5 häufige Ursachen für das Versagen von Feuerfestmaterialien und deren Behebung

Oct 25, 2023

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Alle Prozesserhitzer arbeiten bei hohen Temperaturen und bestehen aus Prozessrohren in einem feuerfest ausgekleideten Gehäuse, das durch Strahlungswärme einer Gasfeuerung oder, seltener, Ölfeuerung erhitzt wird.

Feuerfeste Auskleidungen sind isolierend und minimieren den Wärmeverlust, weshalb sie für den Erhalt der Umgebung mit hohen Temperaturen unerlässlich sind. Bei hohen Temperaturen kann sich das feuerfeste Material jedoch verschlechtern und möglicherweise zum Ausfall führen, wenn keine Abhilfemaßnahmen durchgeführt werden.

Zu den Arten der feuerfesten Auskleidung gehören feuerfeste Keramikfasern, Ziegel und Beton oder Beton. Wenn ein Ausfall des Feuerfestmaterials zu einem ungeplanten Stillstand führt, kann dies zu Produktionsausfällen von mehr als 1 Mio. US-Dollar pro Tag führen.

Es ist hilfreich, die häufigsten Ursachen für das Versagen von Feuerfestmaterialien zu kennen, zu wissen, wie man befeuerte Heizgeräte oder Öfen auf Schäden prüft und wie man Feuerfestmaterialien online repariert, ohne dass der normale Betrieb unterbrochen werden muss. Im Folgenden sind häufige Ursachen für das Versagen von Feuerfestmaterialien aufgeführt.

1. Verschlechterung aufgrund der Betriebszugehörigkeit

Mit zunehmendem Alter verändern sich feuerfeste Auskleidungen in ihren physikalischen Eigenschaften. Die Hochtemperaturumgebung führt zu mikrostrukturellen Veränderungen der Bindemittel in den Materialien, was zu einem Verlust der Oberflächen- oder inneren Festigkeit führt. Wenn das feuerfeste Material einer Druckbelastung ausgesetzt ist, wie z. B. Ziegel oder gießbare Auskleidungen, kann dies zu lokalem oder großflächigem Versagen führen.

Wenn das feuerfeste Material Flammeneinwirkung ausgesetzt ist, was bei vielen Anwendungen mit Strahlungswänden üblich ist, verkürzt sich die Nutzungsdauer.

Bei ölbefeuerten Heizgeräten wird der Verfall des Feuerfestmaterials durch korrosive Stoffe in den Verbrennungsprodukten beschleunigt. Glücklicherweise gibt es nur noch wenige Fälle, in denen Ölfeuerung eingesetzt wird.

2. Unverträgliche feuerfeste Materialien

Bei befeuerten Heizgeräten kommt häufig eine Kombination aus feuerfesten Materialien zum Einsatz. Für Öffnungen wie Türen werden häufig Faser- und Ziegelmaterialien verwendet, und für Türöffner können IFB-, Guss- oder Fasermodule verwendet werden.

Ein standardisiertes Design mit unterschiedlichen Materialien kann eine Herausforderung darstellen, da jedes Material bei hohen Temperaturen unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Daher können feuerfeste Auskleidungen beschädigt werden, wodurch die Hülle heißen Rauchgasen ausgesetzt wird und heiße Stellen entstehen.

Um das Risiko nicht übereinstimmender Feuerfestmaterialien zu verringern, empfiehlt es sich, eng mit dem Feuerfestlieferanten zusammenzuarbeiten, um sicherzustellen, dass im Bereich der Öffnungen vergleichbare Materialien verwendet werden.

3. Verlust der Unterstützung

Alle Arten von feuerfesten Auskleidungen werden an der äußeren Stahlhülle des befeuerten Heizgeräts befestigt und von dieser getragen. Die herkömmliche Abstützung erfolgt über ein Ankersystem, das mit der Schale verschweißt ist.

Häufig wird die Schweißverbindung zwischen Schale und Anker durch Korrosion beeinträchtigt und die Stützung geht verloren. Die Korrosion wird dadurch verursacht, dass heiße Rauchgase durch die feuerfeste Auskleidung dringen und beim Erreichen der Kühlerhülle kondensieren. Die örtliche Umgebung ist ideal für eine schnelle Oxidation oder Korrosion der schwächsten Stelle: der Schweißnaht.

Sobald die Unterstützung verloren geht, können einzelne Steine, Module usw. abfallen und die Metallhülle freilegen, was zu einem Dominoeffekt und zum Versagen der angrenzenden feuerfesten Auskleidung führt.

In einer Anlage in Europa wurde ein Hot Spot an der Übergangsmantelleitung zwischen den Strahlungs- und Konvektionsabschnitten eines CCR-Plattformflugzeugs entdeckt. In diesem Fall war die Schale aufgrund des Versagens der Keramikfaserdecke im Dach heißen Rauchgasen ausgesetzt. Dies führte dazu, dass die Außentemperatur der Hülle 1040 °F (560 °C) überstieg.

Um eine Überhitzung der Hülle bis zum Ausfall zu verhindern, musste die Produktionsrate auf dem CCR Platformer verringert werden, was zu einem Produktionsverlust von mehr als 400.000 US-Dollar pro Tag führte.

Das Werk nutzte den Hot-tek-Reparaturservice für feuerfestes Material, um das Problem bis zur nächsten geplanten Revision zu beheben. Dieser Service wird später in diesem Whitepaper ausführlicher besprochen.

4. Mechanische Belastung

Es gibt mehrere Faktoren, die dazu führen können, dass mechanischer Stress zum Versagen des Feuerfestmaterials führt. Das beinhaltet:

Eine unsachgemäße Installation oder Wartung ist eine häufige Ursache für den Ausfall von Feuerfestmaterialien. Faktoren wie Installationstechniken, Aushärtezeit, unzureichende Unterstützung oder minderwertige Materialien können das feuerfeste Material schwächen und zu seinem Versagen beitragen.

Der Einbau des Feuerfestmaterials beginnt bereits in der Herstellungsphase. Eine gute Kommunikation zwischen dem Hersteller und dem Werk ist entscheidend, um sicherzustellen, dass das feuerfeste Material seinen Zweck erfüllt. Es sollte gegenüber thermischen Belastungen und anderen durch die Betriebsumgebung verursachten Prozessen beständig sein. Parameter wie Temperaturen, An- und Abschaltungen, Rauchgastemperatur und chemische Komponenten sowie erforderlicher Wärmeverlust sollten alle ausgewertet werden.

Nach der Herstellung sollte das feuerfeste Material in einem trockenen, gut belüfteten Raum gelagert und innerhalb von drei Monaten für Betriebsumgebungen mit hohen Temperaturen oder hohem Abrieb installiert werden. Bei korrekter Installation und Wartung sollten feuerfeste Auskleidungen eine Lebensdauer von 20 Jahren oder länger haben.

Mehrere Merkmale könnten jedoch auf Probleme in der Installationsphase hinweisen. Wenn Sie beispielsweise feststellen, dass Fasermodule vom Dach gefallen sind oder Lücken entstanden sind, kann dies an einem Problem wie unzureichender Bolzenschweißung liegen. Es könnte sich auch um ein Zeichen von Gehäusekorrosion handeln, die häufiger auftritt, wenn vor dem Einbau keine schützende Legierungsbeschichtung, wie z. B. das Hochgeschwindigkeits-Thermospray von IGS, auf das Gehäuse aufgetragen wurde.

Obwohl es eine Reihe potenzieller Installationsprobleme gibt, die zu einem Versagen des Feuerfestmaterials führen können, können regelmäßige und sorgfältige Inspektionen dabei helfen, Schäden frühzeitig zu erkennen, damit Abhilfemaßnahmen durchgeführt werden können.

So prüfen Sie Öfen auf Schäden

Das erste Anzeichen für ein Versagen des Feuerfestmaterials ist oft eine heiße Stelle auf der äußeren Stahlhülle, da eine direkte Beobachtung des Problembereichs nicht möglich ist. IGS hat das Lancescope™-Inspektionsgerät für befeuerte Heizgeräte von Cetek entworfen und entwickelt. Dies ermöglicht die Durchführung einer Hochtemperaturofeninspektion, um das Ausmaß des Problems zu ermitteln und so häufig eine kostspielige Abschaltung des Heizgeräts zu vermeiden.

Das Heißinspektionssystem nutzt ein hochmodernes digitales Kamerasystem, das klare, detaillierte Bilder von Problembereichen bis zu 3000 °F (1650 °C) liefert. Das Ofeninspektionssystem kann in Öffnungen von nur 7 cm (2,75 Zoll) eingeführt werden und reicht bis zu 10 m (30 Fuß). Bei Anwendungen unter 1000 °F (540 °C) sorgt das Heizungsinspektionssystem für optimale Klarheit durch Beleuchtung über eine Hochtemperatur-Lichtquelle.

Zu den Vorteilen einer Heißinspektion gehören:

Methoden zur Reparatur von feuerfestem Material

Sobald der Schaden festgestellt wurde, gibt es in der Regel Möglichkeiten zur Behebung des Problems. Die Produktion kann unterbrochen werden, um die Anlage vom Netz zu nehmen und herkömmliche Reparaturen durchzuführen, oder der Ofen kann bis zum nächsten geplanten Turnaround mit reduzierter Leistung weiterlaufen. Allerdings könnte sich dadurch ein eventuell bestehender Schaden noch verschlimmern.

Alternativ bietet Hot-tek™ einen Online-Reparaturservice für feuerfestes Material an, bei dem die Heizung nicht offline geschaltet werden muss und die Produktion nicht unterbrochen oder die Kapazität eingeschränkt wird. Dies ist eine gute Möglichkeit, Schäden bis zum nächsten geplanten Turnaround vorübergehend zu beheben.

Ein Team von Feuerfesttechnikern kann kurzfristig mobilisiert werden. Bei der Reparatur müssen minimale Zugangsöffnungen geschaffen werden, um speziell entwickelte Komponenten und Reparaturmaterial einzuführen, sodass eine semipermanente Reparatur möglich ist, die mindestens bis zur nächsten Reparatur anhält.

Fallstudie: Durch die Reparatur von heißem Feuerfestmaterial wurde eine Abschaltung des Heizgeräts verhindert

Eine Raffinerie in den USA stellte schwerwiegende Bedenken hinsichtlich der Feuerfestfestigkeit ihrer Heizeinheit mit katalytischem Reformer (CCR) fest. In einem Ofen fehlte die feuerfeste Keramikfaser. Dadurch wurde die äußere Stahlhülle durch die hohen Temperaturen in mehreren Bereichen des Daches und der Seitenwände beschädigt.

Infrarotbilder von Raffinerieöfen zeigen Problembereiche

Diese Raffinerie ist ein Downstream-Energieunternehmen mit Vermögenswerten in den Bereichen Erdölraffinierung, Logistik, Convenience-Stores, Asphalt und erneuerbare Energien mit einer Kapazität von weniger als 150.000 Barrel pro Tag. Die Raffinerie produziert verschiedene Arten von Benzin, Destillaten und Propanprodukten.

Das Werk beauftragte Hot-Tek mit der Inspektion der Einheit und der Durchführung von Reparaturen an der heißen Feuerfestkonstruktion. Während der Vorprojektbesprechung machte das Team Infrarotbilder der Hotspots auf dem Dach des CCR-befeuerten Heizgeräts.

An der Brückenwand wurden Temperaturen von über 815 °C (1500 °F) erreicht, was für eine CCR-Heizung relativ hoch ist. Die bei den vorherigen Reparaturen verwendete Materialauswahl war für diese erhöhten Brückenwandtemperaturen nicht ausreichend.

Hot-Tek-Reparaturlösung für heißes feuerfestes Material

Die beschädigten Bereiche wurden mit zwei Techniken repariert: der einzigartigen Korbreparatur von Hot-Tek und der größeren Modulreparatur. Die größeren beschädigten Ofendachbereiche wurden in Abschnitte zerschnitten und einzeln entfernt. Dann schufen vorgefertigte Module, bestehend aus höherlegierten Platten und Hardware sowie Hochtemperatur-Keramikfasern, eine langfristige Reparaturlösung für die Raffinerie. Die korbartige Reparaturmethode wurde verwendet, um den Umfang der Module abzudichten.

Schritt-für-Schritt-Hot-Tek-Reparaturlösung

Hot-Tek-Ofenreparatur mit dem Modulstil an der Decke der installierten Hundeboxen:

Das Ergebnis: Hot-Tek-Reparaturlösung für heißes feuerfestes Material

Das Hot-Tek-Projekt wurde innerhalb des vereinbarten Zeitplans von acht Tagen abgeschlossen. Die Raffinerie konnte den Betrieb mit voller Auslastung weiterführen, völlig unbeeinträchtigt von den durchgeführten Reparaturen. Eine Schließung hätte die Raffinerie Millionen an Produktionsausfällen gekostet.

Abschluss

Es gibt zahlreiche Ursachen für den Ausfall von Feuerfestmaterialien, aber die Abschaltung des Ofens sollte immer der letzte Ausweg sein, da dies enorme Auswirkungen auf Produktion und Umsatz hat. Die Betriebsumgebung ist für die meisten Ausfälle von Feuerfestmaterialien verantwortlich und ein häufiges Versehen besteht darin, die Ofentemperatur zu erhöhen, ohne abzuschätzen, welche Auswirkungen dies auf die Konstruktionsparameter der Feuerfestmaterialien haben wird. Die Planung von Überkapazitäten kann dazu beitragen, das Risiko eines Ausfalls des Feuerfestmaterials zu verringern, wenn sich die Spezifikationen nach der Installation ändern.

Das Verständnis und die Vermeidung von Schäden an Feuerfestmaterialien sind für die Gesamtleistung des Ofens von entscheidender Bedeutung. IGS erkennt die Auswirkungen von Anlagenausfällen und arbeitet weltweit mit Anlagen zusammen, um die Zuverlässigkeit und Leistung der Anlagen zu optimieren. Das frühzeitige Erkennen von Schäden an feuerfestem Material und das Verstehen der Gründe dafür hilft den Betreibern, die Betriebszeit des Ofens zu erhöhen und die Gesamtleistung zu maximieren, was andernfalls entgangene Einnahmen in Millionenhöhe einsparen könnte.

Wenn sich unerwartete Leistungseinbußen auf Ihren Betrieb auswirken, kann IGS schnell eingreifen, um Sie bei der Identifizierung, Behebung und Vermeidung zukünftiger Schäden zu unterstützen.

Weitere Informationen finden Sie unter integriertglobal.com.