Ispezione dei tubi nei forni di steam reforming attraverso controlli non distruttivi

Estendere la vita di progetto a creep delle attrezzature (spesso stimata intorno alle 100.000 ore) mantenendo inalterati i livelli di sicurezza e affidabilità, è una delle sfide più complesse negli impianti petrolchimici. Nelle severe condizioni di esercizio a cui sono sottoposti i materiali, basta un lieve incremento della temperatura per accelerare il deterioramento metallurgico e ridurre in modo sensibile e imprevedibile la vita attesa.

Il nodo critico è intercettare le anomalie iniziali prima che evolvano in macro-fessurazioni passanti. In questa prospettiva, l’ispezione dei tubi nei forni di steam reforming si trasforma nello strumento diagnostico primario per la valutazione dell’integrità dell’attrezzatura (Life Cycle Assessment).

Questo approfondimento analizza come combinare la conoscenza della storia operativa del forno con le più recenti innovazioni nei controlli non distruttivi (CND). L'obiettivo è fornire elementi concreti per valutare l’evoluzione dei difetti intra-spessore, stimare con maggiore accuratezza la vita residua delle tubazioni e supportare decisioni strategiche mirate durante le delicate fasi di turnaround.

Prevenzione e continuità operativa: il controllo dei tubi porta-catalizzatore

I tubi impiegati nei forni di steam reforming operano in condizioni termiche e meccaniche estreme. L’azione combinata delle altissime temperature di processo e delle costanti sollecitazioni tangenziali, dovute alla pressione interna dei fluidi, mette a dura prova la resistenza microstrutturale delle leghe metalliche nel lungo periodo. In un simile contesto operativo, il progressivo deterioramento del materiale è una certezza fisiologica da gestire attivamente.

Di conseguenza, implementare un monitoraggio costante e mirato si rivela l’unico metodo efficace per prevenire cedimenti strutturali improvvisi. Eseguire una sistematica e approfondita ispezione dei tubi reformer permette di ottenere una mappatura completa dello stato dell’intero fascio tubiero. Con dati oggettivi a disposizione, è possibile pianificare in modo strategico le eventuali sostituzioni, concentrandole esclusivamente nei periodi di turnaround programmati ed evitando interventi svolti in condizioni di emergenza.

Cause di cedimento: il fenomeno del creep nei tubi catalitici

Nei forni di steam reforming, la sezione radiante è solitamente costituita da tubi in acciaio austenitico (spesso si impiegano leghe come il 25 Cr - 35 Ni - 0.4 C) realizzati mediante colata centrifuga. Questo processo produttivo conferisce al materiale una struttura a grano grosso di tipo colonnare resistente alle alte temperature. Tuttavia, l’azione combinata delle sollecitazioni tangenziali, derivanti dalla pressione interna, e delle temperature estreme innesca il meccanismo di danneggiamento principale: lo scorrimento viscoso a caldo, noto come creep.

Il deterioramento termomeccanico si manifesta con maggiore probabilità lungo le generatrici più esposte all’irraggiamento diretto della fiamma. La localizzazione spaziale dei cedimenti dipende dalla configurazione costruttiva del forno. Negli impianti con bruciatori a parete (side fired), le rotture si concentrano in genere nei primi 2 o 3 metri dalla platea, mentre nei forni con bruciatori disposti sulla volta (top fired) il danno tende a svilupparsi anche ad altezze maggiori, nella zona mediana del tubo.

Dal punto di vista dell’evoluzione microstrutturale, il creep per queste specifiche leghe centrifugate ha origine all’interno dello spessore, a una profondità pari a circa un terzo del diametro interno, sotto forma di micro-vuoti isolati. Con l’avanzare delle ore di esercizio, questi vuoti si aggregano formando micro-cricche che, in uno stadio più avanzato del degrado, evolvono in macro-cricche ad andamento radiale rispetto al tubo. La fessurazione raggiunge dapprima la superficie interna e, solo in fase critica, quella esterna, sfociando nella rottura definitiva. L’avanzamento di questo fenomeno è accompagnato da alterazioni misurabili, quali l’incremento dei diametri (interno ed esterno), la riduzione apparente dello spessore della parete metallica e la comparsa di rigonfiamenti localizzati.

L’insorgenza prematura del creep rispetto alla vita di progetto non è legata solo ai parametri nominali, ma è fortemente condizionata dall’operatività dell’impianto. Anomalie come l’impaccamento del catalizzatore all’interno del tubo o una scarsa efficienza/distribuzione della fiamma dei bruciatori causano l’innesco di “hot bands”, ovvero surriscaldamenti localizzati. Inoltre, i cicli di arresto e riavvio a caldo impongono sollecitazioni termiche e meccaniche estreme di cui la matrice metallica conserva memoria per tutto il periodo di esercizio.

Altri meccanismi di degrado da monitorare

Sebbene lo scorrimento viscoso a caldo rappresenti il meccanismo di guasto primario, l’esposizione prolungata alle severe atmosfere di processo favorisce l’innesco di ulteriori forme di degrado metallurgico. L’attivazione di questi fenomeni concomitanti comporta alterazioni della struttura cristallina che abbattono la resistenza meccanica del materiale, compromettendo le condizioni di integrità dell’intero pacco tubiero. Tra i principali meccanismi da controllare rientrano i seguenti.

Infragilimento da fase sigma

L’esposizione dell’acciaio inossidabile a temperature compreso tra i 540°C e i 950°C favorisce la precipitazione di una fase intermetallica (denominata “fase sigma”) responsabile di un crollo della tenacità della lega. Per intercettare questa problematica si eseguono repliche morfologiche non distruttive e analisi metallografiche di laboratorio.

Shock termici

I raffreddamenti bruschi e localizzati, legati a disservizi di processo (upset), generano tensioni termiche che, in alcuni casi, arrivano a superare il carico di snervamento del materiale. Queste criticità si ispezionano prevalentemente tramite controlli visivi (VT), ultrasuoni difettoscopici e l’impiego di liquidi penetranti nelle aree ad elevato fattore di concentrazione degli sforzi.

Carburazione

Operare in ambienti gassosi ad alta temperatura con presenza di monossido o biossido di carbonio (CO, CO2), o soggetti alla formazione di coke, espone la lega alla diffusione di carbonio interstiziale. Questo ne aumenta la durezza, ma ne riduce la duttilità. Il monitoraggio si effettua incrociando i dati delle misurazioni di durezza con l’analisi delle repliche morfologiche.

Decarburazione

L’esposizione prolungata alle alte temperature o al fuoco diretto in specifici ambienti gassosi può causare l’effetto opposto, ovvero la sottrazione di carbonio e carburi dalla matrice dell’acciaio. Questo determina un calo della resistenza meccanica complessiva. I suoi effetti vengono rilevati mediante repliche metallografiche, test di durezza o campionamenti distruttivi per analisi in laboratorio.

Tecniche tradizionali per il controllo dei tubi porta-catalizzatore

Durante le fermate programmate dell’impianto, la valutazione dello stato di conservazione dei tubi reformer è svolta mediante controlli non distruttivi (CND) convenzionali. Sebbene presentino dei limiti intrinseci nella rilevazione precoce dei difetti intra-spessore, queste tecniche forniscono dati preliminari utili, specialmente se integrate tra loro.

Ispezione visiva (VT)

Rappresenta il primo livello di indagine ed è mirata alla ricerca di difetti superficiali o macroscopici, quali deformazioni, bugne e rigonfiamenti sulle aree accessibili della camera radiante. Ci si concentra sulla zona in prossimità della platea, dove le temperature di pelle (e i conseguenti danni) risultano più elevate.

Rilievo dimensionale dei diametri (DM)

Poiché il danneggiamento da creep è accompagnato da un rigonfiamento del componente, si esegue la misurazione manuale del diametro esterno (O.D.) mediante calibro. Questa operazione serve spesso per validare i riscontri di altre indagini NDT (come gli ultrasuoni) nelle sezioni più critiche del tubo. Tuttavia, il controllo è vincolato al range di variazione ammissibile specifico di ciascuna lega.

Repliche metallografiche (ST)

Esaminano la microstruttura superficiale esterna per individuare segni di surriscaldamento o variazioni cristallografiche. Sebbene siano molto efficaci per rilevare fenomeni come la carburazione o l’infragilimento, presentano dei limiti nell’analisi del creep a causa della struttura cristallina dendritica e dell’impossibilità di accedere alla superficie interna del tubo.

Radiografie (RT)

Vengono impiegate come indagine supplementare per confermare la presenza di danni strutturali avanzati. Rilevano i difetti, utilizzando isotopi e con i tubi pieni di catalizzatore, quando l’estensione del danno passante è pari ad almeno il 50% dello spessore.

Innovazione NDT nell’ispezione dei forni di steam reforming

Per superare le criticità dei metodi tradizionali e intercettare il creep nella sua fase di innesco (a circa 1/3 del diametro interno), il controllo dei tubi porta-catalizzatore si è orientato verso tecnologie NDT superiori.

Nel tempo, il metodo a correnti indotte (Eddy Current) ha mostrato limiti evidenti. Le variazioni di permeabilità magnetica della lega indotte dall’esercizio, unite a una scarsa sensibilità verso il diametro interno, generano falsi positivi o mancati rilevamenti dei danni negli stadi iniziali.

La risposta più efficace è rappresentata dalla tecnica a ultrasuoni a trasparenza (UT). Utilizzando frequenze medio-basse, si aggira il problema dell’attenuazione causata dal grano grosso della fusione centrifuga. Il sistema invia un fascio ultrasonoro attraverso la parete del tubo per una corda pari a circa il 20-25% della circonferenza. Misurando l’attenuazione dell’energia, è possibile correlare il segnale alla presenza e all’entità di micro-vuoti e cricche interne.

L’innovazione ha compiuto un ulteriore passo avanti grazie allo sviluppo di sistemi robotizzati mobili (crawler) per l’ispezione automatica. In Donegani Anticorrosione, impieghiamo scanner semiautomatici che integrano la tecnologia Phased Array (PAUT) con la profilometria laser 3D, restituendo simultaneamente la mappatura del diametro esterno (O.D.), la misurazione dello spessore e la rilevazione delle fessurazioni da creep.

Viene garantita una copertura del 100% del tubo con assoluta riproducibilità e riduzione dell’errore umano, oltre a offrire un notevole vantaggio logistico. L’ispezione si esegue dall’esterno, senza estrarre il catalizzatore e senza allestire ponteggi.

Life Cycle Assessment: calcolo della vita residua dei componenti

La stima della vita residua dei tubi di steam reforming è un processo probabilistico che unisce i modelli statistici all’analisi della storia operativa dell’impianto. Da un lato ci sono le risultanze oggettive fornite dalle indagini distruttive e non distruttive; dall’altro lato è indispensabile integrare la storia operativa dell’impianto.

Nella valutazione della vita residua concorrono numerose variabili legate alla conduzione del forno, tra cui l’influenza dei bruciatori, i cicli termici subiti e la potenziale formazione di “hot bands” dovute a disuniformità del flusso di calore o ad anomalie del catalizzatore (come perdite di attività o distribuzioni disomogenee). Per un calcolo accurato, diventa quindi strategico monitorare e condividere parametri operativi chiave, quali composizione e portata dei gas, variazioni di pressione, perdite di carico e lo storico di tutte le fermate dell’impianto (programmate e non).

Al termine dell’analisi dei dati operativi e dei controlli non distruttivi, i tubi vengono classificati in tre categorie:

• elevata vita residua;
• ridotta vita residua, da sostituire poiché non sicuri;
• vita residua media, che richiedono valutazioni più complesse per deciderne il mantenimento in servizio.

Per i componenti che ricadono nella terza fascia, si può optare per una sostituzione a breve termine oppure per approfondimenti di livello superiore. Ci si avvale di tecniche di ingegneria Fitness For Service (FFS) o analisi distruttive su campioni di tubo per ridefinire i piani manutentivi e autorizzare un servizio prolungato dell’asset anche oltre le 100.000 ore di progetto a creep, mantenendo la massima affidabilità.

Supporto strategico e competenze specializzate per i turnaround

L’ispezione di asset critici impone l’uso di NDT all’avanguardia e una profonda competenza nell’interpretazione dei dati metallurgici. In questo settore, Donegani Anticorrosione è leader in Italia per i controlli sui forni SMR e supporta da decenni le principali realtà petrolchimiche nell’ottimizzazione del ciclo di vita dei loro impianti.

Oltre all’esecuzione dei rilievi sul campo, il valore aggiunto offerto è una reportistica avanzata. Fornendo una stima accurata della vita residua dei tubi, permettiamo ai plant manager di affrontare i complessi periodi di turnaround con consapevolezza strategica. Le sostituzioni possono così essere pianificate in anticipo, ottimizzando i budget e azzerando i fermi d’emergenza.

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