Was ist ein „X-mas tree“ in einem Röhrenofen?

„X-mas tree“ (oder Christmas tree) ist eine Werkstatt- und Ausschreibungsbezeichnung für eine gegossene Rohrstütze in einem Röhrenofen: eine Stütze, auf der die Rohre aufliegen. Sie ist ein Einbauteil des Röhrenofens und wird je nach Beanspruchung in verschiedenen Sorten gegossen, zum Beispiel HK40, HP-Nb, 25Cr-20Ni-Typen, 50Cr-50Ni-Nb oder CT-15C, nicht in einer einzigen Sorte. Mit den Eruptionskreuzen („Christmas trees“) aus Ventilen am Bohrlochkopf der Öl- und Gasförderung hat sie nichts zu tun; beide werden völlig unterschiedlich hergestellt, spezifiziert und beschafft. Steht „X-mas tree“ in einer Zeichnung oder Ausschreibung neben einer Ofenkennung, Rohrstützen, Aufhängern oder einem Werkstoff wie HK40, ist das Ofengussteil gemeint.

Da der Name informell ist, definiert die Zeichnung das Teil. Senden Sie die Zeichnung, nicht nur den Namen.

Was leisten Rohrstützen, Aufhänger, Rohrböden und Führungen?

Deckenaufhänger hängen waagerechte Strahlungsrohre oder das obere Ende senkrechter Rohre an der Deckenkonstruktion des Ofens auf. Bei oben aufgehängten Bauarten tragen sie das volle Gewicht der Rohrschlange.
Zwischen- und Wandstützen, darunter „X-mas trees“ und Leiterstützen, halten waagerechte Strahlungsrohre an Punkten entlang ihrer Länge, damit die Rohre zwischen den End-Rohrböden nicht durchhängen.
Rohrböden sind gegossene Platten mit einem Lochbild. Im Konvektionsteil tragen Zwischenrohrböden das Rohrbündel und halten die Teilung, während die Rohre bei Wärmedehnung hindurchgleiten.
Führungen halten senkrechte Rohre am unteren oder oberen Ende des Strahlungsteils in der Flucht, lassen die axiale Dehnung zu und verhindern seitliche Bewegung.

Alle haben dieselbe Aufgabe: bei hoher Temperatur Last tragen und die Rohre dabei bewegen lassen. Eine klemmende Stütze bringt Biegung ins Rohr. Eine durchhängende Stütze lässt die Rohre sich verbiegen, berühren und überhitzen.

Welchen Betriebsbedingungen sind Rohrstützen ausgesetzt?

Temperatur. Stützen stehen im Rauchgas und werden nicht vom Prozessmedium gekühlt; ihre Wandtemperatur folgt dem umgebenden Rauchgas. API 560 legt die Auslegungstemperatur der Stütze deshalb aus der Temperatur des Rauchgases fest, das die Stütze berührt, zuzüglich eines Zuschlags (für Konvektionsstützen plus 55 °C bzw. 100 °F in der 5. Ausgabe). Auf API 560 aufbauende Bestellerspezifikationen ergänzen, dass für feuerfeste Beschichtungen zum Korrosionsschutz keine Gutschrift angesetzt werden darf.
Kriechen. Die ständige Last aus Rohren und Medium, über Jahre bei Temperatur gehalten, lässt das Gussteil kriechen. Die Auslegungsspannungen werden daher aus Kriech- und Zeitstanddaten festgelegt, nicht aus der Festigkeit bei Raumtemperatur.
Temperaturwechsel. Anfahren, Abfahren und Lastwechsel der Feuerung erwärmen und kühlen die Stütze, und die Reibung aus der Rohrbewegung belastet zusätzlich die Rohrauflagen.
Brennstoffaschekorrosion. Öfen, die Rückstandsöl verfeuern, hinterlassen Asche mit Vanadium- und Natriumverbindungen, die bei Ofentemperatur schmelzen und das schützende Oxid von 25Cr-Legierungen auflösen. Stützen und Aufhänger werden oft angegriffen, auch wenn die kühleren Rohre es nicht werden.
Schwefel und Oxidation. Schwefel im Brennstoff und lange Einwirkung heißen oxidierenden Gases tragen Werkstoff von der Oberfläche ab. API 560 schreibt auf den berührten Oberflächen einen Mindest-Korrosionszuschlag von 1,3 mm (0,05 in) für austenitische und 2,5 mm (0,10 in) für ferritische Stützwerkstoffe vor.

Wie versagen gegossene Rohrstützen?

Kriechverformung und Verzug. Arme sinken ab, Rohrauflagen fallen, und die Rohrschlange folgt. Ursache ist meist eine Wandtemperatur über der Auslegungstemperatur, oft nach einem Wechsel des Brennstoffs oder der Feuerungsleistung.
Abzehrung durch Brennstoffasche. Wanddickenverlust, Lochfraß und Zunderaufbau an den heißen Flächen von Stützen und Aufhängern in ölgefeuerten Öfen. Eine veröffentlichte Studie an einem Aufhängerwerkstoff Fe-25Cr-20Ni fand starke Heißgaskorrosion unter Belägen aus Natriumsulfat und Vanadiumpentoxid.
Versprödung nach langem Betrieb. 25Cr-Gusslegierungen altern bei Temperatur. Karbide vergröbern, und es kann sich Sigma-Phase bilden, die das Metall im kalten Zustand spröde macht. Eine gealterte Stütze kann im Betrieb halten und dann beim Abfahren oder bei der Handhabung reißen, und gealterter Werkstoff ist schwer reparaturzuschweißen.
Risse aus Gussfehlern. Lunker, Gasporosität und Sandeinschlüsse an Rippenknoten und Rohrauflagen sind Rissausgangspunkte unter Kriech- und Wechselbeanspruchung. Eine Raffinerie berichtete von gegossenen Stützen, die von Gusshohlräumen aus rissen, und änderte daraufhin ihr Vorgehen. Die Gussqualität an den hoch beanspruchten Querschnitten zählt so viel wie die Sorte.

In welcher Sorte sollte eine Rohrstütze für Röhrenöfen gegossen werden?

Wählen Sie zuerst nach der Auslegungs-Wandtemperatur, dann nach dem Brennstoff.

HK40 (25Cr-20Ni) ist die Standardsorte für gegossene Stützen an heißen Positionen im Strahlungsteil. Auf API 560 beruhende Bestellerspezifikationen erlauben gegossenes 25Cr-20Ni üblicherweise bis etwa 1.093 °C (2.000 °F) Auslegungstemperatur, sofern der Brennstoff sauber ist.
HH (25Cr-12Ni) und HF (20Cr-10Ni) werden bei niedrigeren Temperaturen eingesetzt, zum Beispiel im Konvektionsteil. Manche Bestellerspezifikationen schließen 25Cr-12Ni für Stützen aus; prüfen Sie die Projektspezifikation.
50Cr-50Ni-Nb nach ASTM A560 ist die Antwort auf Brennstoffascheangriff. API 560 führt A560 Sorte 50Cr-50Ni-Cb mit einer maximalen Auslegungstemperatur von 982 °C (1.800 °F). Sie ist teurer und weniger duktil als HK40 und lohnt sich nur, wo Ascheangriff der lebensdauerbegrenzende Mechanismus ist.
HP-Nb (25Cr-35Ni-Nb) wird eingesetzt, wo eine Stütze mehr Zeitstandfestigkeit braucht, als HK40 bietet, oder wo der Planer die Stützensorte auf eine HP-Rohrschlange abgestimmt hat.

Die Brennstoffascheregel. Nach API 560 muss die Stütze geschützt werden, wenn ihre Auslegungstemperatur 650 °C (1.200 °F) übersteigt und der Brennstoff mehr als 100 ppm Vanadium und Natrium zusammen enthält. Möglich sind eine 50 mm (2 in) starke Ummantelung aus dichtem Feuerbeton von mindestens 2.080 kg/m³ (130 lb/ft³) für Strahlungs- oder zugängliche Stützen oder eine aschebeständige Legierung wie 50Cr-50Ni-Nb. Manche Bestellerspezifikationen setzen die Grenze anders, zum Beispiel 100 ppm Vanadium allein oder 150 ppm Natrium plus Vanadium; lesen Sie daher die Projektspezifikation.

Auch die 50Cr-50Ni-Sorte hat eine Obergrenze. Veröffentlichte Versuche in realer Kesselasche zeigten einen starken Anstieg ihrer Korrosion bei 1.050 °C, und Hersteller nennen Einsatzgrenzen um 950 °C. Darüber sind feuerfester Schutz oder eine Konstruktionsänderung der übliche Weg.

Wie werden Rohrstützen gießgerecht konstruiert?

Spannungsgrundlage. Bestellerspezifikationen nach API 560 begrenzen die Spannung aus ständiger Last auf die Hälfte der Spannung für 1 % Kriechdehnung in 10.000 Stunden oder die Hälfte der 10.000-Stunden-Zeitstandfestigkeit, je nachdem, welcher Wert niedriger ist, und wenden auf alle Spannungswerte einen Gussfaktor von 0,8 an.
Gleichmäßige Wanddicken. Massive Knoten neben dünnen Armen erstarren zuletzt und bilden Lunker. Großzügige Hohlkehlen und allmähliche Querschnittsübergänge ergeben gesündere Gussteile, und auf die Übergänge von Rippe zu Grundkörper konzentriert sich die Prüfung.
Rohrauflagen. Die Auflage muss das Rohr axial gleiten lassen. Radius, Breite und Oberfläche der Auflage gibt die Zeichnung vor; manche Konstruktionen verlangen eine bearbeitete Auflage.
Korrosionszuschlag. Der Zuschlag nach API 560 (1,3 mm austenitisch, 2,5 mm ferritisch, auf jeder berührten Oberfläche) kommt zum festigkeitsmäßig erforderlichen Querschnitt hinzu.
Kennzeichnung. Sorte und Schmelzennummer werden meist eingegossen oder eingeschlagen, damit jede Stütze nach dem Einbau ihrem Zeugnis zugeordnet werden kann.
Gesteckte oder verschraubte Baugruppen. Große „X-mas trees“ und Leiterstützen werden oft in Teilen gegossen und mit Bolzen oder Sperrriegeln zusammengesetzt; so bleibt jedes Gussteil in einer Größe, die sich fehlerfrei gießen und später ersetzen lässt.

Wie werden gegossene Rohrstützen geprüft?

API 560 setzt eine Grundlage, und der Besteller ergänzt sie. Ausgaben der API 560 haben gefordert:

Sichtprüfung gegossener Strahlungsstützen, Aufhänger und Führungen mit MSS SP-55 als Referenz für Oberflächenfehler, mit Maßprüfung nach einem vereinbarten Stichprobenplan;
Farbeindringprüfung nach ASTM E165 an austenitischen Gussteilen (Magnetpulverprüfung an ferritischen), mit 100 % Prüfung der Rippenkreuzungen und Eindringprüfung jeder Reparatur;
Durchstrahlungsprüfung kritischer Querschnitte, wenn der Besteller sie vorschreibt, nach ASTM E446 oder E186, sowie Durchstrahlungsprüfung größerer Reparaturschweißungen. Eine Reparatur gilt als größer, wenn die vorbereitete Mulde tiefer als 20 % des Querschnitts oder länger als 250 mm (10 in) ist;
Reparaturschweißungen mit Verfahren und Schweißern, die nach ASME Section IX qualifiziert sind.

Darüber hinaus verlangen Besteller meist Zeugnisse über Chemie und Zugversuch je Schmelze, eine Verwechslungsprüfung (PMI) jedes Stücks und die Abnahme der Prüfung durch Dritte.

Was gehört in eine Anfrage (RFQ) für Rohrstützen in Röhrenöfen?

Die Zeichnung jeder Position mit Revisionsstand und der im Ofen verwendeten Bezeichnung (Aufhänger, Zwischenstütze, „X-mas tree“, Rohrboden, Führung).
Sorte und Norm: zum Beispiel ASTM A351 HK40, A297 HH oder A560 50Cr-50Ni-Cb. Nennen Sie die Norm, nicht nur die Sortenbezeichnung.
Auslegungs-Wandtemperatur, Ofenbereich (Strahlung, Schockzone, Konvektion) und ob der Ofen gas- oder ölgefeuert ist. Bei Öl den Vanadium- und Natriumgehalt des Brennstoffs.
Die maßgebliche Spezifikation: Ausgabe der API 560 sowie die eigene Röhrenofenspezifikation des Bestellers oder EPC-Auftragnehmers.
Prüfung: Norm für die Sichtprüfung, Umfang und Bewertungsstufe der Eindringprüfung, Durchstrahlungszonen und Schärfegrad, PMI, Maßprüfung und die Abnahmegesellschaft.
Bearbeitung von Rohrauflagen, Schrauben- oder Bolzenlöchern und etwaige Montage oder Probemontage mehrteiliger Stützen.
Kennzeichnung, Zeugnisse und Dokumentation, die mit der Lieferung gefordert sind.
Stückzahl, Ersatzteile, Liefertermin und jede vom Endkunden geforderte Lieferantenzulassung.

Für einen Ersatz ohne Zeichnung genügen für den Anfang eine bemaßte Skizze, Fotos der alten Stütze und ein PMI-Messwert ihrer Legierung. Was wir für ein Angebot brauchen listet den Rest auf.

Gießt Ni-Chrome Rohrstützen für Röhrenöfen?

Ja. Wir gießen Decken- und Wandaufhänger, Zwischenstützen, „X-mas tree“-Stützen, Stützleitern, Rohrböden, Führungen und Sperrriegel in HK40, HH, HP-Nb und 50Cr-50Ni-Nb, in Sandformen, mit eingegossener Sorte und Schmelzennummer.

Zeichnung für Rohrstützen senden →

Häufig gestellte Fragen

Ist ein „X-mas tree“ im Röhrenofen dasselbe wie ein Eruptionskreuz („Christmas tree“) am Bohrlochkopf?

Nein. Ein „X-mas tree“ im Röhrenofen ist eine gegossene Rohrstütze im Ofen, das Teil, auf dem die Rohre aufliegen. Ein Eruptionskreuz ist eine Ventilbaugruppe auf einer Öl- oder Gasbohrung. Sie teilen einen Spitznamen und sonst nichts.

Warum laufen Rohrstützen heißer als die Rohre?

Die Rohre werden von innen durch das Prozessmedium gekühlt. Stützen werden überhaupt nicht gekühlt und stellen sich deshalb nahe der Temperatur des umgebenden Rauchgases ein.

Wann sollten Stützen aus 50Cr-50Ni-Nb statt aus HK40 sein?

Wenn der Ofen Öl mit nennenswertem Vanadium- und Natriumgehalt verfeuert und die Stütze über etwa 650 °C läuft. API 560 fordert dann entweder eine feuerfeste Ummantelung oder eine aschebeständige Legierung. Bei sauberer Gasfeuerung ist HK40 die übliche Wahl.

Lassen sich gealterte Rohrstützen reparaturschweißen?

Oft nicht zuverlässig. Langer Betrieb bei Temperatur macht 25Cr-Legierungen durch grobe Karbide und Sigma-Phase spröde. Eine gerissene gealterte Stütze wird meist ersetzt, und jede Reparatur braucht eine metallurgische Bewertung des tatsächlichen Teils.

Welche Norm gilt für Rohrstützen in Röhrenöfen?

API 560, Fired Heaters for General Refinery Service, regelt Auslegungstemperatur, zulässige Spannungen, Werkstoffe, die Brennstoffascheregel und die Prüfung der Stützen. Die Gussteile selbst werden je nach Sorte nach ASTM A297, A351 oder A560 bestellt.

Werden Rohrstützen im Sandguss oder im Schleuderguss hergestellt?

Im Sandguss. Stützen, Aufhänger, „X-mas trees“ und Rohrböden sind unregelmäßige Formen und werden daher statisch in Sandformen gegossen. Schleuderguss ist für runde Teile wie Rohre und Hülsen.

Quellen

Brauchen Sie gegossene Rohrstützen? Sehen Sie sich unsere Gusskomponenten und unsere Legierungen an, oder senden Sie uns eine Zeichnung.

Gegossene Rohrstützen für Röhrenöfen: „X-mas trees“, Aufhänger und Rohrböden