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2012 82 MANUEL TECHNIQUE SUR
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Technologie de bouchage mécanique des
tubes pour les échangeurs de
chaleur à haute pression dans les
usines d'ammoniac et d'urée
Le système Pop-A-Plug® est un bouchon de tube mécanique destiné à assurer
l'étanchéité des tubes d'échangeurs de chaleur haute pression qui fuient ou sont
dégradés. L'objectif de la conception était de produire un bouchon mécanique rapide et
simple à installer avec une stabilité égale ou supérieure à celle d'un bouchon soudé. Ce
document fait le point sur les développements techniques et les succès du Pop-A-Plug®
dans les usines d'ammoniac et d'urée.
Introduction
A.G.C.M. de Rijk, EST Group B.V, Pays-Bas
(1819 STPD) en 1989.
La
KWSTICKSTOFFWERK
E
PIESTERITZGMBH(SK
W)est l'autorité de tutelle de l'
Le plus grand producteur d'ammoniac et
d'urée d'Allemagne, domicilié sur l'un des
meilleurs sites d'Europe, dans une région
largement agricole d'Allemagne. La société
exploite deux usines d'ammoniac Kellogg, d'une
capacité de 1 650 MTPD (1 819 STPD) chacune
(1 350 MTPD) (1 488 STPD), trois usines de
stripage de CO Stamicarbon2 (toutes d'une
capacité supérieure à 4 000 MTPD) (4 410
STPD), une usine d'acide nitrique Uhde et
d'autres usines pour la production de produits
spéciaux.
Les usines d'ammoniaque de SKW sont conçues
par M.
W. Kellogg, USA et conçu par Toyo
Engineering Cooperation. Les usines ont été
mises en service en 1973 et 1975. Il s'agit d'un
procédé conventionnel de reformage à la
vapeur. La capacité a été portée à 1 650 MTPD
L'usine d'ammoniac de Kellogg exploite un
reformeur secondaire 103-D suivi de deux
chaudières primaires de récupération de chaleur
101-CA/CB en parallèle, puis d'une chaudière
secondaire de récupération de chaleur 102-C.
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Descriptiondu problème
Les tubes qui fuient et certains autres tubes
présentant des fissures identifiées par l'examen
par courants de Foucault ont dû être scellés
par bouchage. La corrosion par piqûres due à
la réaction caustique a entraîné une fuite des
tubes.
Le seul procédé connu pour sceller les tubes
qui fuyaient était l'installation de bouchons de
tube avec un filetage. Ces bouchons ont été
soudés dans les tubes avec un traitement
thermique préalable et postérieur. Ce
processus de réparation est long et peut
prendre jusqu'à 3 jours au total. De plus, les
bouchons soudés par sujet présentent des
fissures circonférentielles après la remise en
service des unités et leur exposition aux cycles
de température de la chaudière de
récupération. (Voir la figure 1.)
Figure 1. Exemple de bouchons soudés

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Détails des applications Unité
102-C
Côté tube :
(4641 psig)
3°F)
Pression320,0BarG
Température345°C(65
FluideProcessusGaz
Côté coquille :
(1667 psig)
6°F)
Pression115,0BarG
Température330°C(62
FluideEau d'alimentation de la chaudière
Figure 2. Dessin de soudure entre un tube et une plaque tubulaire
C1/C2
L'échangeur de chaleur 102-C est un échangeur
de chaleur vertical à tubes fixes avec 1 101
tubes de 25,4 mm (1.00 in) OD x 5,16 mm (.203
in) de paroi (matériau des tubes et de la plaque
tubulaire : Acier résistant à l'hydrogène sous
pression 10 CrMo910 (ASTM A 182 F22). Voir
la figure 2 pour la configuration des tubes et des
plaques tubulaires.
Les conditions du procédé sont les suivantes :
L'échangeur de chaleur 123-C1/C2 est un
échangeur de chaleur avec des tubes de 19,05 mm
(.75 in) x 3,10 mm (.122 in) (matériau des tubes et
de la plaque tubulaire : 10 CrMo910 (ASTM A
182 F22). Voir la figure 3
pour la configuration tube à tube.
Côté tube :
Pression35,5 BarG
(515 psig)Température (basse)340°C
(644°F)Température
(haute)450°C(842°F
) FluideGaz de process
Côté coquille :
psig)
)
Pression118.0BarG (1621
Température330°C(626°F
Eau d'alimentation de la chaudière
FluidSteam
Détails des applications Unité 123-

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Figure 3. Dessin de l'échangeur de chaleur
123-C1/C2
Pop-A-Plug®
Caractéristiques
Figure 4. Pop-A-Plug® du groupe EST
Le système Pop-A-Plug® élimine la nécessité
de souder les bouchons de tubes. Ce système a
fait ses preuves depuis longtemps dans les
centrales électriques à combustibles fossiles et
nucléaires. Le système de bouchage de tubes
d'échangeurs de chaleur Pop-A-Plug® est le
seul bouchon qui comporte des anneaux
dentelés à l'intérieur conçus pour maintenir un
joint étanche dans des conditions extrêmes de
cycles thermiques et de pression.

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Le Pop-A-Plug® est installé à l'aide d'une force
contrôlée, ce qui évite d'endommager les
ligaments de la plaque tubulaire et les joints
adjacents de la plaque tubulaire. Ainsi, la durée
de vie de l'échangeur thermique est prolongée et
les coûts sont réduits lorsque vous devez refaire
le tube.
Autre avantage, le système Pop-A-Plug® ne
prend que quelques minutes à installer.
Le système est disponible dans une large
gamme de matériaux et peut être adapté au tube
ou à la plaque tubulaire dans lequel il est
installé. L'adaptation du matériau élimine les
différences de taux de dilatation thermique et
garantit le maintien d'une étanchéité parfaite
pendant les cycles de température subis par
l'échangeur de chaleur.
Figure 5. Installation du Pop-A-Plug® à
l'intérieur du tube
Solution
SKW a contacté EST pour trouver une solution
permettant de boucher ces tubes d'échangeurs de
chaleur sans soudure et dans un délai plus court,
avec une fiabilité égale ou supérieure.
La première étape a consisté pour le groupe EST
à étudier l'utilisation de la norme ASTM A 182
F22 Classe 3 pour la fabrication des POP-A-
PLUGs® .
Pour le choix de la taille, il a été décidé que les
bouchons de l'échangeur thermique 102-C
seraient installés à l'intérieur du tube. Une
surface et une tolérance contrôlées ont été
obtenues en usinant (alésage et brossage) le
diamètre intérieur du tube à un diamètre de 16,0
mm (.63 in).
Pour le choix de la taille, il a été décidé que les
bouchons de l'échangeur 123-C1/C2 seraient
installés à l'intérieur de la plaque tubulaire
(section de tube à retirer). Une surface et une
tolérance contrôlées ont été obtenues par
usinage (alésage et brossage) du diamètre
intérieur de la plaque tubulaire à un diamètre de
20,0 mm (.787 in).
EST Group a conçu, fabriqué et qualifié le POP-
A-PLUG® approprié en ASTM A182 F22
Classe 3 pour chaque échangeur de chaleur. Les
informations ci-dessous mettent en évidence les
bouchons fabriqués pour les unités de SKW.
Échangeur de chaleur 102-C
Pièce du groupe EST #P2-630-CR-SP-0611
Max 413.6 BarG/537.8°C (6000 PSIG/1000o F)
Échangeur de chaleur 123-C1/C2
Pièce du groupe EST #P2-790-CR-SP-0611
Max 344.8 BarG/537.8°C (5000 PSIG)/1000°F)

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Essais de qualification
SKW a fourni du matériel en barres 10CrMo9
10 à EST pour fabriquer des coupons de test
afin d'installer les bouchons conformément aux
instructions et procédures d'installation fournies
avec les bouchons.
Augmentation de 22°C (72°F) à 350°C
(662°F) : 4 heures
Temps de maintien à 350°C (662°F) : 2
heures Refroidissement de 350°C à 22°C :
Figure 6. Coupon
d'essai (10CrMo9.10)
avec P2-630-CR-SP-
0611
Cycles thermiques
Figure 7. Coupon d'essai
(10CrMo9.10) avec P2-
790- CR-SP-0611
Coupons d'essai (10CrMo9.10) avec P2-630-
CR-SP-0611 (ASTM A182 F-22Class3)
ont été exposés à des cycles thermiques (la
température sélectionnée était la température
d'entrée du gaz de traitement) par SKW comme
ci-dessous :
Augmentation de 22°C (72°F) à 400°C
(752°F) : 4 heures
Temps de maintien à 400°C (752°F) : 2 heures
Refroidir de 400°C (752°F) à 22°C (72°F) :
Nuitée
Le coupon de test (10CrMo9.10) avec P2-790-
CR- SP-0611 (ASTM A182 F-22 Classe 3)
installé a été exposé à des cycles thermiques
(température sélectionnée par SKW) par SKW
comme ci-dessous :
P
T
en
e
d
st
ant la nuit
Coupon
d'essai -
Numéro
Critères d'essai Résulta
t
1 P2-630-
CR-SP-
0611
Test d'étanchéité
à la bulle d'air 0,5
BarG
(7,25 psig)
Adopté
2 P2-790-
CR-SP-
0611
Test d'étanchéité
à la bulle d'air 0,5
BarG
(7,25 psig)
Adopté
3 P2-630-
CR-SP-
0611
Test de résistance
à la pression avec
de l'air 1.1 x
pression côté tube
=
126,5 BarG (1835
psig)
Adopté
4 P2-790-
CR-SP-
0611
Test de résistance
à la pression avec
de l'air 1.1 x
pression côté tube
=
352.0 BarG (5104
psig)
Adopté
5 P2-630-
CR-SP-
0611
Rapport de
sécurité de 1 ½
à 1 Essai de
pression avec
de l'eau
1,5 x pression
maximale POP-
A- PLUG® = 1,5
x 413,6 = 620,4
BarG (8996 psig)
Adopté
6 P2-790-
CR-SP-
0611
Rapport de
sécurité de 1 ½
à 1 Essai de
pression avec
de l'eau
1,5 x pression
maximale POP-
A- PLUG® = 1,5
x 34M
4,8
AN
=U5
E1
L7
T,E
2CHN
BarG
L'A
(7
M
4M
99
Op
Ns
IA
ig
C)
Adopté
IQUESUR

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Mesurede la dureté
Après la réussite des tests de pression, les
coupons des deux tailles de bouchons ont été
sectionnés et gravés pour examiner les
caractéristiques d'étanchéité et effectuer un test
de dureté.
Figure 8. P2-630-CR-SP-0611 sectionné.
Figure 9. Détail de la bague d'étanchéité du P2-
630-CR-SP-0611.
Figure 10. P2-630-CR-SP-0611 Détail
de la dentelure.
Conclusion
Le POP-A-PLUG a passé avec succès tous les
tests de qualification. Et sur la base de ces tests
réussis, SKW a approuvé l'utilisation des POP-
A-PLUG® dans la norme ASTM A 182 F22
Classe 3.
dans les échangeurs de chaleur de l'usine
d'ammoniac.
Le résultat direct est une réduction significative
du temps de réparation.
Les POP-A-PLUG® peuvent être installés en
quelques heures, contre 3 jours pour les
bouchons de tubes soudés.
Dureté Vickers HV1
Nr.HV1
1-195
2-194
3-185
4-196
5-326
6-266
7-254
8-249
9-246
10 - 248
11 - 249
12 - 266
13 - 275
14 - 357
15 - 362
16 - 384

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Le groupe EST examinera toujours en détail
chaque application de Pop-A-Plugs® avant la
commande et l'installation afin de garantir une
application correcte.
EST dispose de sociétés d'installation POP-A-
PLUG® expérimentées et certifiées.
Développements
Sur la base des résultats, la phase suivante de ce
programme a commencé. Il s'agit de développer
un POP- A-Plug® approprié pour boucher les
tubes des échangeurs de chaleur à haute pression
d'une usine d'urée en utilisant le matériau
Safurex® et en respectant les critères de
conception spécifiques applicables.
Pop-A-Plug® est une marque déposée du
groupe EST, Hatfield, PA, USA.
Remerciements particuliers à M. Norbert Brett /
SKW STICKSTOFFWERKE PIESTERITZ
GMBH
Allemagne pour son soutien dans cette affaire.

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