Análise estrutural e cálculo de vida em fadiga de reatores de coqueamento

Abstract

Resumo: Os tambores de coque são vasos de pressão utilizados em refinarias de petróleo, nas Unidades de Coqueamento Retardado, as quais convertem frações pesadas, como resíduo de vácuo e resíduo atmosférico, em frações mais leves, como gasóleo, nafta, gás liquefeito de petróleo e gás combustível. Esses equipamentos apresentam um grande histórico de problemas, como surgimento de trincas e deformações plásticas acumuladas, devido à intensidade dos carregamentos termomecânicos e cíclicos aos quais são submetidos. O presente trabalho tem por objetivo avaliar a influência de parâmetros térmicos e operacionais sobre a vida em fadiga de um tambor de coque. Após uma breve explanação sobre o processo das Unidades de Coqueamento Retardado, é apresentado o tambor de coque em operação, objeto deste estudo, no qual são realizadas medições de temperaturas de parede. Através de análises numéricas via Método dos Elementos Finitos, obtém-se o campo de tensões na região da ligação saia-casco e, a partir deste campo, estimase a vida em fadiga do equipamento, pelo código ASME Section VIII Division 2 Part 5 (2007). São obtidos diversos resultados a partir de modelos que avaliam diferentes parâmetros, térmicos e operacionais. Os resultados possibilitam uma avaliação da influência destes sobre a vida em fadiga de tambores de coque, e contribuem para uma melhor compreensão dos fenômenos termomecânicos que atuam durante a operação e regem o campo de tensões, principalmente na ligação saia-casco, que é uma das regiões críticas destes equipamentos. Pelos resultados encontrados, a redução no gradiente de temperaturas entre as regiões superior e intermediária da saia em 50% ao longo de todo o ciclo causa um aumento de aproximadamente 10% na vida em fadiga do tambor. Adicionalmente, uma redução de 1°C na temperatura de switch causa uma redução de 0,9% na vida em fadiga do equipamento.

Abstract: Coke drums are pressure vessels utilized in Delayed Coking Units of oil refineries which convert heavy fractions, like vacuum and atmospheric residues, into lighter product streams like gas oil, naphtha and gases. These equipments have a large history of problems, such as cracks and cumulative plastic deformations, due to the severity of the thermomechanical and cyclic loadings to which they are submitted. This work has as a goal to assess the influence of thermal and operacional parameters on the fatigue life of a coke drum. After a brief explanation about the process of the Delayed Coking Units, the coke drum wich is the object of this study is presented. This equipment is in operation with skin temperatures measurements. Through numerical analysis by Finite Element Method, the stress field in the region of the skirt to shell attachment is obtained. From this field, the fatigue life of the equipment is estimated through the ASME Section VIII Division 2 Part 5 (2007). Several results are obtained from models that evaluate different parameters, thermal and operational ones. The results allow an evaluation of their influence on fatigue life of coke drums, and contribute to a better comprehension of the thermomechanical phenomena wich act during operation and rule the stress field, mainly in the skirt to shell attachment, wich is one of the critical regions of these epquipments. Through the obtained results, a 50% reduction in the temperature gradient between the upper and intermediate regions of the skirt throughout the whole cycle increases the fatigue life of the coke drum by about 10%. Additionally, the reduction of 1°C in switch temperature reduces the fatigue life of the equipment by 0,9%.