Materiały wolframowo-molibdenowe charakteryzują się odpornością na wysokie temperatury i korozję, co czyni je odpowiednimi do ekstremalnych warunków panujących w przemyśle petrochemicznym. Trzy przypadki pokazują, że mogą one wydłużyć żywotność urządzeń od 3 do 8 razy, przy czym inwestycja w modernizację stanowi zaledwie 1/5 kosztu zakupu nowego sprzętu, zapewniając tym samym długotrwałe i bezpieczne funkcjonowanie instalacji.
Przemysł petrochemiczny obejmuje wszystkie procesy, począwszy od ekstrakcji ropy naftowej, rafinacji surowej ropy naftowej, krakingu etylenu, rafinacji wodorowej oraz przechwytywania i wykorzystania dwutlenku węgla (CCUS). Przemysł ten od dawna stoi przed skrajnymi warunkami, takimi jak wysokie temperatury (powyżej 1000°C), wysokie ciśnienia (powyżej 15 MPa), silna korozja (H₂S, CO₂, jony chlorkowe itp.) oraz intensywne zużycie. Zwykłe stopy stalowe nierdzewne oraz stopy niklowe są podatne na deformację pełzania w wysokiej temperaturze, pęknięcia spowodowane utlenianiem, perforację przez korozję punktową oraz kruchość wodorową, co prowadzi do częstych wyłączeń urządzeń, a nawet wypadków związanych z bezpieczeństwem.
Wolfram i molibden, jako metale ogniotrwałe o wysokiej temperaturze topnienia, mają temperatury topnienia odpowiednio 3422 °C i 2622 °C oraz charakteryzują się takimi cechami jak odporność na wysokie temperatury, odporność na korozję, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz odporność na zużycie. W branży petrochemicznej wykształciły się cztery główne kierunki zastosowania: elementy konstrukcyjne ogniotrwałe przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach, części stopowe o wysokiej twardości i odporności na zużycie, powłoki antykorozyjne oraz dodatki stopowe, a także surowce chemiczne stosowane jako katalizatory. Poniżej przedstawiono rzeczywiste rezultaty zastosowania materiałów wolframowo-molibdenowych na podstawie trzech przypadków badawczych.
Przypadek 1: Wyzwanie związane z warunkami grzewczymi dla otworu CCUS w złóż łupków naftowych placu naftowego Shengli: Otaczający otwór Liye 1HF w placu naftowym Shengli wykorzystuje iniekcję CO₂ do ekstrakcji ropy naftowej; wysokociśnieniowe dławienie ciekłego CO₂ powoduje szybkie ochłodzenie i zamarzanie rurociągu. Wydobywana ciecz zawiera CO₂, wodę formacyjną oraz siarkowodór, tworząc złożone środowisko korozji. Konwencjonalne rury grzewcze ze stali nierdzewnej ulegają korozji i perforacji w ciągu 3 miesięcy, co prowadzi do postoju eksploatacyjnego. Rozwiązanie: Dostosowane kompozytowe rury grzewcze z tungstenowym stopem (podstawa grzewcza ze stopu tungstenowego + warstwa izolacyjna z azotku glinu).
Sprawność konwersji energii elektrycznej w ciepło wynosi 99 %, prędkość nagrzewania zwiększona czterokrotnie
Ciągła eksploatacja przez 24 miesiące bez uszkodzeń korozyjnych ani erozyjnych
Pełne wyeliminowanie zamarzania i zapychania rurociągu, zmniejszenie liczby postoju konserwacyjnego dla pojedynczego otworu o współczynnik 12
Niski współczynnik rozszerzalności termicznej – brak pęknięć spoin podczas naprzemiennej zmiany temperatury
Wniosek: Rury grzewcze ze stopu wolframu są odpowiednie do zastosowań w technologiach CCUS oraz w nietradycyjnych metodach ekstrakcji, charakteryzujących się znacznymi różnicami temperatur.
Przypadek 2: Wyzwanie związane z warunkami eksploatacyjnymi elementów wsporczych pieca kruszącego etylen w Lan Zhou Petrochemical: Elementy wsporcze pieca kruszącego pracują w temperaturze 1100°C przez długi czas, a materiał ze stopu chromowo-niklowego ulega odkształceniom pełzakowym po około roku eksploatacji, co wymaga częstych postołów w celu wymiany tych elementów, poważnie wpływając na wydajność produkcji. Rozwiązanie: Wszystkie elementy wsporcze zostały wymienione na elementy wykonane ze stopu molibdenowego TZM (stop tytanu, cyrkonu i molibdenu).
Brak odkształceń przy temperaturze 1100°C przez długi czas
Okres użytkowania wydłużony z 1 do 6 lat (6-krotny wzrost)
Znaczne zmniejszenie częstotliwości postołów związanych z wymianą elementów, co przekłada się na istotne korzyści ekonomiczne ogółem
Wniosek: Stop molibdenowy TZM jest standardowym materiałem preferowanym dla konstrukcyjnych elementów pieców wysokotemperaturowych w przemyśle petrochemicznym.
Przypadek 3: Wyzwanie związane z odnową warstwy wewnętrznej reaktora hydrogeneracji firmy Shandong Hengyuan Petrochemical: Reaktor hydrogeneracji (średnica wewnętrzna 3 m, temperatura 430°C, ciśnienie 15 MPa, medium zawierające H₂S, amoniak i jony chlorkowe) miał wewnętrzną powłokę ze stali nierdzewnej AISI 316L, która po trzech latach eksploatacji uległa lokalnemu korozyjnemu wgłębieniu oraz wytworzeniu pęcherzyków wodorowych, co stanowiło zagrożenie wybuchem. Rozwiązanie: Spawanie warstwy wewnętrznej z 10-mm grubości kompozytowego stopu niklu zawierającego molibden i wolfram (C276, 13% molibdenu, 3% wolframu).
Bezprzerwowa, bezpieczna eksploatacja przez 25 lat, brak pęknięć korozji naprężeniowej ani kruchości wodorowej, roczne zużycie korozyjne wynosi jedynie 0,1 mm
Spełnia normy bezpieczeństwa API dotyczące zbiorników pod ciśnieniem stosowanych w przemyśle rafineryjnym i petrochemicznym
Koszt inwestycji w spawanie odnowy stanowi zaledwie 1/5 kosztu wymiany na nowe urządzenie
Wniosek: Technologia spawania kompozytowego stopu niklu zawierającego molibden i wolfram łączy bezpieczeństwo z opłacalnością ekonomiczną i stanowi dojrzałe rozwiązanie do odnowy reaktorów hydrogeneracji w celu zapobiegania korozji.
Kluczowa wartość materiałów wolframowo-molibdenowych w przemyśle petrochemicznym przejawia się w trzech aspektach:
1. Bezpieczeństwo i niezawodność – zachowanie integralności strukturalnej w ekstremalnych warunkach oraz eliminacja zagrożeń dla bezpieczeństwa;
2. Efektywność ekonomiczna – wydłużenie czasu użytkowania urządzeń o 3–8 razy, przy kosztach modernizacji znacznie niższych niż koszty zakupu nowego sprzętu; 3. Przystosowanie do potrzeb branży – obejmowanie całego łańcucha wartości, od eksploatacji ropy naftowej po rafinację i przetwórstwo chemiczne, wspieranie modernizacji przemysłu petrochemicznego w kierunku dłuższych cykli eksploatacyjnych i wyższego poziomu bezpieczeństwa.
W miarę jak obiekty petrochemiczne stają się coraz większe i bardziej złożone, materiały wolframowe i molibdenowe będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w kluczowych urządzeniach pracujących w ekstremalnych warunkach.
EN
