Che cos'è un X-mas tree in un forno di processo?

"X-mas tree" (o Christmas tree) è un nome d'officina e da capitolato per un supporto tubi fuso in un forno di processo: un supporto su cui appoggiano i tubi. È un componente interno del forno, e si cola in leghe diverse a seconda del servizio, per esempio HK40, HP-Nb, tipi 25Cr-20Ni, 50Cr-50Ni-Nb o CT-15C, non in un'unica lega. Non ha nulla a che vedere con l'"albero di Natale" di testa pozzo, il gruppo di valvole usato nella produzione di petrolio e gas, e i due oggetti si producono, si specificano e si acquistano in modi completamente diversi. Se un disegno o una gara riporta "X-mas tree" accanto alla sigla di un forno, a supporti tubi, a sospensioni o a un materiale come l'HK40, si intende il getto del forno.

Poiché il nome è informale, è il disegno a definire il pezzo. Inviate il disegno, non solo il nome.

Che funzione hanno supporti tubi, sospensioni, piastre tubiere e guide?

Le sospensioni dalla volta reggono i tubi radianti orizzontali, o la parte superiore dei tubi verticali, appendendoli alla struttura in acciaio della volta. Nei progetti con sostegno dall'alto portano l'intero peso della serpentina.
I supporti intermedi e a parete, compresi i tipi X-mas tree e a scala, sostengono i tubi radianti orizzontali in punti lungo la loro lunghezza, così che i tubi non si inflettano tra le piastre tubiere di estremità.
Le piastre tubiere sono piastre fuse con una serie di fori. Nella sezione convettiva, le piastre tubiere intermedie portano il fascio tubiero e lo mantengono al passo previsto mentre i tubi vi scorrono dentro dilatandosi.
Le guide mantengono allineati i tubi verticali alla base o in cima alla sezione radiante, consentendo la dilatazione assiale e impedendo gli spostamenti laterali.

Tutti condividono lo stesso compito: portare carico ad alta temperatura lasciando muovere i tubi. Un supporto che blocca il tubo vi introduce flessione. Un supporto che cede lascia incurvare i tubi, che si toccano e si surriscaldano.

A quali condizioni di esercizio sono esposti i supporti tubi?

Temperatura. I supporti stanno nei fumi e non sono raffreddati dal fluido di processo, quindi la temperatura del metallo segue quella dei fumi che li circondano. Per questo l'API 560 fissa la temperatura di progetto del supporto a partire dalla temperatura dei fumi a contatto con il supporto, più un margine (per i supporti convettivi, più 55 °C, o 100 °F, nella 5ª edizione). Le specifiche dei committenti basate sull'API 560 aggiungono che non si può tenere conto dei rivestimenti refrattari applicati come protezione dalla corrosione.
Creep. Il carico permanente di tubi e fluido, mantenuto per anni in temperatura, fa deformare il getto per scorrimento viscoso (creep). Le sollecitazioni di progetto si fissano quindi dai dati di creep e di rottura, non dalla resistenza a temperatura ambiente.
Cicli termici. Avviamenti, fermate e variazioni di combustione riscaldano e raffreddano il supporto, e l'attrito dovuto al movimento dei tubi aggiunge carico sulle sedi dei tubi.
Corrosione da ceneri di combustibile. I forni alimentati a olio residuo lasciano ceneri ricche di composti di vanadio e sodio che fondono alle temperature del forno e dissolvono l'ossido protettivo delle leghe al 25Cr. Supporti e sospensioni vengono spesso attaccati anche quando i tubi, più freddi, non lo sono.
Zolfo e ossidazione. Lo zolfo del combustibile e la lunga esposizione a gas caldo ossidante consumano metallo dalla superficie. L'API 560 fissa un sovraspessore di corrosione minimo sulle superfici esposte di 1,3 mm (0,05 in) per i materiali di supporto austenitici e di 2,5 mm (0,10 in) per quelli ferritici.

Come si danneggiano i supporti tubi fusi?

Cedimento per creep e distorsione. I bracci si abbassano, le sedi dei tubi scendono e la serpentina le segue. La causa abituale è un metallo che lavora più caldo della temperatura di progetto, spesso dopo un cambio di combustibile o di carico termico.
Consumo da ceneri di combustibile. Assottigliamento, vaiolatura e accumulo di scaglie sulle facce calde di supporti e sospensioni nei forni a olio. Uno studio pubblicato su un materiale per sospensioni Fe-25Cr-20Ni ha rilevato una grave corrosione a caldo sotto depositi di solfato di sodio e pentossido di vanadio.
Infragilimento dopo lungo esercizio. Le leghe da getto al 25Cr invecchiano in temperatura. I carburi si ingrossano e può formarsi fase sigma, che rende il metallo fragile a freddo. Un supporto invecchiato può resistere in esercizio e poi criccare alla fermata o durante la movimentazione, e il materiale invecchiato è difficile da riparare per saldatura.
Cricche da difetti di fusione. Ritiri, porosità da gas e inclusioni di sabbia alle giunzioni delle nervature e alle sedi dei tubi innescano cricche sotto creep e cicli. Una raffineria ha riferito di supporti fusi criccati a partire da vuoti di fusione e ha cambiato approccio di conseguenza. La sanità delle sezioni più sollecitate conta quanto la lega.

In quale lega va colato un supporto tubi per forno di processo?

Scegliete prima in base alla temperatura di progetto del metallo, poi in base al combustibile.

HK40 (25Cr-20Ni) è la lega standard per supporti fusi nelle posizioni radianti calde. Le specifiche dei committenti basate sull'API 560 ammettono comunemente il 25Cr-20Ni da getto fino a circa 1.093 °C (2.000 °F) di temperatura di progetto quando il combustibile è pulito.
HH (25Cr-12Ni) e HF (20Cr-10Ni) si usano a temperature più basse, per esempio in posizioni convettive. Alcune specifiche dei committenti escludono il 25Cr-12Ni per i supporti, quindi verificate la specifica di progetto.
50Cr-50Ni-Nb secondo ASTM A560 è la risposta all'attacco delle ceneri di combustibile. L'API 560 elenca la lega A560 50Cr-50Ni-Cb con una temperatura massima di progetto di 982 °C (1.800 °F). Costa di più ed è meno duttile dell'HK40, quindi conviene solo dove l'attacco delle ceneri è il meccanismo che limita la vita.
HP-Nb (25Cr-35Ni-Nb) si usa dove un supporto richiede più resistenza a creep di quella dell'HK40, o dove il progettista ha abbinato la lega del supporto a una serpentina in HP.

La regola delle ceneri di combustibile. L'API 560 stabilisce che quando la temperatura di progetto del supporto supera 650 °C (1.200 °F) e il combustibile contiene più di 100 ppm di vanadio e sodio sommati, il supporto deve essere protetto. Le opzioni sono un rivestimento di 50 mm (2 in) di calcestruzzo refrattario denso, di almeno 2.080 kg/m³ (130 lb/ft³), per i supporti radianti o accessibili, oppure una lega resistente alle ceneri come il 50Cr-50Ni-Nb. Alcune specifiche dei committenti fissano il limite diversamente, per esempio 100 ppm di solo vanadio o 150 ppm di sodio più vanadio, quindi leggete la specifica di progetto.

Anche la lega 50Cr-50Ni ha un limite. Prove pubblicate in cenere reale di caldaia hanno mostrato che la sua corrosione cresce bruscamente a 1.050 °C, e i produttori indicano limiti di esercizio intorno a 950 °C. Oltre, la strada abituale è la protezione refrattaria o una modifica del progetto.

Come si progettano i supporti tubi per la fusione?

Base delle sollecitazioni. Le specifiche dei committenti che seguono l'API 560 limitano la sollecitazione da carico permanente alla metà della sollecitazione che produce l'1% di creep in 10.000 ore o alla metà della sollecitazione di rottura a 10.000 ore, scegliendo il valore minore, e applicano un fattore di getto di 0,8 a tutti i valori di sollecitazione.
Sezioni uniformi. Giunzioni massicce accanto a bracci sottili solidificano per ultime e ritirano. Raccordi generosi e variazioni graduali di sezione danno getti più sani, e le giunzioni tra nervature e corpo sono il punto su cui si concentrano i controlli.
Sedi dei tubi. La sede deve lasciar scorrere il tubo in senso assiale. Raggio, larghezza e finitura della sede sono definiti dal disegno, e alcuni progetti richiedono la sede lavorata a macchina.
Sovraspessore di corrosione. Il sovraspessore API 560 (1,3 mm austenitici, 2,5 mm ferritici, su ogni superficie esposta) si aggiunge alla sezione necessaria per la resistenza.
Marcatura. Lega e numero di colata vengono di solito riportati in fusione o punzonati, così che ogni supporto si possa ricondurre al suo certificato dopo il montaggio.
Assiemi con perni o bulloni. I supporti X-mas tree e a scala di grandi dimensioni si colano spesso in più pezzi e si assemblano con perni o barre di bloccaggio, così ogni getto resta di dimensioni tali da poter essere colato sano e sostituito in seguito.

Come si controllano i supporti tubi fusi?

L'API 560 fissa una base e il committente vi aggiunge requisiti. Le edizioni dell'API 560 hanno richiesto:

esame visivo di supporti, sospensioni e guide radianti fusi, con la MSS SP-55 come riferimento per le imperfezioni superficiali, e controlli dimensionali secondo un piano di campionamento concordato;
esame con liquidi penetranti secondo ASTM E165 sui getti austenitici (magnetoscopia su quelli ferritici), con le intersezioni delle nervature esaminate al 100%, e verifica con liquidi penetranti di ogni riparazione;
radiografia delle sezioni critiche quando il committente la specifica, secondo ASTM E446 o E186, e radiografia delle riparazioni per saldatura maggiori. Una riparazione è maggiore quando la cavità preparata supera il 20% dello spessore o i 250 mm (10 in) di lunghezza;
riparazioni per saldatura eseguite con procedure e saldatori qualificati secondo ASME Section IX.

Oltre a questo, gli acquirenti chiedono di solito certificati di analisi chimica e di trazione per colata, identificazione positiva del materiale (PMI) su ogni pezzo e presenza di un ispettore di terza parte ai controlli.

Cosa deve contenere una richiesta d'offerta (RFQ) per supporti tubi di forni di processo?

Il disegno di ogni articolo, con revisione, e il nome dell'articolo usato sul forno (sospensione, supporto intermedio, X-mas tree, piastra tubiera, guida).
Lega e norma: per esempio ASTM A351 HK40, A297 HH o A560 50Cr-50Ni-Cb. Indicate la norma, non solo il nome della lega.
Temperatura di progetto del metallo, la sezione del forno (radiante, shock, convettiva) e se il forno è alimentato a gas o a olio. Per l'olio, il contenuto di vanadio e sodio del combustibile.
La specifica applicabile: edizione dell'API 560 e specifica del committente o dell'EPC contractor per i forni di processo.
Controlli: norma per l'esame visivo, estensione e livello di accettazione dei liquidi penetranti, zone e livello di severità della radiografia, PMI, controlli dimensionali e l'ente di terza parte.
Lavorazione delle sedi dei tubi, dei fori per bulloni o perni, ed eventuale assemblaggio o montaggio di prova dei supporti in più pezzi.
Marcatura, certificati e documentazione richiesti alla spedizione.
Quantità, ricambi, programma di consegna ed eventuale qualifica del fornitore richiesta dall'utilizzatore finale.

Per una sostituzione senza disegno, per iniziare bastano uno schizzo quotato, le foto del vecchio supporto e una lettura PMI della sua lega. Cosa ci serve per un preventivo elenca il resto.

Ni-Chrome produce getti per supporti tubi di forni di processo?

Sì. Coliamo sospensioni dalla volta e a parete, supporti intermedi, supporti X-mas tree, scale di supporto, piastre tubiere, guide e barre di bloccaggio in HK40, HH, HP-Nb e 50Cr-50Ni-Nb, in forme di sabbia, con lega e numero di colata riportati in fusione.

Inviate un disegno per i supporti tubi →

Domande frequenti

L'X-mas tree di un forno di processo è uguale all'albero di Natale di testa pozzo?

No. L'X-mas tree di un forno di processo è un supporto tubi fuso all'interno del forno, il pezzo su cui appoggiano i tubi. L'albero di Natale di testa pozzo è un gruppo di valvole sopra un pozzo di petrolio o gas. Hanno in comune il soprannome e nient'altro.

Perché i supporti tubi lavorano più caldi dei tubi?

I tubi sono raffreddati dall'interno dal fluido di processo. I supporti non sono raffreddati affatto, quindi si portano vicino alla temperatura dei fumi che li circondano.

Quando i supporti vanno fatti in 50Cr-50Ni-Nb invece che in HK40?

Quando il forno brucia olio con un contenuto significativo di vanadio e sodio e il supporto lavora sopra circa 650 °C. In quel caso l'API 560 richiede un rivestimento refrattario oppure una lega resistente alle ceneri. Con combustione a gas pulito, la scelta abituale è l'HK40.

I supporti tubi invecchiati si possono riparare per saldatura?

Spesso non in modo affidabile. Il lungo esercizio in temperatura rende fragili le leghe al 25Cr per carburi ingrossati e fase sigma. Un supporto invecchiato e criccato di solito si sostituisce, e qualsiasi riparazione richiede una valutazione metallurgica del pezzo reale.

Quale norma copre i supporti tubi dei forni di processo?

L'API 560, Fired Heaters for General Refinery Service, copre temperatura di progetto dei supporti, sollecitazioni ammissibili, materiali, regola delle ceneri di combustibile e controlli. I getti si acquistano secondo ASTM A297, A351 o A560 a seconda della lega.

I supporti tubi si ottengono per colata in sabbia o per centrifugazione?

In sabbia. Supporti, sospensioni, X-mas trees e piastre tubiere hanno forme irregolari, quindi si ottengono per colata statica in forma di sabbia. La colata centrifuga è per i pezzi tondi come tubi e manicotti.

Fonti

Vi servono supporti tubi fusi? Consultate i getti che produciamo e le nostre leghe, oppure inviateci un disegno.

Getti per supporti tubi dei forni di processo: X-mas trees, sospensioni e piastre tubiere