Protective Coatings Against Surface Fouling and Sulfidation in Heavy Oil Environments

L'encrassement reste un défi persistant dans l'industrie pétrochimique, en raison de la nature dynamique de la composition des matières premières et des conditions de fonctionnement difficiles. Lors du traitement des huiles lourdes, les températures élevées et la forte teneur en soufre accélèrent considérablement l'encrassement, principalement par sulfuration et dépôt de coke. L'imprévisibilité de la composition des matières premières complique également le développement de solutions universelles, car les couches d'encrassement formées sont en constante évolution. Maintenir l'intégrité des composants critiques tels que les vannes est essentiel pour assurer la sécurité du processus en prévenant les fuites et en gardant une étanchéité adéquate. Les matériaux utilisés dans les applications de vannes doivent donc présenter un équilibre entre résistance, ductilité, stabilité thermique et résistance à la fatigue. Bien que les alliages à base de nickel comme l'Inconel 718 offrent d'excellentes propriétés mécaniques, ils sont très sensibles à la sulfuration et présentent une résistance à l'usure insuffisante, nécessitant l'utilisation de revêtements protecteurs. Un modèle phénoménologique a donc été proposé pour décrire le mécanisme d'encrassement initial de l'Inconel 718 et du Wallex 50. Ce modèle a ensuite été complété en y intégrant le vieillissement des couches encrassantes basé sur une analyse de défaillance d’échantillons prélevés sur le terrain contenant du Ni. De plus, nous avons développé et mis en œuvre une méthode d’imagerie optique pour une évaluation semi-quantitative du degré d’encrassement. Les revêtements HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), généralement composés d'alliages à base de cobalt mélangés à des carbures, sont devenus la norme industrielle pour les vannes, renforçant leur résistance à l'usure et offrant une meilleure protection contre la sulfuration par rapport aux alliages de nickel non revêtus. Cependant, ces revêtements métalliques restent vulnérables à l'encrassement, ce qui peut provoquer le blocage des vannes et une défaillance opérationnelle due à l’application d’un couple accru. En réponse à ces défis, des revêtements HVOF de seconde génération ont été développés comme alternative aux normes actuelles. Plus précisément, les revêtements Co-2 et Co-3, après traitement thermique, ont montré une réduction significative de l'encrassement de surface, en faisant des candidats prometteurs pour une application industrielle.

Abstract

Fouling remains a persistent challenge in the petrochemical industry, driven by the dynamic nature of feedstock composition and harsh operating conditions. During heavy oil processing, elevated temperatures and high sulfur content significantly accelerate fouling, primarily through sulfidation and coke deposition. The unpredictability of feed composition complicates the development of universal solutions, as the fouling scales formed are constantly changing. Maintaining the integrity and functionality of critical components such as valves is essential to ensure process safety by preventing leaks and ensuring proper sealing. Materials used in valve applications must possess a balance between strength, ductility, thermal stability, and fatigue resistance. While nickel-based alloys like Inconel 718 offer excellent mechanical properties, they are highly susceptible to sulfidation and lack adequate wear resistance, necessitating the use of protective coatings. In the present work, a phenomenological model was proposed to describe the initial fouling mechanism of Inconel 718 and Wallex 50. This model was later complemented by addressing scale aging based on failure analysis of Ni-containing field samples. In addition, we have developed and implemented an optical imaging method for semi-quantitative assessment of the degree of fouling. HVOF-sprayed coatings, typically composed of cobalt-based alloys mixed with carbides, have become the industry standard for valves, enhancing wear resistance and providing better sulfidation protection compared to bare nickel alloys. However, these metallic coatings remain susceptible to fouling, which can lead to valve seizing, and operational failure due to increased torque. In response to these challenges, second-generation HVOF coatings were developed as alternatives to current benchmarks. Coatings such as Co-2 and Co-3, after undergoing heat treatment, exhibited significantly reduced surface fouling, making them viable candidates for industrial implementation.