JP5591217B2 - 天然ガス改質器用触媒管の評価方法 - Google Patents
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Description
本発明は、天然ガス改質器用触媒管の評価方法に関する。
従来、高温および高圧の環境下で使用される各種プラントにおいては、機器を構成する材料が熱劣化によるクリープ変形が余寿命に大きな影響を与えることが知られている。そのため、機器の寿命を評価する手法が種々開発されている（例えば、特許文献１，２など参照）。
天然ガスを改質する天然ガス改質器は、図６に示すように、触媒管本体１１、ショートピース１２、ピグテール１３で構成される触媒管１４を複数備える。触媒管本体１１は、軸心が上下方向に延在するように立設配置されている。ショートピース１２は、触媒管本体１１の下端部に連結され、軸心が上下方向に延在するように立設配置されている。ピグテール１３は、ショートピース１２の下端部に連結され、触媒管本体１１よりも小径をなし、屈曲配置されている。ピグテール１３の他端部がホットコレクタ１５に連結されている。ホットコレクタ１５は、軸心が水平方向（図示例では紙面表裏方向）に延在するように配置されている。ホットコレクタ１５には、触媒管１４と左右対称の位置に図示しない触媒管のピグテールの他端部が連結されている。さらに、ホットコレクタ１５の軸心方向にて所定の間隔で当該ホットコレクタ１５に連結される左右一対の触媒管が配置されている。天然ガス改質器には、複数の触媒管１４が連結されたホットコレクタ１５が複数配置されている。
触媒管本体１１、ショートピース１２、ピグテール１３は、例えば、ＨＰ−Ｎｂ−Ｔｉ（２５Ｃｒ−３５Ｎｉ−Ｎｂ、Ｔｉ）およびアロイ８００Ｈ（Ｆｅ−３２Ｎｉ−２０Ｃｒ）で構成されている。触媒管本体１１は、導入された混合ガス（メタンガス、水蒸気）２１が反応して生成ガス（水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素）２２を生成している。この生成ガス２２は、ショートピース１２、ピグテール１３を介してホットコレクタ１５に流通している。
ところで、触媒管本体１１は、約９００℃以上の炉内に配置されている。ショートピース１２およびピグテール１３は、炉外に配置されるものの、内部を約９００℃のガスが流通している。このように触媒管１１、ショートピース１２、ピグテール１３は何れも高温環境下で使用される機器であり、上述の熱劣化によるクリープ変形が生じることが懸念されている。
上述の天然ガス改質器を備えたプラントにおいては、定期点検時に稼働プラントから触媒管を抜き取り、当該触媒管に対しクリープ試験（破壊試験）を行って評価する手法が採られていた。また、触媒管に対しては、スキャニング（非破壊試験）により形状変化や欠陥有無などを評価する手法などが開発されていた。
ところが、上述のクリープ試験のみによる評価手法では、試験結果から上述の触媒管における寿命初期から末期の段階にて余寿命を定量的に評価することができるものの、破壊試験であり、稼働プラントから触媒管を抜き取ることから評価できる管数が限られていた。上述のスキャニングのみによる評価手法では、比較的直径の大きい触媒管本体の形状変化や欠陥の有無を検査することができるものの、直径が比較的小さいショートピースやピグテールには計測機器を取付けることができず形状変化や欠陥の有無を検査することができなかった。さらに、触媒管本体の形状変化は、熱劣化が比較的進行した寿命後期から末期の段階に生じる現象であって、熱劣化が進行している寿命初期から後期の段階においては余寿命を評価することができなかった。
以上のことから、本発明は前述した課題を解決するために為されたものであって、触媒管本体とショートピースとピグテールとで構成される触媒管の全てに対して比較的簡易に、余寿命を評価することができる天然ガス改質器用触媒管の評価方法を提供することを目的としている。
上述した課題を解決する本発明に係る天然ガス改質器用触媒管の評価方法は、触媒管本体と、前記触媒管本体に連結されるショートピースと、前記ショートピースに連結されるピグテールとで構成される触媒管を複数備える天然ガス改質器を評価する天然ガス改質器用触媒管の評価方法であって、前記複数の触媒管の温度を測定し、温度測定結果に基づき評価対象を選定し、評価対象に選定された触媒管を構成する前記ショートピースおよび前記ピグテールの膨出率を算出し、前記ショートピースおよび前記ピグテールの膨出率が基準値以上であるとき、前記評価対象の触媒管を構成する前記触媒管本体の膨出率を算出し、前記触媒管本体の膨出率が基準値より小さく、渦流探傷試験を行って得られた計測値が基準値より小さい場合に、レプリカ法により前記触媒管の余寿命を評価するようにしたことを特徴とする。
上述した課題を解決する本発明に係る天然ガス改質器用触媒管の評価方法は、触媒管本体と、前記触媒管本体に連結されるショートピースと、前記ショートピースに連結されるピグテールとで構成される触媒管を複数備える天然ガス改質器を評価する天然ガス改質器用触媒管の評価方法であって、前記複数の触媒管の温度を測定し、温度測定結果に基づき評価対象を選定し、評価対象に選定された触媒管を構成する前記ショートピースおよび前記ピグテールの膨出率を算出し、前記ショートピースおよび前記ピグテールの膨出率が基準値以上であり、当該ショートピースおよび当該ピグテールに対し浸透式探傷試験を行って割れが無いと判定された場合に、レプリカ法により前記触媒管の余寿命を評価するようにしたことを特徴とする。
上述した課題を解決する本発明に係る天然ガス改質器用触媒管の評価方法は、前述した発明に係る天然ガス改質器用触媒管の評価方法であって、前記レプリカ法による前記触媒管の評価が、前記触媒管のボイド密度が基準値以上である場合に当該ボイド密度に基づく寿命の評価、前記触媒管のボイド密度が前記基準値より小さく、且つ前記触媒管の酸化層厚さが基準値以下である場合に当該酸化層厚さに基づく寿命の評価、前記触媒管のボイド密度が前記基準値より小さく、且つ前記触媒管の酸化層厚さが前記基準値より大きい場合に、前記触媒管の一次、二次炭化物に基づく寿命の評価の何れかであることを特徴とする。
本発明に係る天然ガス改質器用触媒管の評価方法によれば、測定温度に基づき評価対象を選定し、評価対象に選定された触媒管を構成するショートピースおよびピグテールの膨出率が基準値以上であり、触媒管の膨出率および渦電流探傷試験による計測値がともに基準値より小さいか、または浸透式探傷試験で割れが無い場合に、レプリカ法により前記触媒管の余寿命を評価するようにしたことで、比較的簡易に触媒管全体を評価することができる。
本発明に係る天然ガス改質器用触媒管の評価方法の実施形態を図面に基づいて説明する。
［主な実施形態］
本発明に係る天然ガス改質器触媒管の評価方法の主な実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。
本実施形態に係る天然ガス改質器触媒管の評価方法は、天然ガス改質器に設けられる複数のホットコレクタのそれぞれに連結される、複数、例えば５００本から６００本程度の触媒管に適用される。触媒管は、上述した通り、触媒管本体、ショートピース、ピグテールで構成される。
本発明に係る天然ガス改質器触媒管の評価方法の主な実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。
本実施形態に係る天然ガス改質器触媒管の評価方法は、天然ガス改質器に設けられる複数のホットコレクタのそれぞれに連結される、複数、例えば５００本から６００本程度の触媒管に適用される。触媒管は、上述した通り、触媒管本体、ショートピース、ピグテールで構成される。
本実施形態に係る天然ガス改質器用触媒管の評価方法では、まず、温度を測定し、測定温度に基づき評価対象を選定する。図１に示すように、天然ガス改質器全体の温度を計測する（第１のステップＳ１）。このステップＳ１においては、ホットコレクタの軸方向にて所定の間隔で設けられている温度計で各箇所の温度を計測する。これにより、複数のホットコレクタのどの箇所が高温であるのかを特定することができる。続いて、赤外線サーモグラフィを用いて炉内を観察可能な窓から触媒管の表面温度を計測する。
続いて、第２のステップＳ２へ進み、このステップＳ２にて、相対的に高温となっているエリア、例えば全体に対し約１０％程度のエリアを選定する。つまり、ステップＳ１にて得られた測定結果に基づき、評価対象となる触媒管を選定する。
続いて、第３のステップＳ３へ進み、このステップＳ３にて、第２のステップＳ２により選定された触媒管を構成するショートピースおよびピグテールに対し外径を例えばノギスにより計測し、この計測値とプラントへの設置時のショートピースおよびピグテールの外径の大きさ（設計値）に基づき膨出率を算出する。
続いて、第４のステップＳ４へ進み、このステップＳ４にて、第３のステップＳ３で得られた膨出率が基準値、例えば３％以上であるかどうかを判定する。前記膨出率が３％より小さい場合には、膨出率に基づく評価を実施したショートピースおよびピグテール、前記ショートピースが連結される触媒管本体は寿命をほとんど消費していないと判定し第１５のステップＳ１５へ進む。他方、膨出率が３％以上である場合には、第５のステップＳ５へ進み、引き続きショートピースおよびピグテールに対し割れの有無を試験すると共に、第６のステップＳ６へ進み、第３のステップＳ３において膨出率を算出したショートピースおよびピグテールに連結される触媒管本体に対し評価を実施する。
第５のステップＳ５において、第４のステップＳ４にて膨出率が基準値以上と判定されたショートピースおよびピグテールに対し、浸透式探傷試験を実施し、割れの有無を判定する。割れが無いと判定されると、第９のステップＳ９へ進む。割れがあると判定されると、第２０のステップＳ２０へ進み、評価対象のショートピースおよびピグテールを交換する。
第６のステップＳ６において、第３のステップＳ３において膨出率を算出したショートピースおよびピグテールに連結される触媒管本体に対し、外径を例えばノギスにより計測し、この計測値とプラントへの設置時の触媒管本体の外径の大きさ（設計値）に基づき膨出率を算出する。
続いて、第７のステップＳ７にて、第６のステップＳ６で得られた膨出率が基準値、例えば２％以上であるかどうかを判定する。前記膨出率が２％より小さい場合には、第８のステップＳ８へ進む。前記膨出率が２％以上である場合には、第２０のステップＳ２０へ進み、評価対象の触媒管本体を交換する。
続いて、第８のステップＳ８にて、第７のステップＳ７にて膨出率に基づく評価を行った触媒管本体に対し、渦流探傷試験を実施し、計測値（ボイドの個数／体積）が基準値より小さいかどうかを判定する。前記計測値が前記基準値以上である場合には、第２０のステップＳ２０へ進み、評価対象の触媒管本体を交換する。他方、前記計測値が前記基準値より小さい場合には、第９のステップＳ９へ進む。
続いて、第９のステップＳ９にて、評価対象の触媒管（触媒管本体、ショートピース、ピグテール）に対し、レプリカ法を実施する。つまり、評価対象の触媒管に対し、研磨・エッチングにより金属組織を現出させ、当該金属組織をフィルムなどに転写する。
続いて、第１０のステップＳ１０に進み、このステップＳ１０にて、ボイド密度（ボイドの個数／体積）が基準値よりも小さいかどうかを判定する。前記ボイド密度が前記基準値よりも小さい場合には、当該ボイド密度に基づいては寿命を評価できず、第１２のステップＳ１２へ進む。他方、前記ボイド密度が前記基準値以上である場合には、第１１のステップＳ１１へ進む。
第１１のステップＳ１１にて、評価対象に対しボイド密度に基づき寿命消費率を評価する。例えば、図２に示すように、寿命消費率とボイド密度の関係を示す曲線が寿命消費率約７０％から１００％にて傾きを有することから、評価対象が寿命末期の状態であると判定し、第１５のステップＳ１５へ進む。
第１２のステップＳ１２にて、酸化層厚さが基準値よりも大きいかどうかを判定する。触媒管本体、ショートピース、ピグテールは、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、軸心に穴３１ａを有す管本体３０であって、その外周面全体には、母材３１に対し熱劣化によりほぼ均一の厚さｔの酸化層３２が生成する。この酸化層厚さが前記基準値より大きい場合には、第１４のステップＳ１４へ進む。前記酸化層厚さが前記基準値以下の場合には、第１３のステップＳ１３へ進む。
第１３のステップＳ１３にて、評価対象に対し酸化層厚さに基づき寿命消費率を評価する。例えば、図３に示すように、寿命消費率と酸化層厚さとの関係を示す曲線が寿命消費率０％から約３０％にて傾きを有することから、評価対象が寿命初期から中期の状態であると判定し、第１５のステップＳ１５へ進む。
第１４のステップＳ１４にて、評価対象に対し、一次、二次炭化物により寿命を評価する。一次、二次炭化物と寿命消費率との関係について、図５（ａ）および図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）において、Ｔ１はある特定の時期の評価対象の状態を示し、Ｔ２はＴ１からさらにある期間が経過したある特定の時期の評価対象の状態を示す。図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、一次炭化物が鋳込み、連続（分解）、分断傾向、分断の何れの状態であるのかを特定すると共に、二次炭化物が鋳込み、析出、凝集・粗大化傾向小、凝集・粗大化傾向大の何れの状態であるのかを特定する。これにより、評価対象が寿命のどの段階の状態にあるのかを判定することができる。続いて、第１５のステップＳ１５へ進む。
第１５のステップＳ１５にて、選定した評価対象全てを評価したかを判定する。選定した評価対象全てを評価していない場合には、第３のステップＳ３へ戻り、別の選定した評価対象を評価する。選定した評価対象全てを評価した場合には、当該評価フローが終了となる。
以上説明したように、本実施形態に係る天然ガス改質器用触媒管の評価方法によれば、測定温度に基づき評価対象を選定し、評価対象に選定された触媒管を構成するショートピースおよびピグテールの膨出率が基準値以上であり、触媒管の膨出率および渦電流探傷試験による計測値がともに基準値より小さいか、または浸透式探傷試験で割れが無い場合に、レプリカ法により前記触媒管の余寿命を評価するようにしたことで、比較的簡易に触媒管全体を評価することができる。
レプリカ法による触媒管の評価が、前記触媒管のボイド密度が基準値以上である場合に当該ボイド密度に基づく寿命の評価、前記触媒管のボイド密度が前記基準値より小さく、且つ前記触媒管の酸化層厚さが基準値以下である場合に当該酸化層厚さに基づく寿命の評価、前記触媒管のボイド密度が前記基準値より小さく、且つ前記触媒管の酸化層厚さが前記基準値より大きい場合に、前記触媒管の一次、二次炭化物に基づく寿命の評価の何れかであることにより、触媒管の寿命を簡易に評価することができる。
なお、上記では、レプリカを採取し、ボイド密度による評価、酸化層厚さによる評価、一次、二次炭化物による評価を記載順に行う天然ガス改質器の評価方法について説明したが、レプリカを採取した後に、粗さを計測し、粗さが基準値よりも大きい場合にはレプリカを採取した触媒管を評価対象から外し、粗さが前記基準値以下の場合にはボイド密度による評価、酸化層厚さによる評価、一次、二次炭化物による評価を記載順に行う天然ガス改質器の評価方法とすることも可能である。このような天然ガス改質器の評価方法によれば、上述した天然ガス改質器の評価と比べて評価対象をより正確に選別することができる。
本発明は天然ガス改質器用触媒管の評価方法であり、触媒管に対し交換すべきか否かを非破壊にて適切に判定することができるため、天然ガス改質器触媒が設置されるプラントで有益に利用することができる。
１１ 触媒管本体
１２ ショートピース
１３ ピグテール
１４ 触媒管
１５ ホットコレクタ
２１ 混合ガス（Ｈ2Ｏ，ＣＨ4）
２２ 生成ガス（Ｈ2，Ｈ2Ｏ，ＣＯ，ＣＯ2）
３０ 管本体
３１ 母材
３２ 酸化層
１２ ショートピース
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１４ 触媒管
１５ ホットコレクタ
２１ 混合ガス（Ｈ2Ｏ，ＣＨ4）
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Claims (3)
- 触媒管本体と、前記触媒管本体に連結されるショートピースと、前記ショートピースに連結されるピグテールとで構成される触媒管を複数備える天然ガス改質器を評価する天然ガス改質器用触媒管の評価方法であって、
前記複数の触媒管の温度を測定し、温度測定結果に基づき評価対象を選定し、
評価対象に選定された触媒管を構成する前記ショートピースおよび前記ピグテールの膨出率を算出し、
前記ショートピースおよび前記ピグテールの膨出率が基準値以上であるとき、前記評価対象の触媒管を構成する前記触媒管本体の膨出率を算出し、前記触媒管本体の膨出率が基準値より小さく、渦流探傷試験を行って得られた計測値が基準値より小さい場合に、レプリカ法により前記触媒管の余寿命を評価するようにした
ことを特徴とする天然ガス改質器用触媒管の評価方法。 - 触媒管本体と、前記触媒管本体に連結されるショートピースと、前記ショートピースに連結されるピグテールとで構成される触媒管を複数備える天然ガス改質器を評価する天然ガス改質器用触媒管の評価方法であって、
前記複数の触媒管の温度を測定し、温度測定結果に基づき評価対象を選定し、
評価対象に選定された触媒管を構成する前記ショートピースおよび前記ピグテールの膨出率を算出し、
前記ショートピースおよび前記ピグテールの膨出率が基準値以上であり、当該ショートピースおよび当該ピグテールに対し浸透式探傷試験を行って割れが無いと判定された場合に、レプリカ法により前記触媒管の余寿命を評価するようにした
ことを特徴とする天然ガス改質器用触媒管の評価方法。 - 請求項１または請求項２に記載された天然ガス改質器用触媒管の評価方法であって、
前記レプリカ法による前記触媒管の評価は、
前記触媒管のボイド密度が基準値以上である場合に当該ボイド密度に基づく寿命の評価、
前記触媒管のボイド密度が前記基準値より小さく、且つ前記触媒管の酸化層厚さが基準値以下である場合に当該酸化層厚さに基づく寿命の評価、
前記触媒管のボイド密度が前記基準値より小さく、且つ前記触媒管の酸化層厚さが前記基準値より大きい場合に、前記触媒管の一次、二次炭化物に基づく寿命の評価の何れかである
ことを特徴とする天然ガス改質器用触媒管の評価方法。
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