document convertit

1. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
6 MANUEL TECHNIQUE
SUR
Abonnez-vous à DeepL Pro pour traduire des fichiers plus volumineux.
Visitez www.DeepL.com/propour en savoir plus.
I
Défaillance d'une chaudière à
chaleur perdue dans une usine
d'ammoniac de conception
Kellogg
(ANALYSE DES DÉFAILLANCES ET
MÉTHODOLOGIE DE RÉPARATION)
Cette défaillance concerne une usine d'ammoniac de conception Kellogg de la Indian Farmers
Fertilizer Cooperative Ltd. (IFFCO) située à Phulpur, Allahabad, en Inde. Les deux chaudières de
chaleur résiduelle (101-CA/CB) sont les équipements les plus critiques d'une usine d'ammoniac de
conception Kellogg. Ces échangeurs à densité, de type baïonnette, comportant des tubes internes et
externes avec une enveloppe de pression refroidie à l'eau, ont fait l'objet d'une grande inquiétude
dans un passé récent en raison de problèmes liés à la rupture de leurs tubes, à l'absence d'écoulement
d'eau ou à l'écoulement inverse à travers les colonnes montantes, etc. La défaillance répétée de ces
échangeurs due à la rupture de tubes deux fois en trois mois (mai-août 2011) a jeté une ombre sur
l'énergie, la productivité et les performances de cette usine de 30 ans, par ailleurs très performante.
Cet article fait la lumière sur les causes probables de la défaillance, l'analyse des causes profondes et,
plus important encore, l'analyse minutieuse de la méthodologie adoptée pour la rectification afin que
l'usine puisse être remise en service dans le plus court laps de temps possible et que la récurrence
puisse être évitée.
Surjit Singh
IFFCO Phulpur Inde
Mukul Srivastava
IFFCO Phulpur Inde
Mohd. Masood Ahmad
IFFCO Phulpur Inde
Introduction
L'unité Phulpur de FFCO est située à
Phulpur, Allahabad, dans l'état d'Uttar Pradesh,
en Inde.Elle produit de
l'ammoniac et de l'urée. L'usine d'ammoniac I,
basée sur la technologie MW Kellogg, mise en
service en 1980, avait une capacité initiale de
900 MTPD,
tandis que l'usine d'urée I, basée sur latechnologie
Snamproget ,avait unecapacité
initialede 1550 MTPD. Cependant,
la capacité de ces usines a été augmentée à 1215
MTPD et 2115 MTPD respectivement grâce au
désengorgement des usines dans le cadre du projet
d'amélioration de la capacité en 2008.

2. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
7 MANUEL TECHNIQUE
SUR
Brève description du processus
L'usine d'ammoniac I de l'unité IFFCO
Phulpur dispose de deux chaudières à
chaleur primaire résiduelle (101-CA/CB) de
conception classique Kellogg, à enveloppe
d'eau et revêtement réfractaire, installées en
parallèle. Ces chaudières reçoivent les gaz
effluents chauds du reformeur secondaire
103-D du côté de l'enveloppe et les tubes à
baïonnette convertissent l'eau d'alimentation
de la chaudière en vapeur HP. Le gaz
effluent du reformeur secondaire entre dans
la coque par un tuyau de distribution avec
des perforations pour une distribution
uniforme du gaz. Le gaz s'écoule vers le haut
en chauffant les tubes de type baïonnette et
le gaz de procédé refroidi va ensuite dans le
système de traitement de l'eau.

3. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
8 MANUEL TECHNIQUE
SUR
Chaudière secondaire à chaleur perdue (102-C)
pour la production supplémentaire de vapeur
HP. Voir la figure 1 pour le diagramme du
processus.
Figure 1 : Schéma d'écoulement du gaz de
procédé
L'eau s'écoule du tambour à vapeur (101-F) à
travers une colonne descendante dans la
chambre à eau où elle entre dans les tubes
internes de 101-CA/CB en haut et s'écoule vers
le bas à travers les tubes internes. Au bas du
tube intérieur, le flux d'eau est dévié vers le haut
dans l'espace annulaire entre les tubes extérieurs
et intérieurs et la vapeur HP générée monte dans
l'espace annulaire jusqu'à la chambre à vapeur,
puis jusqu'au tambour à vapeur par deux
colonnes montantes depuis chaque chaudière de
récupération 101-CA/CB. Voir la figure 2 pour
le schéma d'écoulement de l'eau du système.
Figure 2 : Schéma d'écoulement de l'eau
Chaque chaudière 101-CA/CB comporte 206
tubes de type baïonnette placés par paires
concentriques, les tubes intérieurs d'un diamètre
de 1 pouce (25,4 mm) étant ouverts aux deux
extrémités et les tubes extérieurs d'un diamètre
de 2 pouces (50,8 mm) étant fermés à la base.
Voir la Figure 3 pour le schéma de la chaudière
à chaleur perdue 101-CA/CB.

4. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
9 MANUEL TECHNIQUE
SUR
Fiche technique de 101-CA/CB
Fluide côté tube Eau d'alimentation de
la chaudière
Température de
conception
329,4o C
Pression de conception 117,8 kg/cm2 G
Débit des fluides 1 383 636 kg/hr
Taille du tube
extérieur
Diamètre de 2 pouces
(50,8 mm)
Taille de la chambre à
air
1 pouce (25,4 mm) de
diamètre
Matériau du tube
extérieur
SA 213 T11
Matériau du tube
intérieur
SA 213 T11
Capuchon du tube
extérieur
SA 182 GR. F 11
Plaque déflectrice Incolloy 800HT
Pression de l'hydrotest 176,7 kg/cm2 G
Fluide côté coquille Reformeur secondaire
effluent
Température de
conception
1010o Cinlet/593.3o
C
sortie
Pression de conception 34,1 kg/cm2 G
Débit des fluides 160 525 kg/hr
Matériau de la coque SA 516 GR 70
Matériau de la
doublure
SA 240 TP 310
Pression de l'hydrotest 51,2 kg/cm2 G
Chronologie des défaillances du 101-
CA/CB
La première défaillancest : Après la mise en
service de l'usine d'ammoniac en 1980, le
premier incident de défaillance s'est produit en
1992, lors du démarrage de l'usine après l'arrêt
annuel de routine. Le 12 mars 1992, la
production d'ammoniac a été arrêtée vers 14h00
et l'usine était en cours de stabilisation lorsque
soudainement, vers 16h00, la contre-pression au
PI-203 (pression d'entrée du HTS) a commencé
à augmenter, la température d'entrée du
convertisseur HT a fortement baissé et le débit
d'air de traitement vers le reformeur secondaire
a commencé à diminuer malgré l'augmentation
de la vitesse de la turbine du compresseur d'air.
Pendant ce temps, le débit d'eau d'alimentation de
la chaudière (BFW) vers le tambour à vapeur a
atteint sa valeur maximale, mais le niveau du
tambour à vapeur a continué à baisser. La centrale
a été immédiatement arrêtée car toutes les
indications ci-dessus permettaient de conclure à
une fuite de l'une des chaudières de récupération
101-CA/CB. Lors d'une vérification ultérieure, il
a été constaté que la chaudière 101-CB

5. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
10 MANUEL TECHNIQUE
SUR
fuyait et son faisceau de tubes a donc été
remplacé par un faisceau de rechange.
La défaillance de 2nd : L'incident suivant s'est
produit en 2000 lorsqu'après l'arrêt annuel de
l'usine et la dépressurisation du côté du
processus, on a observé que de l'eau s'écoulait
des drains du côté de la coque des deux
chaudières 101-CA/CB. Les faisceaux de tubes
ont été remplacés par des faisceaux de
rechange déjà disponibles sur le site.
La défaillance de 3rd : Au cours de l'arrêt
annuel de 2011, on a observé que de l'eau
sortait des drains côté virole des deux
chaudières 101-CA/CB. Les deux faisceaux de
tubes ont été remplacés par des faisceaux de
tubes réparés pendant l'arrêt. Voir la photo 1
ci-dessous.
Photo 1 : Dépose du faisceau
La défaillance de 4th : Le 26 avril 2011, les
activités de démarrage de l'usine ont été
lancées après le remplacement des faisceaux
de tubes et l'achèvement de tous les autres
travaux d'arrêt. À 19 h 30, les brûleurs du
reformeur primaire ont été allumés et le
chauffage du catalyseur du reformeur primaire,
du reformeur secondaire et du convertisseur
HT a commencé en établissant une circulation
de gaz inerte en faisant fonctionner la
soufflerie d'azote.
Le 28 avril 2011, à 00:30, de l'air de traitement
a été introduit dans le reformeur secondaire et
la ventilation totale a été déplacée vers l'évent
d'entrée du méthaniseur. À l'adresse

6. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
11 MANUEL TECHNIQUE
SUR
01:45 Tout à coup, la température de la sortie
des gaz de procédé de la chaudière 101-CB, de
l'entrée des gaz de procédé HTS et du lit de
catalyseur HTS a chuté de façon spectaculaire.
Dans le même temps, le niveau du ballon de
vapeur a chuté rapidement et n'a pu être rattrapé
qu'en augmentant considérablement le débit
d'eau d'alimentation de la chaudière. Toutes ces
actions ont conduit à la conclusion commune
qu'il y avait une possibilité de fuite d'eau
d'alimentation de la chaudière dans le système à
travers le faisceau de tubes de la chaudière à
chaleur perdue 101-CB lorsque la température
de sortie de cette dernière a baissé. Par
conséquent, un arrêt complet forcé de l'usine a
été effectué. Lors d'un contrôle ultérieur, on a
constaté que deux tubes fuyaient et que trois
autres étaient bombés, et qu'ils étaient tous
bouchés.
La défaillance de 5th : Le 11 août 2011 à 03:50,
l'usine fonctionnait normalement lorsque
soudainement la température d'entrée du gaz de
procédé HTS et les températures du lit HTS ont
commencé à baisser, à côté de la température de
sortie du 101-CA qui a également baissé
rapidement. Le tambour à vapeur perdait son
niveau très rapidement. Tous ces événements
ont confirmé la présence d'une fuite dans la
chambre 101-CA. Par conséquent, un arrêt
complet de l'usine a été effectué
immédiatement. Lors de l'ouverture du 101-CA,
il a été observé qu'un tube fuyait et que deux
autres étaient bombés et ont tous été bouchés.
Méthodologie de réparation
La défaillance de 3rd lors de la révision annuelle
d'avril 2011 s'est produite près de 12 ans après
la défaillance précédente. On a supposé que les
faisceaux de tubes existants avaient déjà fait leur
temps et ils ont donc été remplacés par les
faisceaux réparés dont nous disposions. Ces
faisceaux de tubes de rechange réparés étaient
équipés de nouveaux tubes extérieurs et de
nouvelles chicanes. Les faisceaux retirés ont été
inspectés de près et il a été observé que leurs
tubes, tirants, entretoises et déflecteurs étaient
très usés. Une rupture dans l'un des tubes était
clairement visible. Voir la photo 2.

7. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
12 MANUEL TECHNIQUE
SUR
Photo 2 : Tube rompu
Les activités de démarrage de la centrale ont
été lancées le 26 avril 2011, après le
remplacement des faisceaux. Cependant, une
autre défaillance s'est produite pendant le
processus de démarrage.
Il était en effet très préoccupant de savoir
comment un nouveau faisceau de tubes
pouvait tomber en panne au démarrage. Le
problème était aggravé par le fait qu'aucun
faisceau de rechange n'était disponible.
Dans ces circonstances, il a été décidé de ne
pas retirer le faisceau de la coque mais de
procéder à des réparations sur place en
démontant les chambres à air in situ.
Cette décision s'explique par le fait que
pendant le processus de retrait des faisceaux,
la chemise de la coque se déforme car elle
présente un jeu très étroit avec les
déflecteurs. La réparation de la chemise
devient alors un processus très long. La
séquence exacte des activités suivies pour
l'inspection et la réparation est décrite
comme suit.
Inspection
1. Retrait du dôme supérieur du côté du
tube, exposant ainsi la plaque tubulaire
supérieure. Les tubes intérieurs sont fixés
dans cette plaque tubulaire au moyen de
vis Allen spéciales, comme le montre la
figure 4.

8. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
13 MANUEL TECHNIQUE
SUR
2. Démontage de toutes les chambres à air en
retirant les vis à tête cylindrique.
3. Dépose de la plaque tubulaire supérieure qui
est boulonnée sur un anneau de support
prévu dans le couvercle du canal. La plaque
tubulaire inférieure contenant les tubes
extérieurs est maintenant exposée.
4. Afin de détecter les fuites dans les tubes
extérieurs, remplissez tous les tubes d'eau
déminéralisée jusqu'en haut et surveillez de
près les tubes dans lesquels le niveau d'eau
commence à baisser. Ces tubes sont les
tubes qui fuient. Dans notre cas, deux tubes
de ce type ont été détectés, dont
l'emplacement est indiqué sur la figure 5.
5. Afin de déterminer la nature exacte de la
défaillance, on a procédé à une inspection
boroscopique des tubes qui fuyaient. Il a été
observé que la défaillance d'un tube était de
type bouche de poisson et celle de l'autre
une ouverture longitudinale, comme le
montrent les photographies 3 et 4.
Photographie 3 : Ouverture de la bouche du
poisson

9. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
14 MANUEL TECHNIQUE
SUR
Photographie 4 : Ouverture longitudinale
6. L'inspection boroscopique d'autres tubes a
également été effectuée pour voir l'état
général des tubes. Des produits de poussière
et de rouille étaient visibles dans certains des
tubes.
7. Le nettoyage et l'élimination de l'eau des
tubes verticaux qui sont bouchés au fond est
une tâche extrêmement difficile. Un
dispositif spécial, illustré à la figure 6, a été
fabriqué et utilisé pour retirer l'eau des
tubes. L'air sous pression est forcé de
pénétrer dans le tube par une ouverture du
dispositif, tandis que l'eau jaillit par l'autre
orifice.
8. Afin de vérifier l'état de santé des tubes,
comme le renflement, l'affaissement, la perte
d'épaisseur, la présence de fissures et de
trous d'épingle, etc., la technique de test
électromagnétique à distance (RFET) a été
utilisée. Les résultats ont confirmé une fuite
dans deux tubes et un renflement dans trois
autres. Voir la figure 5.
9. La technique RFET a été utilisée pour
s'assurer qu'aucune fissure ou trou d'épingle
mineur n'est laissé non détecté, car il est
difficile de détecter de telles fuites en
remplissant simplement les tubes d'eau.
10. Sur la base des résultats de RFET ci-dessus,
il a été décidé de boucher les 2 tubes qui
fuient et les 3 tubes bombés.
Réparation
La procédure suivante a été
adoptéepour boucher les tubes.
1. Les tubes bombés ont été perforés de
l'intérieur avant d'être bouchés à environ 500
mm en dessous du sommet de la plaque
tubulaire. Cela a été fait pour s'assurer qu'il
ne reste pas d'air emprisonné dans le tube
après le bouchage. L'air emprisonné se
dilaterait en chauffant pendant le service et
pourrait entraîner une rupture soudaine et
endommager les tubes voisins. Les
perforations ont été réalisées en joignant
deux longueurs d'électrode, puis en
produisant un arc à l'intérieur du tube par
soudage.
2. Localisation des bouchons (acier 1 ¼ Cr ½
Mo) aux embouchures des tubes à l'intérieur
des fuites et des renflements.

10. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
15 MANUEL TECHNIQUE
SUR
et préchauffer la plaque tubulaire autour du
bouchon à 150°C.
3. Soudage à la molette par la méthode GTAW
en utilisant le fil d'apport ER 80 SB2.
4. Contrôle par ressuage de la soudure à la
racine après refroidissement.
5. Soudage complet des bouchons par la
méthode SMAW en utilisant l'électrode de
soudage E 8018B2.
6. Enfin, un contrôle par ressuage de la
soudure terminée et de l'ensemble de la
plaque tubulaire a été effectué et s'est avéré
correct.
7. Les trous de tube dans la plaque tubulaire
supérieure (pour la chambre à air)
correspondant au tube bouché dans la plaque
tubulaire inférieure ont également été
bouchés. (Le retrait du tube intérieur est
effectué comme indiqué sur la figure 4).
8. Mettez en boîte la plaque tubulaire
supérieure. Placez le joint à revêtement en
cuivre dans la rainure. Insérez les tubes
intérieurs dans les tubes extérieurs et serrez-
les avec les vis à tête cylindrique. Vérifiez
l'écart entre le bas de la face du tube
intérieur et le bas du tube extérieur. Dans
notre cas, il est de 37,5 mm. Assemblez le
dôme supérieur.
12. L'hydrotest du système complet de BFW et
de vapeur a été effectué, y compris le côté
tube de l'échangeur à 120 Kg/Cm2.
La même méthodologie de réparation a été
adoptée pour les réparations du 101-CA qui s'est
rompu le 11 août 2011, comme décrit
précédemment. Cependant, dans ce cas, un seul
tube présentait une fuite et les deux autres
étaient bombés, comme le montre la figure 7.
Les trois tubes ont été bouchés.
Figure 7 : Rapport RFET du 101CA
Analyse des défaillances
Les faisceaux de tubes de rechange qui avaient
été installés après la panne de 3rd avaient été
réparés. Les tubes extérieurs, les déflecteurs, les
tirants et les entretoises ont été achetés à l'état
neuf après avoir été inspectés par un tiers et
assemblés. Ils ont même passé avec succès
l'hydrotest du côté de la coque et des tubes.
Toutes les activités susmentionnées ont été
réalisées en notre présence mais nous n'avons
pas été témoins des aspects les plus importants
tels que l'élimination de l'eau à l'intérieur des
tubes après l'hydrotest, le séchage ultérieur des
tubes à l'air et le remplissage d'azote avant
l'expédition.
Il semble que les facteurs susmentionnés, par
exemple le manque de soin et d'attention
accordés à l'élimination de l'eau, au séchage et à
la couverture d'azote, aient entraîné la formation
de dépôts de corrosion ou de rouille à la surface
des tubes. Ces dépôts se sont détachés pendant
le service et sont tombés au fond des tubes
extérieurs, bloquant ou réduisant ainsi l'espace
spécifié entre la face inférieure des tubes
intérieurs et le fond des tubes extérieurs. Le
chemin d'écoulement a été bloqué, ce qui a
entraîné une surchauffe des tubes et une rupture
finale.

11. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
16 MANUEL TECHNIQUE
SUR
Un autre facteur, qui mérite d'être mentionné,
est l'emplacement exact des tubes des
chaudières qui se sont rompus récemment. Pour
être plus précis, si l'on observe l'emplacement
des tubes rompus, comme le montrent les
figures 5 et 7, on constate que seuls les tubes
périphériques se sont rompus, endommageant
ensuite les tubes voisins. Cela indique qu'il
pourrait y avoir eu un problème lors de
l'insertion du faisceau de tubes dans la coque. Il
est possible que les tubes périphériques aient été
frottés par la gaine et par conséquent
endommagés. Lors de l'insertion du faisceau de
tubes dans la coquille, le faisceau s'est coincé
entre les deux et a dû être poussé de force car le
retrait à ce stade aurait déformé la coquille.
Conclusions et leçons à partager
1. Veillez à ce qu'aucun objet extérieur ne
tombe à l'intérieur des tubes, car il
bloquerait la voie d'écoulement ou réduirait
l'espace spécifié entre la face inférieure du
tube intérieur et le fond du tube de sortie, ce
qui entraînerait une surchauffe et la rupture
consécutive du tube.
2. S'assurer mécaniquement que l'écart spécifié
est maintenu entre la face inférieure du tube
intérieur et le fond du tube extérieur.
3. Veillez à ce que les paquets de tubes de
rechange soient toujours conservés sous
atmosphère d'azote pour éviter la formation
de rouille et de produits de corrosion à la
surface des tubes. Ces produits peuvent se
détacher pendant le service et tomber au
fond des tubes, réduisant ou bloquant ainsi
l'espace spécifié, ce qui entraîne une rupture.
4. Faites attention lorsque vous insérez le
faisceau de tubes dans l'obus de pression, car
l'espace entre la coiffe de l'obus et le
déflecteur est très faible. Parfois, les
faisceaux sont inclinés lorsqu'ils sont insérés
dans la coque et les tubes périphériques sont
frottés ou affaiblis en raison de la pression
exercée par le poids du faisceau.
5. Faites très attention lorsque vous effectuez
des réparations dans le tambour de la
chaudière afin de vous assurer qu'aucun
élément extérieur comme des électrodes, des
écrous, des boulons ou toute autre particule
ne tombe dans les tubes de la chaudière.
Normalement, ces réparations sont effectuées

12. 2
1
7
2
0
1
1
MANUEL TECHNIQUE SUR L
'A
M
M
O
N
I
A
C
201
2
17 MANUEL TECHNIQUE
SUR
pendant l'arrêt. Il est évident, d'après
l'historique des défaillances décrit
précédemment, que deux cas de
défaillances se sont produits lors du
démarrage de l'installation après son
arrêt.
6. Lors de l'obturation des tubes, veillez à
ce que la longueur de l'obturateur couvre
l'épaisseur de la plaque tubulaire et la
chicane supérieure du bouclier
thermique, afin que les gaz chauds du
procédé n'entrent pas en contact avec la
plaque tubulaire.
7. La circulation inadéquate de l'eau due à
un débit irrégulier dans les colonnes
montantes entraîne une surchauffe des
tubes, ce qui conduit à leur rupture, pour
laquelle une injection de grenaille froide
est prévue.
8. Lors de la réparation ou de la fabrication
de nouveaux faisceaux, il faut veiller à ce
que tous les composants soient achetés
auprès de fabricants éprouvés et soumis à
l'inspection de 3rd par une agence
réputée.
9. Il faut s'assurer que l'eau est retirée de
l'intérieur des tubes après l'hydrotest. Les
tubes sont soufflés, séchés et nettoyés
soigneusement avant la mise en boîte.
10. Le vendeur doit s'assurer que la
couverture d'azote a été effectuée sur la
coque et le tube avant l'expédition.
11. C'est un cauchemar pour l'industrie des
engrais en général et pour les utilisateurs
en particulier, car toute défaillance de cet
équipement entrave sérieusement la
production pendant au moins 8 à 9 jours,
sans compter les dommages probables
qui en découlent pour d'autres
équipements, machines et catalyseurs
critiques.