Avaliação dos danos por alta temperatura em ligas austeníticas utilizadas em fornos de pirólise

7/28/2019 Avaliao dos danos por alta temperatura em ligas austenticas utilizadas em fornos de pirlise

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AVALIAO DOS DANOS POR ALTA TEMPERATURA EMLIGAS AUSTENITICAS UTILIZADAS EM FORNOS DE

PIROLISE1

Paulo Moura Bispo de Santana

2

Sergio Rodrigues Barra3

ResumoO mecanismo de falha dominante em tubos de serpentinas de radiao, aplicadasem fornos de pirlise, advm da ao combinada dos danos provocados porcarburizao e a reduo da dutilidade do material, resultando em deformaeslocalizadas e ovalizaes dos tubos. Neste caso, a ocorrncia do mecanismo de

falha por fratura frgil, durante a operao de parada de emergncia dos fornos,pode resultar em trincas longitudinais em diversos tubos. Por sua vez, a taxa decarburizao no material influenciada pela presena da camada de xidosprotetores e pelo percentual de nquel na matriz. Por fim, a reduo da ductilidadedo metal por mecanismo de fluncia determinada pelo nmero de ciclos deparadas e partidas, ciclos de decoque e a natureza ou severidade das tensesgeradas nestes ciclos.Palavras-chave: Carburizao; Falha; Forno de pirlise; Fluncia.

ASSESSMENT OF DAMAGES BY HIGH TEMPERATURE IN AUSTENITICS

ALLOYS USED IN PYROLISIS FORNACES

AbstractThe dominant failure mechanism for radiant tubes is the combined action ofcarburisation and creep ductility exhaustion. This results in bulging, bending andovalisation of the tubes. The other dominant failure mechanism is brittle fractureduring furnace trips, which can result in large, longitudinal cracks on many tubes.The rate of carburisation is determined by the presence of protective oxide scales,and the nickel content of the matrix. Creep ductility exhaustion is determined by thenumber of cycles of stops and starts, decoque cycles and the nature or severity ofthe tensions generated in these cycles.

Key words: Carburization; Ethylene pyrolysis furnace; Failure; Creep.

1Contribuio tcnica ao 67 Congresso ABM - Internacional, 31 de julho a 3 de agosto de 2012,Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

2Mestre em Engenharia Mecnica pela CIMATEC/UFBA - (UFS/IFBA). Professor/Coordenador doCurso Manuteno Mecnica. IFBA-Instituto Tecnolgico da Bahia.

3Doutor em Engenharia Mecnica pela UFSC - (UFRN). Professor. DEMat / UFRN

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1 INTRODUO

Os produtos gerados pela indstria petroqumica esto fortemente presentes no dia-a-dia, com larga aplicao nos diversos setores industriais, como o de vesturios, oautomobilstico, o hospitalar, entre outros.

Dentre estes produtos, destaca-se, pela sua importncia, o etileno. A produo deetileno, a partir do craqueamento de hidrocarbonetos, inicia-se nas Plantas deOlefinas em equipamentos chamados de fornos de pirlise, nos quais ocorrem asreaes de craqueamento trmico ou pirlise de hidrocarbonetos, utilizando matriasprimas, tais como: as substncias puras etano e propano, ou mistura dehidrocarbonetos como o gs natural, GLP (Gs Liquefeito do Petrleo), naftas,outros. Logicamente, a escolha da matria-prima depender de uma anlisecusto/benefcio onde se levar em conta a sua disponibilidade no mercado, o seupreo, o valor agregado dos subprodutos, as condies operacionais, acomplexidade da planta e, naturalmente, o aporte financeiro necessrio.(1) A Figura 1mostra uma representao esquemtica tpico do forno de Pirlise.

Legenda:1 Entrada de Carga2 Entrada de Vapor de Diluio3 Sada da Carga4 Entrada de gua de Caldeira5 Sada de Vapor6 Sada de Gs de Combusto

Figura 1 Representao esquemtica do Forno de Pirlise.

Durante o processo de craqueamento, por pirlise, h a formao de uma camadade coque que pode chegar ao fim de campanha com aproximadamente 20 mm deespessura, na superfcie interna dos tubos.(2)

Como fator complicante, o coque formado tem um coeficiente de transfernciatrmica bem inferior aos dos tubos das serpentinas, ou seja, apresentacomportamento de um material refratrio, dificultando a transferncia de calor doambiente da caixa para a carga e, consequentemente, incrementando a temperaturana parede do tubo.(3)Com objetivo de se manter a temperatura da superfcie dos tubos abaixo do limitepara que no ocorram danos metalrgicos, determinado pelo material do tubo, realizada uma monitorao em campo a partir da medio da temperatura compirmetro tico em todos os fornos. Como resultado dessa monitorao, definida aretirada do forno de operao para incio da limpeza do coque a partir da injeo devapor, operao denominada de decoque.

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As ligas metlicas utilizadas nos tubos da zona de radiao dos fornos de pirliseso, usualmente, projetadas para possuir uma vida til superior a seis anos,chegando a nove anos, em alguns caso.A taxa de acumulao de dano em servio apresentada o fator limitante naoperao do forno.(4) Dentre os mecanismos de dano usualmente observados,

destacam-se a fluncia e a carburizao.(5)

A carburizao, em particular, ocasionadiversas modificaes nas propriedades dos materiais, tornando-os mais propensos corroso, alm de comprometer sua resistncia mecnica e sua soldabilidade, poiso ingresso e a difuso de carbono provocam aumento de volume do materialmetlico e, como consequncia, a gerao de tenses entre as regies carburizadase no carburizadas da parede do tubo.Segundo Grabke(6) como resultado da carburizao do componente metlico, tem-se:

o aumento do teor de carbono dissolvido na matriz e a precipitaogeneralizada de carbonetos. Com a precipitao dos carbonetos ricos emcromo (M23C6 e M7C3), a composio da matriz torna-se a base de ferro e

nquel, com isso a condio inicial paramagntica altera-se paraferromagntica. Esta alterao no comportamento magntico empregada nadeteco e medio da intensidade de carburizao em fornos petroqumicos;

o aumento de volume do material metlico carburizado e a consequentegerao de tenses entre as regies carburizadas e no carburizadas umdos principais motivos para a ocorrncia de trincas em tubos de fornos depirlise. Como a carburizao avana a partir da superfcie interna do tubo, nadireo da superfcie externa. Esse comportamento provoca tenses decompresso no dimetro interno do tubo e tenses de trao em seu dimetroexterno, o que pode resultar em trincas internas na interface das regiescarburizadas com a no carburizadas; e

a diminuio da dutilidade e da tenacidade provoca a fragilizao do materialem temperatura ambiente, sendo esta a principal causa de ocorrncia defratura com comportamento frgil em parada de emergncia do forno.

(a) (b)

Figura 2 Croqui do mecanismo de formao da camada de xidos. Em (a), ligas que nodesenvolvem proteo por xidos e, em (b), ligas que desenvolvem proteo por de xidosestveis.(7)

Segundo Ramanarayanan,(7) como mostrado na Figura 2 a resistncia carburizao das ligas metlicas depende da resistncia que o material apresenta penetrao e difuso do carbono. No caso das ligas Fe-Ni-Cr, resistente ao calor,a resistncia penetrao do carbono conseguida atravs de duas estratgias:

adio de elementos que propiciem a formao de camadas de xidos

estveis, aderentes e compactas que, quando rompidas, tenham a

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capacidade de se regenerar, como por exemplo, os elementos qumicos:cromo, silcio e alumnio; e

adio de elementos que diminuam a solubilidade e/ou coeficiente de difusodo carbono na liga, por exemplo, os elementos: Nibio, Titnio e Tungstnio.

2 MATERIAIS E MTODOS

2.1 Seleo das Amostras

A escolha da liga austenitica, para o estudo dos mecanismos de danos em altatemperatura, foi motivada pelo fato deste material apresentar o maior histrico dedanos em servio nos fornos pirolise.Nas Tabelas 1 e 2 so apresentados os dados da liga avaliada, obtidos a partir deanlise qumica e ensaio de trao.

Tabela 1 Composio qumica da liga ( % em peso)

C Si Mn Cr Ni Nb Ti0,45 1,5 1,16 25,0 35,0 1,0 0,78

Tabela 2 Propriedades mecnicas da ligaLimite Escoamento Limite Resistncia Alongamento

242 MPa 450 MPa 8 %

A seleo das amostras foi realizada a partir de uma criteriosa inspeo visual emedio da permeabilidade magntica em 48 tubos existentes na serpentina deradiao de quatro fornos de pirolise, localizados em uma planta petroqumica no

municpio de Camaari (BA), com seu tempo de operao variando entre 30.000 a60.000 horas.Como procedimento experimental, os corpos de prova caracterizados por mediode permeabilidade magntica e microscopia tica foram agrupados em cincodiferentes nveis de danos por carburizao, como mostrado na Tabela 3.

Tabela 3 Nveis de danos por carburizao das amostras (parede dos tubos).Nveis de

carburizao Descrio

1 Material novo, sem danos de carburizao.

2 25 % da espessura afetada por danos de carburizao




2.2 Confeco dos Corpos de Prova

As nove amostras selecionadas de tubos envelhecidos em servio e as amostra dotubo novo foram cortadas com uso de lixadeira, de modo que, cada uma das

amostras ficou com o comprimento de 100 cm, como mostrado na Figura 3.

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100cm

z (a) ( b )!Figura 3 Croqui com a vista geral das amostras. Em (a), detalhe do corte inicial e, em ( b),sobreposio da grade no tubo para facilitar a avaliao inicial e diviso das sub amostras.

As grades com dimenses de 30 mm por 70 mm, desenhada em cada uma dasamostras, como mostrado na Figura 3b, objetivou montar uma matriz para facilitar aavaliao e registro do seu nvel de carburizao.Foram selecionadas 24 sub-amostras contendo os cinco nveis de carburizaodescritos na tabela 3 definidos para confeccionar os corpos de prova especficospara cada ensaio, de modo a permitir a caracterizao e a avaliao do efeito decada um destes nveis de carburizao.

Figura 4 Imagem indicando a localizao da grade e forma de corte sub-amostras.

A escolha dos ensaios e as formas de anlises tiveram como premissas, tanto acaracterizao microestrutural por microscopia tica quanto a caracterizao daspropriedades mecnicas por ensaio de trao, de modo a correlacionar estesresultados com os cinco nveis de carburizao, definido como objeto do estudo. Naseleo das amostras foram escolhidas regies do tubo que apresentaramuniformidade na espessura carburizada avaliada da parede do tubo.Em funo das caractersticas da liga estudada, a usinagem final dos corpos deprova metlico (parede do tubo) foi realizada pela tcnica de eletro eroso a fio e ados corpos de prova de coque com disco diamantado.

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2.3 Anlise Microestrutural

Na caracterizao microestrutural foram utilizadas as tcnicas de microscopia tica,metalografia quantitativa, microscopia eletrnica de varredura e anlise qumica porespectrometria de energia dispersiva de raios-x.

2.3.1 Preparao dos corpos de provas para avaliao metalogrficaPara a preparao dos corpos de prova foi utilizado embutimento em resinacondutiva acrlica termoplstica com p de cobre, lixamento manual com sequnciade lixas at 600 mesh e, posteriormente, polimento mecnico, em duas etapas compasta de diamante de granulometria de 15 m e 1 m e velocidade de rotao dodisco de 250 rpm.Para revelar a microestrutura, foi utilizado ataque eletroltico com o reagente cidooxlico, a concentrao de 10%, sob corrente de ataque de 0,5 A e durao de 20 s.

2.3.2 Microscopia tica

Anlise qualitativa foi realizada com o uso do microscpio tico, marca Olympus,modelo BX-60, com luz polarizada, campo claro e aumento variando de 25 vezes a2.000 vezes. Nesta anlise foram utilizados os aumentos 100 vezes, 200 vezes e500 vezes para caracterizar a morfologia das principais fases presentes e aspossveis alteraes metalrgicas provocadas pela formao de carbonetossecundrios e pela difuso de carbono na estrutura do material.

2.3.3 Microscopia eletrnica de varredura com micro anlise qumicaA microscopia eletrnica de varredura (MEV) foi utilizada com a visualizao dasimagens por dois detectores: eltrons retro espalhados (BSD) e eltrons secundrios(SE). O equipamento utilizado foi Microscpio Eletrnico de Varredura Quanta 400 FEI. Foi realizada, tambm, microanlise qumica, por energia dispersiva de raios-x, objetivado levantar o perfil de composio qumica ao longo da espessura docorpo de prova. Foram analisadas onze regies diferentes. O equipamento utilizadofoi a micro sonda eletrnica Oxford Inca Energy 250, acoplado ao MEV. Estesistema possui um programa para correo dos valores medidos, devido influnciade fatores tais como: diferena de nmero atmico (Z), absoro atmica (A),fluorescncia secundria (F), desvio nas intensidades medidas, variao docomprimento de onda, tempo morto e radiao de fundo.As amostras foram preparadas da mesma forma que para a anlise por MEV e oselementos qumicos analisados foram: Fe, Cr, Ni, Mo, Mn, Si e Nb.

2.4 Dilatometria

Objetivando avaliar as propriedades de expanso trmica do coque e dos tubos dosfornos foi realizada uma anlise dilatrometrica em quatro corpos de prova:, dois demetal com nvel de carburizao diferente e dois de coque, como mostrado naTabela 4.

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Tabela 4 - Relao dos corpos de provas do ensaio

Corpo de ProvaMaterial da amostra

Nvel de Carburizao

M-01Metal

Material Novo (0%)

M-02Metal

100% Carburizado

C-01Coque

No se aplica

C-02Coque

No se aplica

Os ensaios foram realizados em um termodilatmetro RB 3000- 20, a uma taxa deaquecimento de 5 oC/min, da temperatura ambiente at 1.000oC.A Figura 5 mostra o coque interno no tubo e o aspecto geral dos corpos de provapreparados para realizao do ensaio.

( a ) ( b )Figura 5 Em (a), exemplo de tubos apresentado a camada interna decoqu e, em (b) detalhe dos

corpos de prova confeccionadas para o ensaio de dilatometria.

2.5 Ensaios Mecnicos

Foram realizados ensaios de trao nas temperaturas de 25C, 800C e 1.000C,visando a verificao da influncia dos cinco nveis de carburizao sobre o limite deescoamento, o limite de resistncia e o alongamento em cada uma das trstemperaturas avaliadas.A escolha das temperaturas para realizao do ensaio de trao se baseou nosseguintes parmetros:

temperatura de 1.000C valor usual do tubo em condies normais de

operao do forno; temperatura de 800C valor que o tubo pode atingir durante a realizao delimpeza por decoque no forno; e

temperatura ambiente valor que o tubo pode atingir, caso ocorra umaparada de emergncia do forno.

Os ensaios foram realizados utilizando-se um mquina de ensaio de traoINSTRON, modelo 5585H, com capacidade de 250 kN. A velocidade dedeslocamento do travesso foi de 1 milmetro/minuto, com retirada do extensmetroem 0,7% ou 1% de deformao.

Metal Coque

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3 RESULTADOS E DISCUSSES

3.1 Anlise Dilatomtrica

A Figura 6 apresenta o resultado da variao dimensional medida no ensaio

realizado nos quatro corpos de prova, dois de metal com nvel de carburizaodiferente e dois de coque.

Figura 6 Resultado da anlise dilatomtrica.

Os resultados obtidos para as duas amostras de coque foram muito prximos, demodo que, suas curvas, apresentadas no grfico da Figura 6, apresentam-sesobrepostas.A anlise dilatomtrica mostrou que o coeficiente do metal novo ligeiramentesuperior ao material carburizado e muito superior ao coque depositado dentro dotubo. Portanto, esperado que ocorrendo reduo na temperatura de parede dotubo a significativa diferena entre o coeficiente de dilatao do coque e o do metalir provocar restrio a contrao do tubo, gerando tenses trativas na paredemetlica.

3.2 Anlise de Tenses Trmicas

Os dados: Dimetro externo do tubo: 103 mm; Espessura do tubo: 7,2 mm;

Temperatura de operao e de formao do coque: 1.100C; Espessura do coque: 10 mm; Mdulo de elasticidade do coque: 400 GPa (referencia: Green, An

Introduction to the Mechanical Properties of Ceramics, Tabela 2, para acermica SiC).(8)

Coeficiente de Poisson do coque: 0,1; Coeficiente de dilatao trmica do coque: 6,4 E-6 /C; e Coeficiente de dilatao trmica do ao: 17,5E-6 /C.

Para verificao das tenses circunferenciais geradas a partir da restrioprovocada pelo coque na contrao do tubo foi utilizado uma simulao pelo Mtodode Elementos Finitos no programa ANSYS verso 7.0, considerando dois cenrios:

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Cenrio 1: o forno sai de operao para realizao de decoque e ocorre umareduo de temperatura de 100C, 150C ou 200oC;

Cenrio 2: o forno sofre uma parada de emergncia com reduo datemperatura em valores entre 500C a 1.000oC.

Tabela 2 - Resumo dos resultados dos ensaios de trao

(Elementos Finitos) (Ensaio de Trao)

DeltaTemp.( oC )

Tenso - ModoElstico(MPa)

Tenso deEscoamento

(MPa)

Tenso deResistncia

(MPa)100 96 80 85150 150 90 100200 210 105 140500 580 220 390

1.000 1.300 280 480

Observando os dados apresentados na Tabela 2, possvel evidenciar que avariao de temperatura do corpo de prova tem efeito direto sobre o valor da tensogerada, de modo que:

para uma variao de temperatura maior que 100oC ser atingida o limite deescoamento, provocando deformao no tubo (Figura 7a); e

para variao de temperatura superior a 500oC a tenso gerada ultrapassalimite de resistncia e coloca o tubo na condio de colapso por fratura frgil(Figura 7b).

ab

Figura 7 Danos tpicos de ocorrncia em tubos de fornos de pirolise aps determinado tempo econdies de operao. Em (a), deformao localizada formao de laranjas e, em (b), trinca porfratura frgil.

3.3 Condies Operacionais do Forno

Ao iniciar o procedimento de decoque existe um tubo de coque interno e tubo demetal externo, como h uma diferena razovel do coeficiente de dilatao entre o

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metal e o coque, o tubo de metal comprimir o coque e dependendo da suaespessura, este tubo interno se quebrar ou resistir gerando tenses trativas naparede metlica do tubo.Portanto para cada ciclo de operao e decoque poderocorrer uma deformao permanente que ser acumulada no tubo at a um limiteque conhecido com a exausto de ductilidade por fluncia.

A combinao de carburizao com o ciclo de deformaes, imposto ao tubo pelapresena de coque e mudanas de temperatura, a causa mais comum doestabelecimento da vida til, pois estes dois mecanismos produzem danos que, aolongo do tempo, tendem a reduzir as propriedades mecnicas dos materiais,principalmente tenacidade e dutilidade, tornando-os mais susceptveis aorompimento frgil.Portanto, a intensidade dos danos acumulados depende dos nveis de temperaturasas quais os tubos foram submetidos e a espessura e tipo da camada de coqueformada. Por exemplo, os tubos das serpentinas, quando apresentam formao decoque interno e submetidos a queda de temperatura tendem a comprimir o coquedevido a diferena de dilatao trmica.

O risco da ocorrncia de trinca com comportamento frgil depende: da severidade do TRI (taxa de reduo da temperatura no metal); da espessura da camada de coque interna. A espessura do coque, no incio

de campanha fina e por isso pode ser quebrada durante o resfriamento dotubo. No entanto, no fim de campanha a espessura da camada de coque significativa e, assim, o tubo metlico no consegue comprimi-la; e

do grau de carburizao do material, que determinado pelo processo deenvelhecimento que o tubo foi submetido.

A Figura 8 apresenta um resumo esquemtico da sequncia de eventos necessriospara ocorrncia de danos nos tubo dos fornos da serpentina de radiao dos fornosde pirlise, considerando o envelhecimento dos mesmos pelo mecanismo decarburizao e os efeitos das condies operacionais.(3)

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Figura 8 Sequncia de eventos necessrios, para ocorrncia de danos por carburizao nos tuboda radiao dos fornos de pirlise.

4 CONCLUSES

Com base nos dados experimentais levantados e nas discusses realizadas possvel inferir que:a) O mecanismo de falha dominante em serpentinas de radiao de fornos de

pirlise uma combinao de danos por carburizao com danos de fluncia,provocados por ciclos de deformaes decorrentes de queda de temperaturacom presena de coque nos tubos;

b) Havendo reduo na temperatura de servio do forno podero ocorrer danosnos tubos, em funo da fragilidade provocada pela extenso carburizadaassociada ao nvel de tenso gerada pelas restries do coque;

c) O mecanismo de falha observado produzir o aparecimento de deformaeslocalizadas conhecidas como laranjas e/ou ovalizaes;

d) Uma queda de temperatura da ordem de 100C a 200 C suficiente parainduzir tais danos; e

e) Caso a queda de temperatura seja mais significativa, da ordem de 500C a1.000oC, como acontece, nas paradas de emergncia do forno, poder ocorrer orompimento frgil de tubos com aparecimento de varias trincas longitudinais degrandes dimenses.

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REFERNCIAS

1 PARKS, S. B., SCHILLMOLLER, C. M.; Use alloys to improve ethylene productionHydrocarbon Processing. 1996;

2 GOMMANS, R., JAKOBI, D.; Typical pyrolysis coil failures and how to combat them ;

Apresentado no Spring National Meeting in New Orleans. 2002;3 SANTANA, Paulo Moura Bispo. Influncia da Carburizao na Falha de Tubos daRadiao de Fornos de Pirlise. Orientador: Sergio Rodrigues Barra. Bahia-Salvador:CIMATEC/UFBA, 2010. 103p. Tese de Mestrado.

4 BIEHL, Luciano Volcanoglo; Estimativa do intervalo de tempo entre as paradas dedecoking em fornos de pirlise - Estudos Tecnolgicos - Vol. 7. 2011

5 NOWAC, S., GUNSCHEL, H.; Pyrolysis of petroleum liquids: Naphthas to crudes.Pyrolysis: Theory and industrial practice; Academic Press. New York. 1983;

6 GRABKE, H. J ., WOLF, I.; Carburization and Oxidation; Materials Science andEngineering. 1987;

7 RAMANARAYANAN, R.A. Petkovic, J .D. Mumford, A. Ozekcin, Carburization of highchromium alloys, Materials and Corrosion 49, No. 4, 226-230. 1998

8 GREEN; An Introduction to the Mechanical Properties of Ceramics. 2000

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