagé par fluage présentant des chaînes de cavités et/ou des frontières de grains, 35 - classe 4 : endommagement par fluage avancé présentant des micro fissures, - classe 5 : endommagement par fluage très avancé présentant des macro fissures. 2910623 4 Ce type de classification correspond au standard VGB-TW 507 décrite dans VGBTW 507 : "Richtreihen zur Bewertung der Gefuegeausbildung und ûschaedigung zeitstandbeanspruchter Werkstoffe von Hochdruckrohrleitungen und Kesselbauteilen. VGB Kraftwerkstechnik GmbH, Essen, 1992." La figure 1 illustre les différentes classes 5 2a à 4 d'endommagement par fluage : les points noirs 1 représentent les cavités et on observe une microfissure 2 sur la classe 4. Selon l'invention, si un endommagement par fluage de classe 3b ou supérieure est analysé, le tube doit être remplacé. 10 L'analyse du vieillissement thermique consiste à classifier la surface selon l'une des classes suivantes par simple observation au microscope : - classe 0 : matériel neuf n'ayant jamais été exposé à la chaleur et n'ayant subi aucun vieillissement thermique ; les précipités eutectiques primaires sont bien taillés, nets et délinéés autour des cellules de solidification et la matrice austénitique est libre des 15 précipités secondaires, - classe 1 : présence de très fins précipités secondaires entre les précipités primaires, - classe 2 : présence de fins précipités secondaires entre les précipités primaires, -classe 3 : faible présence de précipités secondaires grossiers entre les précipités primaires et signes de coalescence des précipités primaires, 20 - classe 4 : absence de précipités secondaires entre les précipités primaires et présence de précipités primaires épais et tendant à s'agglomérer, - classe 5 : absence de précipités secondaires entre les précipités primaires et présence de grossiers précipités primaires agglomérés. Les précipités eutectiques primaires sont de taille supérieure aux précipités 25 secondaires. Les précipités primaires sont issus de la fonte et de la solidification de l'alliage des tubes. Les précipités secondaires sont plus fins que les primaires, un alliage neuf n'en présente pas : ils apparaissent que lors de l'exposition de l'alliage à la chaleur. Mais, si le vieillissement thermique est important, les précipités secondaires disparaissent. 30 La figure 2 illustre les différentes classes 0 à 5 de vieillissement thermique. Selon l'invention, si un vieillissement thermique de classe 4 ou supérieure est analysé, le tube doit être remplacé. Les tubes remplacés subissent ensuite une analyse destructive de manière à contrôler les dommages qu'ils ont subis et affiner la méthode générale de contrôle des 35 tubes pour la prise de décision de leur remplacement. REVENDICATIONS 1. Procédé de remplacement de tubes dans une unité de reformage d'hydrocarbures ou d'autres sources de carbone et d'hydrogène mettant en oeuvre une chambre de combustion comprenant des brûleurs et lesdits tubes, lesdits tubes étant remplis de catalyseur et étant aptes à être traversés par un mélange d'hydrocarbures et de vapeur, les brûleurs étant disposés de manière à transférer la chaleur de leur combustion au mélange d'hydrocarbures et vapeur à travers la paroi des tubes, caractérisé en ce qu'on réalise avant chaque lancement d'une nouvelle campagne de production : - des mesures de l'expansion de diamètre des tubes AD, avec AD = (Dt û Do)/DoX100, Do étant le diamètre du tube neuf et Dt étant le diamètre du tube au moment de la mesure, - des clichés aux rayons X des tubes, - des répliques de la surface des tubes, et en ce qu'on remplace un tube dès qu'il vérifie au moins une des conditions suivantes : - son expansion de diamètre AD est supérieure à 3 %, - son cliché aux rayons X présente au moins une fissure, - sa réplique indique : . un vieillissement thermique tel qu'on observe l'absence de précipités secondaires entre les précipités primaires, . et/ou un endommagement par fluage tel qu'on observe la présence de chaînes de cavités et/ou des frontières de grains, - il est utilisé depuis au moins 5 ans. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure l'expansion de diamètre AD de chaque tube de la chambre de combustion. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on mesure l'expansion de diamètre AD sur toute la longueur de chaque tube. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, si des tubes présentent une expansion de diamètre AD comprise entre 2 et 3 %, au moins un desdits tubes est démonté pour une analyse destructive. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour les tubes de reformeur à combustion latérale, on réalise un cliché aux rayons X du tube au 2910623 6 niveau de sa soudure la plus inférieure localisée dans la partie la plus chaude du reformeur 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise 5 un cliché aux rayons X de 5 % de tous les tubes. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, si un tube est remplacé suite à son cliché aux rayons X, on réalise de nouveau un cliché aux rayons X de 5 autres pourcents des tubes avant de démarrer une nouvelle campagne de 10 production. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise la réplique du tube sur la partie du tube qui est soumise aux températures les plus élevées pendant la production. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise une réplique de 5 % de tous les tubes. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, si un 20 tube est remplacé suite à sa réplique, on réalise de nouveau une réplique de 5 autres pourcents des tubes avant de démarrer une nouvelle campagne de production. 15