Mejora del proceso de fabricación de válvulas de compuerta resistentes al desgaste de alta temperatura

Resumen: Las reacciones catalíticas suelen ocurrir en entornos de alta temperatura, alta presión y alta velocidad. Las válvulas utilizadas en las unidades de craqueo catalítico fluido (FCC) son propensas a la erosión del medio de proceso. Varios factores acortan significativamente la vida útil de válvulas de compuerta, incluida la degradación de las propiedades mecánicas de los metales a altas temperaturas, el rápido desgaste causado por el pinzamiento de partículas del catalizador, el atasco de la válvula debido a la acumulación del catalizador en la cavidad de la válvula y el fallo de la superficie de sellado como resultado de la erosión. Se instalan tres válvulas de purga para inyectar nitrógeno o vapor, mitigando el cierre incompleto de la válvula causado por el catalizador buildup.To combatir el daño por erosión tanto en las superficies de sellado como en las superficies de la trayectoria de flujo, el estudio optimizó y comparó varias selecciones de materiales y procesos de fabricación. Propone que, en condiciones normales de funcionamiento de la unidad FCC, el tratamiento óptimo es la pulverización térmica de AlO￫ sobre las superficies de la trayectoria de flujo y el revestimiento duro con plasma de las superficies de sellado con Stélite 20 (STL.20).

Un catalizador es una sustancia que acelera o ralentiza una reacción química sin ser consumida en el proceso. Utilizado en más del 90% de los procesos industriales -desde la fabricación de productos químicos y petroquímicos hasta la bioquímica y la protección del medioambiente- los catalizadores juegan un papel fundamental en el avance tanto de la industria química como de la sociedad.

Una unidad FCC está compuesta por tres sistemas: el reaction-regeneration sistema, el sistema de fraccionamiento y el absorption-stabilization sistema. Dentro del reaction-regeneration sistema, el aceite de materia prima entra en contacto con con el catalizador en un elevador o reactor, donde tiene lugar la reacción. Los productos resultantes se envían al sistema de fraccionamiento. El coque generado durante la reacción se deposita en el catalizador, que luego entra en el regenerador. Allí se introduce aire para quemar el coque y restablecer la actividad del catalizador. El calor liberado durante la combustión del coque se transfiere a través del catalizador regenerado al reactor o elevador, suministrando así la energía necesaria para la reacción. Dado que la mayoría de las reacciones catalíticas se producen en condiciones de alta temperatura, alta presión y alta velocidad, las válvulas en las unidades FCC son particularmente vulnerables al desgaste erosivo causado por el medio de proceso y las partículas del catalizador. Estas duras condiciones de funcionamiento acortan significativamente la vida útil de las válvulas de compuerta, afectando directamente el rendimiento operativo del reaction-regeneration sistema e indirectamente la eficiencia económica de las empresas químicas y de refinación.

Dado este contexto, este estudio adopta un enfoque combinado de investigación experimental y ensayos de procesos para examinar formulaciones de materiales, procesos de formación y técnicas de refuerzo de superficies para componentes críticos resistentes al desgaste, a saber, el núcleo y el asiento de válvulas de compuerta resistentes al desgaste de alta temperatura. Este estudio tiene como objetivo superar los desafíos técnicos inherentes a las válvulas existentes, que incluyen una tendencia al desgaste, un rápido deterioro del rendimiento del sellado, una vida útil limitada y costos de mantenimiento elevados cuando se opera en condiciones complejas. Esta investigación proporciona una solución práctica de proceso para la producción eficiente y de bajo costo de estas válvulas. Además, mejora la estabilidad operativa y la durabilidad en entornos de alta temperatura y alto desgaste, incluida la metalurgia, la generación de energía y el procesamiento químico, reduce las tasas de fallas de los equipos y los costos de mantenimiento asociados en la producción industrial, y promueve la actualización de los procesos de fabricación así como el progreso tecnológico dentro de la industria.

La Tabla 1 presenta los parámetros básicos de operación del medio de proceso a lo largo con de los requisitos de equipo correspondientes. Estas condiciones requieren que las válvulas empleadas en las unidades de craqueo catalítico fluido (FCC) demuestren resistencia a altas temperaturas, desgaste y erosión, así como una capacidad de sellado confiable.

Las tablas 2 y 3 resumen el diseño de la válvula, la fabricación y las especificaciones básicas.

Instalada en una plataforma elevada adyacente al regenerador, la válvula está sujeta al calor radiante prolongado de la unidad, además de las condiciones ambientales al aire libre que incluyen exposición solar, precipitación y ciclo térmico diurno. En invierno, las bajas temperaturas pueden hacer que los componentes metálicos se vuelvan quebradizos, mientras que el calor de verano acelera el envejecimiento de los materiales de sellado.

Figura 1 Disposición parcial de la tubería de válvulas

Este es un proceso típico de FCC de petróleo pesado construido alrededor de un elevador - configuración del regenerador, con reacción integrada - regeneración, fraccionamiento, absorción - estabilización y sistemas de recuperación de energía. A continuación se presenta una descripción completa basada en el diagrama de flujo anterior:

(1) Sistema de núcleo Reaction-Regeneration (Riser Reactor + Regenerador): Esto constituye el núcleo del proceso FCC, permitiendo la conversión cíclica de la materia prima a través de reacciones de agrietamiento y regeneración concurrente del catalizador.

(2) Regeneración del catalizador (regenerador): el catalizador gastado se dirige al regenerador (designado como punto 5 en la figura), con aire principal comprimido introducido en la parte inferior para fluidificar el catalizador y oxidar el coque acumulado en su superficie.

(3) Sistema de fraccionamiento (columna de fraccionamiento): El petróleo y el gas a alta temperatura que salen del sedimentador se dirigen a la columna de fraccionamiento (etiquetada como 8 y 9), donde el fraccionamiento se logra a través de una combinación de bandejas y corrientes de reflujo.

(4) El sistema de absorción y estabilización, que interactúa con con las unidades aguas abajo como se indica en el diagrama, procesa el gas rico y la gasolina bruta extraídos de la parte superior de la columna de fraccionamiento, dirigiéndolos secuencialmente a las torres de absorción, extracción y estabilización.Estas corrientes se fraccionan aún más en tres productos: gas seco (compuesto principalmente de hidrocarburos de hidrógeno y C1-C2, dirigido a sistemas de gas combustible o unidades de producción de hidrógeno); gas licuado (compuesto principalmente de hidrocarburos C3-C4, utilizado como materia prima química o combustible doméstico); y gasolina estabilizada, un specification-compliant producto adecuado para mezclar directamente en la piscina de gasolina o refinar aún más.

(5) Sistema de recuperación de energía: este sistema recupera energía del gas de escape de regeneración. El gas de escape de alta temperatura (aproximadamente 650 ° C) generado en el regenerador se alimenta a una caldera de calor residual, donde el vapor resultante se utiliza para la generación de energía o para impulsar sopladores.El gas de escape enfriado se dirige a la pila para la descarga atmosférica a través de un ventilador de tiro inducido; el exceso de gas de escape, cuando está presente, se dirige al sistema de llamarada para la incineración (identificado como "Llamarada" en el diagrama).

(6) Sistema de vapor: El vapor generado en la unidad se sobrecalienta y se utiliza para impulsar turbinas de vapor (para aplicaciones como sopladores o generadores de energía) o como vapor de proceso para operaciones aguas abajo. El agua desoxigenada, que sirve como agua de alimentación de la caldera, se precalienta y circula de vuelta a la caldera de calor residual para completar el circuito.

(7) La unidad está equipada con con sistemas auxiliares, incluidos los de transporte de catalizadores, control de presión y respuesta a emergencias, entre otros.

(1) Los depósitos de catalizador tienden a acumularse en la parte inferior de la cavidad de la válvula, lo que puede provocar un atasco de la válvula. En condiciones severas, tal acumulación impide el cierre completo de la válvula de compuerta; la actuación forzada con de alto par somete el fondo de la puerta a fuerzas de impacto, que pueden inducir la fractura por fatiga o la abrasión de las caras de sellado.

(2) Erosión y desgaste de las superficies de obturación. La línea de descarga del catalizador del separador ciclónico de la tercera etapa (ubicada dentro de la sección de reacción / regeneración de la unidad de craqueo catalítico) está provista con de un recipiente de almacenamiento cilíndrico con una placa inferior perforada. El recipiente de almacenamiento contiene un inventario específico de catalizador (en forma de partículas sólidas, a una concentración aproximada del 100%) y está provisto con de puertos de inyección de gas inferior para suministrar vapor de 1,5 MPa como fluido portador. Dado que el medio catalizador comprende partículas sólidas, estas partículas son transportadas por el flujo de vapor desde el recipiente al paso de la válvula de compuerta. Las superficies de obturación de la válvula se someten así a una erosión prolongada y agresiva, lo que perjudica progresivamente la integridad del sellado.

(3) Desgaste inducido por erosión de las superficies internas de la trayectoria de flujo. El medio está sujeto a temperaturas de funcionamiento de hasta 700 ° C. En estas condiciones térmicas severas, se produce un endurecimiento progresivo del grano; el estrés sostenido induce simultáneamente la deformación del grano y la evolución microestructural, lo que resulta en una marcada reducción de la resistencia a la erosión. La erosión continua por el medio que fluye erosiona gradualmente las superficies internas de la trayectoria de flujo, dando lugar a hoyos de erosión que, en condiciones severas, pueden progresar a perforación. Ejemplos de morfologías de fractura de puerta y degradación de la superficie de sellado se presentan en la Figura 2.

Figura 2 Tipos de fractura inferior de la puerta y daño en la superficie de sellado (esquemático)

Para abordar los problemas anteriores, este estudio propone mejoras sistemáticas en el diseño estructural, materiales de sellado y procesos de fabricación, tres áreas críticas.

Para abordar el cierre incompleto de la válvula como resultado de la acumulación de catalizador, se propone un sistema de válvula de purga. Las válvulas de purga deben instalarse en los lados izquierdo y derecho del capó, así como en la parte inferior del cuerpo de la válvula. Un mínimo de tres puertos de purga están dispuestos a intervalos de 45 ° alrededor del cuerpo de la válvula para soportar el sistema de purga. Se suministra nitrógeno o vapor a través de estos puertos para purgar integralmente la cavidad de la válvula, con atención particular a las zonas muertas susceptibles de acumulación de catalizador, evitando así asientos de puerta incompletos y asegurando un cierre efectivo.

Se prepararon seis muestras con recubrimientos de aleación a base de cobalto de cara dura (STL.6, STL.12 y STL.20). Después de moler y pulir, se realizaron pruebas de dureza y los resultados se presentan en la Tabla 5. Todos los valores de dureza medidos cayeron dentro de los rangos especificados en la Tabla 4. Al fabricarse y entregarse a una instalación petroquímica para validación operativa, la retroalimentación de campo reveló que las válvulas recubiertas con de aleación a base de cobalto STL.20 lograron una vida útil sustancialmente extendida, demostrando así la mayor resistencia de la aleación a la erosión y el agallamiento.

(1) Proceso de soldadura

Las aleaciones a base de cobalto se depositan típicamente usando arco manual, gas inerte de tungsteno (TIG) o procesos de revestimiento duro de plasma. Anteriormente, el revestimiento duro de arco manual y TIG eran las opciones primarias, sin embargo, ambos enfoques tenían sus limitaciones. El revestimiento duro TIG, por ejemplo, era propenso a defectos que incluían geometría no conforme, penetración y fusión insuficientes, quemado, agrietamiento, porosidad, atrapamiento de escoria, sobrecalentamiento y oxidación de perlas y soplado de arco. El revestimiento duro de arco manual se asoció con con varias deficiencias, como porosidad, dilución excesiva, atrapamiento de escoria, agrietamiento, subcorte, penetración incompleta, distorsión y morfología de perlas de calidad inferior.

Se requiere que los materiales de sellado exhiban una resistencia superior a la erosión. La dureza inadecuada de la superficie de sellado la hace vulnerable al desgaste erosivo de los medios de partículas en servicio, comprometiendo en última instancia el sellado integrity.In casos severos, esto puede dar como resultado una pérdida de integridad del sello y fugas internas, lo que eventualmente requerirá el cierre de la válvula para el reemplazo o restauración de componentes. Tradicionalmente, las superficies de sellado eran aleaciones rígidas con a base de cobalto STL.6 o STL.12 a través de soldadura TIG. Sin embargo, la capa dura resultante presentaba con frecuencia una dureza inadecuada o no uniforme, lo que comprometía el rendimiento. Para lograr una mejor resistencia a la erosión y al agrietamiento en las superficies de sellado, la selección del material se ha cambiado a una aleación a base de cobalto STL.20. La composición química, las propiedades mecánicas y la dureza de las tres aleaciones a base de cobalto se presentan en la Tabla 4. Como se puede observar, los mayores contenidos de Cr y W en la aleación se corresponden con una mayor dureza

La superficie de gas inerte de tungsteno (TIG) y la superficie de arco manual tienen varios problemas comunes, que incluyen dureza desigual, agrietamiento y altas tasas de dilución en el depósito layer.To abordar el problema de la calidad de la superficie inconsistente, la superficie de plasma ahora se utiliza para sellar superficies. Ofrece las siguientes ventajas:

• La capa depositada forma un enlace metalúrgico de alta resistencia con el substrato subyacente.
• Alta velocidad de superficie y baja tasa de dilución.
• La capa depositada tiene una microestructura densa y produce una cuenta limpia y estéticamente agradable.
• Alta temperatura del arco de plasma, energía concentrada y buena estabilidad, lo que resulta en un esfuerzo residual mínimo y deformación en la pieza de trabajo.
• Buena controlabilidad. Ajustando parámetros como potencia, tipo de gas y caudal, y dimensiones de la boquilla -controlando así la atmósfera y temperatura del arco de plasma- se puede lograr una producción automatizada eficiente, mejorando la productividad general.

Los parámetros del proceso que afectan a la superficie de plasma incluyen corriente de soldadura, composición de gas de trabajo, gas de blindaje, velocidad de recorrido, distancia de separación entre la boquilla y la pieza de trabajo y oscilación de la antorcha frequency.To lograr depósitos de superficie de alta calidad, todas las operaciones deben llevarse a cabo en estricta conformidad con con las especificaciones del proceso de superficie de plasma dadas en la Tabla 6. Debido a la resistencia superior a las grietas inherente a la superficie de plasma, no se requiere precalentamiento y el componente puede enfriarse por aire directamente después de la soldadura sin inducir grietas, reduciendo así sustancialmente el ciclo general de soldadura. Además, la calidad superior de la capa depositada por plasma evita eficazmente fallas de sellado que de otro modo surgirían de una dureza superficial no uniforme.

Para demostrar mejor el aspecto y la calidad de soldadura de la capa de superficie, la Tabla 7 compara la calidad de la superficie producida por diferentes procesos de superficie.

(2) Pulverización de superficie de trayectoria de flujo

Dado que las superficies de la trayectoria de flujo se someten con frecuencia a una erosión grave por el medio, lo que conduce a un adelgazamiento y perforación de la pared, se aplica una capa de recubrimiento de Al2O3 a las áreas de la trayectoria de flujo del cuerpo de la válvula, el capó y la puerta. El espesor total del recubrimiento es de 0,3-0,5 mm, con dureza controlada a HRC 65-60 para mediciones de HV0,1 y HRC 59-55 para mediciones de HV0,2-HV0,3. La resistencia de unión del recubrimiento debe ser ≥ 40 MPa, asegurando que las superficies de paso de flujo posean suficiente resistencia para resistir la erosión por partículas. La tabla 8 presenta los resultados de pulverización de Al2O3 para los diversos componentes.

Figura 3 Calidad de la superficie

Superficie de la puerta

Superficie de paso de flujo del cuerpo de la válvula

Superficie de la cavidad central del cuerpo de la válvula

La tabla 9 presenta una comparación del desempeño de tres grupos de válvulas antes y después de la modificación. El mejor desempeño se obtiene con Pulverización térmica de Al2O3 (corindón) en el canal de flujo y soldadura de recubrimiento de plasma STL.20 en la superficie de sellado. Si las condiciones del proceso en el sitio imponen limitaciones objetivas, se puede seleccionar la combinación de pulverización térmica de Al2O3 en la superficie del canal de flujo y soldadura de recubrimiento STL.12 en la superficie de sellado para garantizar que el desempeño posterior al mantenimiento de la válvula cumpla con los requisitos técnicos del proyecto.

El craqueo catalítico fluido (FCC) es una tecnología de proceso central en la industria petroquímica. A menudo comparado con el "microchip" del sector químico, se caracteriza por una alta sofisticación técnica y un importante valor agregado del producto. Como tal, es un determinante crítico de los estándares técnicos y el desempeño económico de las instalaciones de producción petroquímica, donde la calidad de las válvulas impacta directamente en los rendimientos económicos de las empresas químicas y de refinación. Este documento analiza los patrones de daño de las válvulas de compuerta utilizadas en las unidades de FCC para identificar problemas operativos y proponer mejoras específicas. Para abordar el atasco de la válvula, se instalaron tres válvulas de purga - colocadas en ángulos de 45 ° en ambos lados del capó y en el centro de la parte inferior del cuerpo de la válvula - para permitir la purga de nitrógeno o vapor, lo que mitiga el cierre incompleto de la válvula causado por el depósito del catalizador. Además, para abordar el daño por erosión en las superficies de sellado de la válvula y las superficies de la trayectoria de flujo, el estudio también optimizó los materiales y los procesos de fabricación; Al comparar el rendimiento de tres conjuntos de materiales de recubrimiento de trayectoria de flujo, materiales de superficie de sellado y técnicas de fabricación, se determinó que para las condiciones operativas de FCC, la configuración preferida para válvulas de compuerta equipadas con purga implica un recubrimiento por pulverización de Al2O3 en superficies de trayectoria de flujo y una aleación a base de cobalto Stelite 20 (STL.20) con superficie de plasma en superficies de sellado.