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6ª Conferência sobre
Tecnologia de Equipamentos
CONTRIBUIÇÃO DAS ÁGUAS NATURAIS PARA FALHA EM
PERMUTADORES DE CALOR.
Joelma Gonçalves Damasceno Mota
Hermano Cezar Medaber Jambo
PETROBRAS S.A.
6°° COTEQ Conferência sobre Tecnologia de Materiais
22°° CONBRASCORR – Congresso Brasileiro de Corrosão
Salvador - Bahia
19 a 21 de agosto de 2002
As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade
do(s) autore(s).
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SINOPSE
Estudou-se a evolução do processo corrosivo em casco de aço ASTM A105 GrII e feixe
tubular ASTM B111 B, nos permutadores em circuito semi-série de água salgada, em
função do acréscimo de temperatura. O feixe tubular, com o uso de água do mar, é
severamente afetado por problemas oriundos do superaquecimento da água, como a
formação de carbonatos e obstrução interna dos tubos. Neste sentido a presença de
depósitos de biofilme favorece a corrosão por célula oclusa, encontrada em regiões de
baixa velocidade de fluxo nos tubos.
É apresentada uma revisão dos mecanismos de deterioração de resfriadores que operam
com água natural, seja doce ou salgada, cujo parâmetro mais crítico é a temperatura de
entrada. Altos gradientes de temperaturas entre água e produto podem causar
deformações mecânicas, acarretando vazamentos nas regiões de mandrilagem e
rompimento dos tubos. Considerando os parâmetros temperatura, fluxo, composição
química e presença de agentes biológicos na água do mar, conclui-se que este
equipamento é extremamente sensível a baixa vazão de água de refrigeração e sua
deterioração é predominantemente devida à corrosão sob depósito, na região de mais
altas temperaturas, junto à admissão de produto.
Palavras chaves: Corrosão sob depósito; trocadores de calor; refino.
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1- INTRODUÇÃO
Uma prática na indústria do refino é o uso de trocadores de calor do tipo casco e tubo
operando com água de resfriamento no lado do tubo, constituindo-se resfriadores de
produto. O uso de aço carbono nos componentes estruturais, como casco, carretel e
boleado e, ligas de cobre, especialmente latão, no feixe tubular, tem sido a alternativa
viável para circuitos abertos de água de resfriamento. No entanto, este tipo de trocador
de calor, quando submetido à operação em circuito aberto de água, apresenta corrosão
severa em seus componentes.
As evidências das causas de falha deste tipo de permutador de calor foram obtidas na
Refinaria Duque de Caxias, da PETROBRAS S.A., na unidade de Reforma Catalítica.
Sua carga consiste em nafta de destilação direta, que é armazenada e tratada pela
passagem em três seções principais: Pré-tratamento, Reforma e Estabilização. Foram
enfocados permutadores de calor cuja função é o resfriamento da nafta pré-tratada.
O fomento a este estudo foi a constatação de que a falha de permutadores de calor tem
alto impacto no processo de tratamento, chegando a ser responsável por 39,5% das
perdas anuais de produção na Reforma Catalítica da Refinaria Duque de Caxias.
A metodologia consiste na observação de trechos de tubos, além de evidências de campo
obtidas durante as intervenções de manutenção nos demais componentes do
equipamento.
2- CONDIÇÕES OPERACIONAIS:
Os dados de operação e projeto do resfriador de nafta pré-tratada são relacionados na
Tabela 1.
Resfriador
de
Dados de Operação
Dados de Projeto
nafta pré-tratada CASCO
TUBOS
CASCO
TUBOS
3
Vazão (m /d)
1950
8784
Temperatura
177
29
204,44
79,44
o
Entrada ( C)
Temperatura
41
43
o
Saída ( C)
Pressão
32
4,4
35,85
5,27
2
(Kgf/cm )
Material
ASTM A105 Gr ASTM B111 B
II
Tabela 1. Dados de operação e projeto do Resfriador de nafta pré-tratada.
No interior do casco do permutador de calor circula nafta pré-tratada, efluente do reator
de pré-tratamento, onde a nafta de destilação direta sofre ação catalítica no sentido de se
obter gasolina de elevado índice de octana, ou produzir concentrado em hidrocarbonetos
aromáticos, utilizados como matéria prima em indústrias petroquímicas.
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Figura 1. Desenho esquemático do resfriador de nafta pré-tratada.
Perda de Produção (%)
Neste sentido a falha de resfriadores de nafta pré-tratada interrompe a operação da
unidade, impactando significativamente a produção de nafta reformada da Refinaria.
Foram levantados dados de perda de produção, no período de um ano, constatando-se
que 40,8% do tempo de perda de produção foi devido a problemas em equipamentos
diversos, nos quais 39,5% são devidos a permutadores de calor. Os gráficos apresentam
as perdas de produção relativas a causa básica de interrupção de produção (Gráfico 1),
divisão de perda de produção por equipamento (Gráfico 2) e divisão de tipo de causa que
fomentou a ocorrência de manutenção (Gráfico 3).
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
EQUIPAMENTOS
PARADA PROGRAMADA
OUTROS EVENTOS
UTILIDADES
Gráfico 1. Percentual de responsabilidade por Perda de Produção na Reforma Catalítica.
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Perda de Produção (%)
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40
35
30
25
20
15
10
5
0
PERMUTADORES DE CALOR
TUBULAÇÕES
BOMBAS
Gráfico 2. Percentual de responsabilidade de interrupção de operação dentre os
equipamentos da Reforma Catalítica.
Perda de Produção (%)
25
20
15
10
5
0
MANUTENÇÃO EMERGENCIAL
PARADA POR FURO
LIMOEZA INTERNA
Gráfico 3. Causas de interrupção de produção na Reforma Catalítica por tipo de
intervenção nos permutadores de calor.
3- ASPECTOS DE AMOSTRAGEM:
Os dados desse estudo relativos ao casco foram obtidos durante as intervenções de
manutenção no equipamento em operação, não sendo portanto retiradas amostras
especificamente para tal.
Os tubos têm as seguintes características:
Material – latão alumínio ASTM B111 B ( 79% Cu, 2,5% Al, Zn)
Dimensões- 5486mm, Diâme tro externo 19,05mm.
Os trechos de tubos enfocados na amostragem possuem comprimento de 200mm,
cortados em sua extensão longitudinal para visualização da superfície interna.
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4- RESULTADOS E DISCUSSÃO:
A admissão de produtos no permutador pelo casco, com temperatura entre 115 e 130ºC,
e o resfriamento forçado pela circulação de água natural salgada em seus tubos, objetiva
que a troca térmica permita atingir temperatura de saída do efluente entre 40 e 45ºC. A
temperatura de entrada do produto é elevada, sendo este o parâmetro mais crítico do
equipamento relativo à deformação mecânica. As deformações mecânicas ocorrem pelo
elevado gradiente de temperatura entre água e produto, podendo acarretar vazamentos na
região de mandrilagem dos tubos ou até mesmo o seu rompimento. A foto 2, ilustra
deformações observadas em intervenção de manutenção no campo.
Foto 2. Deformação mecânica oriunda de gradiente de temperatura no feixe tubular.
No interior dos tubos circula água salgada oriunda do sistema aberto de resfriamento,
com baixa temperatura de entrada e saída, em relação ao produto do casco. Ainda
fomentado pelo alto gradiente de temperatura entre a entrada de produto e entrada de
água, ocorre o superaquecimento e conseqüente ebulição da água salgada no interior do
tubo. Os efeitos deste superaquecimento estendem-se desde a formação de carbonatos e
outros sais na superfície interna, até a formação de depósitos orgânico-salinos,
incrementado ainda pelo baixo fluxo de água em períodos aleatórios de maré. Se a
velocidade de circulação for pequena, ocorre a deposição de sólidos e a probabilidade de
corrosão por aeração diferencial aumenta. Cruse e Pomeroy2 citam o desenvolvimento
de microorganismos presentes em água do mar como fatores decisivos para o
crescimento biológico na água, criando condições para aceleração da corrosão devido a
corrosão sob depósito. Portanto os processos de deposição estão estreitamente
associados a ambos fatores, ação de altas temperaturas fomentando as incrustações
salina s e ação microbiológica, favorecendo a corrosão sob os depósitos orgânico-salinos
formados.
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Foto 3. Formação de carbonato de cálcio no interior dos tubos.
De um modo geral o aumento da temperatura acelera a corrosão, pois têm-se o aumento
da condutividade do eletrólito e da velocidade de difusão dos íons e possivelmente a
diminuição da polarização. A atividade biológica cresce e ocorre alteração no equilíbrio
químico envolvido na precipitação do carbonato de cálcio 3 e outros sais. Somando-se a
essa precipitação ocorre a decomposição pelo aquecimento do bicarbonato de cálcio,
Ca(HCO3 )2 , presente na água do mar:
Ca(HCO3 )2 → CaCO3 + CO 2 + H2O
As evidências acima podem ser melhor esclarecidas pela observação do Gráfico 4. São
apresentados os dados de temperatura obtidos no painel de controle da unidade de
Reforma Catalítica. Nesta ocoasião o fluxo de água do mar no interior da unidade foi
fortemente reduzido devido a ocorrência de baixa maré. Os dados mostram a
temperatura de saída em aproximadamente 100 o C, em região onde o padrão operacional
é aproximadamente 40 o C. No dia posterior a ocorrência, houve vazamento em tubos
devido a ação severa da corrosão na condição anormal.
Gráfico 4. Valores das temperaturas de saída da água do E-202. Notar o elevado valor
de temperatura ocorrido no dia 29 de agosto.
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As fotos 3, 4 e 5 apresentam evidências de campo da ação da corrosão sob depósito, na
região de maior gradiente de temperatura, entrada de produto no resfriador.
Foto 3. Aspecto do espelho na região de entrada de carga, com grande quantidade de
depósito biológico.
Foto 4. À esquerda, corrosão sob depósito na região de entrada de carga, espelho
flutuante. À direita, nota-se a presença de óxidos de ferro (cor alaranjada) e cobre,
indicando que a corrosão já atingiu a região em aço do espelho flutuante.
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Foto 5. À esquerda aspecto da integridade do espelho fixo no mesmo passe. À direita
aspecto do tubo na região do espelho flutuante (foto 4), região central e espelho fixo,
extremidade direita.
5-CONCLUSÕES:
•
•
•
Os permutadores de calor que operam com água do mar para resfriamento em
circuito aberto podem ser extremamente sensíveis à oscilações de vazão e
aumento de temperatura, observando-se as condições descritas no item 2.
O processo de deterioração observado é predominantemente devido à corrosão
sob depósito, na superfície interna dos tubos, preferencialmente na região do
espelho flutuante, junto à admissão de produto, pela ocorrência de maiores
temperaturas.
O uso de água natural do mar para resfriamento em permutadores de calor
favorece a formação de compostos orgânico-salinos que associados a oscilações
de temperatura de processo fomentam o crescimento de biofilme e ocorrência de
incrustações diversas, principalmente devidas a carbonato de cálcio, observando
a associação de mecanismos descrita no item 4.
6- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) Dillon, C.P., “Galvanic Corrosion of Heat Exchangers”, Materials Performance,
USA, Volume 28, Number 1, 67-8, (Jan) 1989.
(2) Cruse, H. e Pomeroy, R. “Corrosion of copper pipes”, JAWWA, 66, 479-483
(1974).
(3) Gentil, V., “Corrosão”, 3a edição, Rio de Janeiro, LTC, 1996, pág 168-170.