Caso 062: Corrosão, Deformação e Ruptura em Tubos de Forno (1991-2002).

A Petrobrás possui em São Mateus do Sul/PR a unidade para processamento de Xisto, a partir da qual são produzidos óleos, gases e nafta, etc. Esta planta possui uma série de equipamentos especialmente projetados para esta aplicação, sendo um dos mais críticos, do ponto de vista de confiabilidade, o forno de radiação, que utiliza tubos de troca térmica confeccionados em aço inoxidável ferrítico ASTM A268 Gr 446.

Câmara do forno, do tipo vertical, com 8 feixes 

de 30 tubos (ASTM A 268 Gr.446), 

com 15 m de comprimento cada um, sendo 12 m

 na zona de radiação. Possui 12 queimadores.

Neste forno de radiação, o gás de processo, sendo seu constituinte mais agressivo o gás sulfídrico (H2S), entra nos tubos pela parte superior do forno, a uma temperatura de aproximadamente 320°C e sai a uma temperatura de aproximadamente 590°C. Para que este aquecimento seja possível, a temperatura da parede externa do tubo pode chegar a 800°C em alguns pontos. O feixe de tubo é fixado na parte superior por dois suportes de mola, de carga constante, ajustados para 3.400 kgf cada um e a parte inferior é apoiada em um berço fixo, de forma a distribuir a carga e garantir que a porção superior fique em estado de tração.

Os fatos relatados  a seguir ocorreram entre 1991 a 1997 e foram constatados durante as 2 campanhas da unidade neste período.

Vista da fixação superior dos tubos do forno 

onde aparecem os tirantes que são fixados 

ao suporte de mola na parte superior.

Vista externa do forno sem o refratário e tampas, 

onde pode ser vista a fixação superior e inferior dos tubos.

PRIMEIRA CAMPANHA DE PRODUÇÃO

Nesta campanha, o forno entrou em operação em novembro de 1991, e na parada de manutenção seguinte, em maio de 1994, com 19.000 horas, os tubos foram totalmente substituídos em função de trincamento nas soldas de ligação com o coletor superior. Nesta época já se verificavam deformações nos tubos, nas regiões de mais alta temperatura. Essa deformação dos tubos em direção à chama do queimadores provocou diversos rompimentos de tubos e a unidade teve que interromper a produção diversas vezes para manutenção.

Foi observado que os tubos romperam de forma abrupta e frágil causada pela tração nos tubos, decorrente da contração no resfriamento e consequente falta de espaço para movimentação. O embarrigamento causou em encruamento do feixe tubular e, e durante o comprimento final a frio era muito menor que o original, exigindo que o coletor superior se encostasse ao batente após ter vencido todo o curso dos suportes de mola que sustentam o coletor superior.

Deformação dos tubos do forno.

Após bater no batente, a contração térmica foi interrompida gerando tensões de tração elevadas. Estas tensões levaram ao colapso quase a metade dos tubos.

Desta forma, surgiram trincas nas soldas de ligação dos tubos com o coletor superior, principalmente nos tubos localizados na parte central dos feixes. A explicação para ocorrê-las (rupturas) na região central foi a constatação que o coletor superior era flexível. Essa flexão acrescia tensão nos  tubos centrais dos feixes rompendo-os. Para reduzir a flexão foi sugerido um aumento da sustentação através da colocação de mais dois suportes centrais com mola.

Vistas esquemáticas, frontal e lateral, do feixe de tubos deformado (GUIMARÃES, 2002.)

SEGUNDA CAMPANHA DE PRODUÇÃO  

             

Os tubos foram substituídos na parada de manutenção de 1994 de material ASTM A268 Gr 446, porém com duas composições químicas distinta sendo a única diferença, o teor de carbono contidos nos mesmos (446-1 e 446-2, tendo o primeiro, maior teor de carbono).

A segunda campanha inicia em maio de 1994 e termina em novembro de 1997, com a vida útil de 30.168 horas. Esse maior desempenho e produtividade em elação a primeira campanha se deu a melhoria nas condições operacionais, ou seja, melhor controle de temperaturas no interior do forno, redução de ciclagem térmica e alteração no processo de soldagem dos tubos coletores superiores  e inferiores.

Entretanto, os dois conjuntos de feixes que utilizavam o aço 446-2 (menor carbono) saíram de operação devido ao aparecimento de trincas transversais nas regiões onde o tubo apresentava um depósito interno de cor escura extremamente dura e aderente. As trincas não havia atingido a superfície externa, mas era possível verificar na inspeção visual externa, marcas múltiplas e periodicamente espaçadas.

Tubo cortado sem hidrojateamento (a esquerda) e 

com hidrojateamento (a direita), respectivamente, apresentando 

depósito escuro e aderente mesmo após hidrojateamento.

A seção longitudinal, contendo a trinca de um tubo rompido, pode ser observada na metalografia sem ataque, onde pode se distinguir quatro camadas no material.

• A primeira camada com material base;
• A segunda camada onde se pode observar corrosão intergranular;
• A terceira camada apresenta um resíduo proveniente da corrosão;
• A quarta camada mais escura, é um depósito de produtos basicamente oriundos do gás de processo (sulfetação devido a presença de gás sulfídrico).

Trinca propagando de dentro para fora do tubo.

OBS: Esse dano nos tubos ocorria na região de temperaturas máximas obtidas do lado interno da câmara, ou seja, na região mais quente do tubo que fica voltada aos queimadores localizados na região central do forno.

Desta forma, foi observado que as trincas progrediram de dentro para fora em apenas um lado do tubo, na região mais quente. Admitiu-se que a quebra no filme formado  pelo depósito de produtos oriundos do gás de processo, se deu devido à flexão dos tubos. Devido esta quebra, ocorreu o acesso de gás  ás camadas mais internas, ultrapassando o filem formado e atingindo o metal base, facilitando e intensificando o ataque corrosivo ocasionado pelo enxofre neste locais. Com a continuidade deste processo de flexão, unido aos ciclos de variação de temperatura e paradas de manutenção, tem-se a progressão deste processo através do metal base ate que a seção leve ao rompimento do tubo.

CONCLUSÃO

Foi concluído que a causa básica das falhas foi um processo misto de sulfetação em alta temperatura e crescimento de trinca por corrosão preferencial da fase sigma (Fe-Cr), processo este, agravado pela concentração de tensões devido à deformação dos tubos em direção à chama e também intensificada pela ciclagem térmica. O mecanismo é iniciado pela sulfetação homogênea na superfície interna dos tubos, gerando um produto de corrosão composto basicamente de sulfeto de ferro e de cromo, com a possibilidade de existência de sulfato de ferro.

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Fonte:

ANÁLISE DE TUBOS DE AÇO INOXIDÁVEL FERRÍTICO ASTM A 268 GR 446

SUBMETIDOS A TEMPERATURAS ELEVADAS E AMBIENTE COM GÁS SULFÍDRICOS

por Paulo Cesar Ribeiro Porto.

Dissertação para obtenção do título de Mestre em Engenharia

pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2007.

Explanação e anotações das aulas do professor Sérgio Roberto de Paula na

disciplina Fornos de Pocesso, da Equipe de Formação de Inspetores – EFI / SINDIPETRO-LP.