Asignatura #4 (Anteproyecto) - investigacion

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS DE POSTGRADO
TÍTULO DEL TRABAJO
TAMBORES DE COQUIZACIÓN RETARDADA: ANALISIS DE ESFUERZOS
DE UN DISEÑO ALTERNATIVO DEL SOPORTE DE FALDA
TRABAJO FINAL DE GRADO PRESENTADO A LA UNIVERSIDAD
SIMÓN BOLÍVAR POR:
Ing. Cesar Peña.
REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE
Magíster en Ingeniería Mecánica
REALIZADO CON LA ASESORÍA DE:
Prof. XXX (Tutor Académico)
MSc. Egler Araque (Tutor Industrial)
RESUMEN.
La industria petrolera ha desarrollado distintos soportes de falda utilizados en
los recipientes de coquización retardada con la finalidad de reducir los
agrietamientos detectados en la unión faldón-recipiente. Uno de estos diseños
es el soporte de falda con slots.
El objeto de este trabajo es realizar un estudio paramétrico del soporte de falda
con slots de un tambor de coquización retardada con la finalidad de establecer
la influencia de los parámetros geométricos del soporte de falda con slots sobre
los esfuerzos generados en la unión faldón-recipiente.
Los recipientes de coquización retardada son recipientes a presión operados
bajo severas condiciones de calentamiento y enfriamiento cíclico, por lo que
son susceptibles a la fatiga térmica. Dichos recipientes forman parte primordial
de la Unidad de Coquización Retardada, la cual además del recipiente de
coquización esta conformada por torres fraccionadoras, hornos y otros equipos.
El proceso de coquización se lleva a cabo esencialmente en el recipiente, por
ende la criticidad de este equipo. Un diseño deficiente del mismo puede
conducir a paradas frecuentes y bajar la producción de la unidad.
PALABRAS CLAVES: Recipientes de Coquización Retardada, Elementos
Finitos, Esfuerzos Térmicos, Flexibilidad
INTRODUCCIÓN
El proceso en las unidades de coquización retardada (Ver Figura.1) tiene como
objetivo convertir residuos provenientes de las plantas de destilación al vacío
en productos de mayor valor agregado (gases licuados de petróleo, naftas y
gasóleos), junto con la producción de coque sólido como subproducto. Se
puede definir a la coquización retardada como la descomposición térmica de
hidrocarburos de alto peso molecular (craqueo térmico), siendo este un
proceso semi-continuo y netamente térmico.
Función: Transformar hidrocarburos pesados
AREA
COQUIZACION
AREA
RECUP. VAPORES
AREA
RECUP. LIVIANOS
AREA
FRACCIONAMIENTO
GAS
MECH.
GAS
COMPRESOR
GASES
7
TAMBORES
COQUE
(4)
NAFTA
FRACC.
PRINCIPAL
T
O
R
R
E
S
C3/C4
NAFTA
GASOLEOS
LIV./PES.
LIV./PES.
FONDOS
ALIMENTACION
VACIO
HORNOS
(2)
SISTEMAS AUXILIARES
TQ
(2)
REFINERIA
SLOP
A TQS
AGUAS AGRIAS
AGUA TRAY/CRUDA
TQ
GRUA
AREA
MANEJO COQUE
BARCO
AGUA
CORTADO
DE FOSA
COQUE
A SISTEMA
CORTADO
FOSA
COQUE
PATIO
COQUE
Figura.1. Diagrama simplificado de la Unidad de Coquificación Retardada
Fuente: Manual de Operaciones [1].
La unidad de coquización retardada esta conformada principalmente por: la
columna fraccionadora, el horno y el recipiente de coquización. El proceso de
coquización se lleva a cabo esencialmente en el recipiente, por ende la
criticidad de este equipo. Un diseño deficiente del mismo puede conducir a
paradas frecuentes y bajar la producción de la unidad.
Durante el ciclo de coquización (Ver Figura.2), el recipiente inicialmente es
sometido a un pre-calentamiento antes de la etapa de llenado de crudo. Luego
durante la etapa de llenado la temperatura del recipiente varía desde 450°F
hasta 800°F y la presión del tambor varia desde la atmosférica hasta 50 psi.
Durante esta etapa en el interior del recipiente se logra estabilizar la
temperatura del crudo mientras que los hidrocarburos livianos, resultantes de
las reacciones de coquización, son removidos por inyección de vapor.
Seguidamente el recipiente y el crudo empiezan a enfriarse lentamente y a su
vez el coque se va formando en el interior del recipiente. Finalmente el
recipiente y su contenido son enfriados abruptamente por inyección de agua
durante la etapa de quenching y luego el coque solidó resultante en el interior
del recipiente es removido del tambor.
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800
700
Temperatura (F)
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Tiempo (hr)
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De
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Tiempo del ciclo
Figura.2. Ciclo de Coquización Retardada (Temperatura medida por una RTD)
Fuente: Elaboración propia.
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Hoy día, la industria petrolera busca disminuir el tiempo del ciclo de
coquización para aumentar la producción. No obstante, disminuir el tiempo del
ciclo de coquización tiene un efecto contraproducente en la integridad
estructural del recipiente de coquización retardada, ya que disminuir el tiempo
del ciclo de coquización implicará tener cambios de temperatura más severos
en la estructura del recipiente durante las etapas de llenado y quenching. Los
cambios de temperatura más severos generan esfuerzos térmicos más altos en
la estructura del recipiente lo cual trae como consecuencia un mayor deterioro
del recipiente.
La industria con el objeto de reducir los agrietamientos detectados en la unión
faldón-recipiente originados por la disminución del tiempo del ciclo de
coquización ha desarrollado un diseño alternativo del soporte de falda del
recipiente, el cual esta basado en el aumento de flexibilidad en la falda a través
de la introducción de slots en la misma. Sin embargo, este prototipo de falda
no ha podido atenuar totalmente dichos efectos contraproducentes generados
sobre la integridad estructural del recipiente cuando se disminuye el tiempo del
ciclo de coquización retardada.
Basado en lo dicho anteriormente, el presente trabajo estará dirigido a realizar
un estudio paramétrico del soporte de falda con slots de un tambor de
coquización retardada con la finalidad de establecer la influencia de los
parámetros geométricos del soporte de falda con slots sobre los esfuerzos
generados en la unión faldón-recipiente. El estudio paramétrico será realizado
a través de varias simulaciones utilizando el Método de Elemento Finito (MEF)
y los resultados numéricos serán validados por medio del análisis de
convergencia y data tomada en campo.
ANTECEDENTES
En 1958, Weil N.A. and Rapasky F.S.[1], basándose en el estudio de 16
plantas de coquización retardada determinaron los principales problemas que
afectan a los tambores de coquización retardada, los problemas más
frecuentes obtenidos en este estudio son: a) deformación en el casco y en el
cuello de la brida del fondo y b) agrietamiento en: la soldadura en la unión
faldón-recipiente, alrededor de la soldadura de las boquillas, la soldadura entre
el cono y el cuello del pasa-hombre y en el revestimiento interno del recipiente.
En el año 1996, Ramos, Hasegawa, et. all [2], desarrollaron una metodología
para la evaluación de fatiga térmica en recipientes de coquización retardada,
esta metodología permite evaluar equipos sometidos a esfuerzos térmicos
utilizando las propiedades reales de los materiales de fabricación (1Cr-1/2Mo y
1¼Cr-1/2Mo), las cuales fueron determinadas por medio de pruebas de
laboratorio. Se realizó la simulación de los esfuerzos y deformaciones térmicas
en la porción inferior del recipiente y la zona central del mismo utilizando el
método del elemento finito.
Boswell, Farraro, Sober; [3] en el año 1997, realizaron el estudio de la vida
remanente de un par de tambores de coquización retardada. Los resultados de
esta evaluación demostraron la relación entre la falla de los tambores, con la
fatiga de bajo ciclo. La medición de deformación por medio de galgas fue una
importante herramienta para definir los rangos de las cargas de esfuerzos
experimentados por el tambor de coquización retardada durante su operación.
En el año 1998, Ramos, Ríos, et all [4], evaluaron los tambores de coquización
retardada de 1Cr- ½Mo en servicio que operan en ciclos de altas temperaturas.
El objetivo de este estudio fue establecer el efecto de la operación en la
confiabilidad de los tambores a largo plazo. Para ello utilizaron los resultados
del estudio de campo y el análisis por el método del elemento finito de las
respuestas obtenidas del tambor bajo diferentes condiciones de operación.
Determinaron que el enfriamiento desigual de la pared del tambor durante la
fase inicial del quenching causa la mayoría de los daños en la pared. También
indican que la fatiga de bajo ciclo (LCF, por sus siglas en ingles), causada por
esfuerzos cíclicos, es la causa principal de daño en la mayoría de los tambores
de coque.
Baxter J.E [5]; en su trabajo “Optimization of Coke Drum Support Skirt For
Faster Operation” en 1998, presentó la evaluación de cinco parámetros para la
optimización del diseño de los soportes de los tambores de coquización. Esto
con el fin de reducir la intensidad de los picos de los esfuerzos durante
operaciones de los ciclos de menor tiempo y alcanzar un ahorro adicional al
optimizar el diseño de la falda del equipo. Para esto desarrolló 5 modelos
geométricos diferentes, a los cuales les realizó análisis térmico y análisis de
esfuerzos por el método del elemento finito. El diseño optimo obtenido para las
condiciones de operación y basado en los cinco parámetros que se estudiaron,
redujo el costo en aproximadamente 25,000 dólares y disminuyo la intensidad
del pico de esfuerzo máximo alrededor de 22% con respecto a los diseños
usados en condiciones similares.
En 1999, Rutt D. K.y Clark R.D [6], realizaron una revisión de las filosofías de
inspección de los tambores de coque y presentaron nuevos desarrollos que
apuntaron a una mejor predicción de las fallas de los tambores de coque.
Identificaron
concentraciones
de
esfuerzo,
causada
por
distorsión
y
abombamiento en los tambores. Para ello se basaron en un caso en estudio,
de un tambor de coque, donde se conocían grietas en la soldadura a través de
la pared. Los resultados indicaron que deformaciones locales pueden tener un
alto impacto en el tiempo de iniciación de la grieta en la soldadura y dichas
deformaciones son cercanas a las soldaduras circunferenciales.
Harbi Pordal [7], en el año 2001, evaluó la física del flujo asociada a la
formación del coque por coquización retardada. Concluyó que a pesar de la
complejidad que este fenómeno presenta, las técnicas numéricas junto con
métodos analíticos se pueden aplicar para obtener una comprensión detallada
de la física del flujo. Al igual que las ineficiencias asociadas al equipo se
pueden identificar con modelos analíticos, alcanzando así pequeñas mejoras
en la eficiencia del proceso que pueden dar lugar a la reducción significativa de
los gastos de operación y reemplazos.
JUSTIFICACION
Los tambores de coque son recipientes a presión, usados en el proceso de
coquización retardada para el proceso de refinación de crudo pesado en las
refinerías. Estos equipos son sometidos a severos calentamientos y
enfriamientos cíclicos, lo que genera esfuerzos térmicos repetitivos sobre la
estructura de los tambores. En consecuencia los tambores de coque después
de cierto tiempo de operación presentan abombamientos que se extienden de
forma parcial o completa sobre la parte cilíndrica del recipiente y presentan
agrietamientos en; la unión faldón-recipiente, en los cordones de soldadura del
tambor, alrededor de la soldadura de las boquillas y en el revestimiento interno
del recipiente. Como resultado se tiene aumento en los costos de operación
debido a paradas no programadas y aumento en los costos de mantenimiento
debido a los mantenimientos asociados a estos equipos. Por ende, debido a la
criticidad de este equipo es que se propone realizar un estudio paramétrico del
soporte de falda con slots para determinar la influencia de los parámetros
geométricos del soporte de falda con slots sobre los esfuerzos generados en la
unión faldón-recipiente.
Sumado a lo anterior, actualmente los tambores de coque que se utilizan en las
refinerías venezolanas se encuentran cerca de cumplir el tiempo de vida útil
estimado y los nuevos proyectos de refinerías enmarcados en el “Plan Siembra
Petrolera” contemplan la implantación de nuevas Unidades de Coquificación
Retardada. Por ende, también es importante mejorar los nuevos diseños de los
tambores de coquización y adecuar dichos diseños a las exigencias y
condiciones de operación de las refinerías venezolanas.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Establecer la influencia de los parámetros geométricos del soporte de falda con
slots de un tambor de coquización retardada sobre los esfuerzos generados en
la unión faldón-recipiente.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Examinar los datos de diseño, datos de operación e histórico de fallas de
recipientes de coquización retardada.
Generar los modelos en elementos finitos de los tambores de coque con
soportes de falda con slots, variando los distintos parámetros geométricos del
soporte.
Establecer las condiciones de carga y borde de los modelos
Realizar análisis termo-mecánico de los modelos
Evaluar para cada modelo los esfuerzos generados en la unión faldónrecipiente mediante los criterios establecidos en la norma API 579.
Evaluar para cada modelo el efecto de las cargas cíclicas en la vida a fatiga
del recipiente a través de la metodología expuesta en el Apéndice 5, del Código
ASME, Sección VIII, Div.2.
Determinar los parámetros geométricos del soporte de falda con slots de
mayor influencia en la integridad mecánica de la unión faldón-recipiente.
Establecer las relaciones óptimas entre parámetros geométricos del soporte
de falda con slots que disminuyan los esfuerzos generados en la unión faldónrecipiente.
METODOLOGIA
La metodología de análisis planteada para el trabajo fue la siguiente:
1. Revisión de publicaciones y normas.
2. Examinar los datos de diseño, datos de operación e histórico de fallas de
recipientes de coquización retardada
3. Recopilar las propiedades mecánicas, térmicas y de fatiga del material de
construcción del recipiente de coquización sometido al análisis.
4. Construir los diferentes modelos geométricos en elemento finito de los
tambores de coque con soportes de falda con slots variando únicamente las
dimensiones de los parámetros geométricos del soporte.
5. Establecimiento de las condiciones de borde para todos los casos de
estudio:
5.1. Para el análisis de transferencia de calor se consideraran las propiedades
físicas del material del tambor dependientes de la temperatura (conductividad
térmica, calor específico), las cuales serán obtenidas del Código ASME,
Sección II, Parte D, “Material Properties”. El efecto de la radiación a lo largo de
la caja caliente (hot box), la conducción a través del material de revestimiento y
la convección con el entorno serán usados como condiciones de borde, así
como también las mediciones de temperatura realizadas en campo.
5.2. Para el análisis termo-mecánico desacoplado se restringirá el movimiento
vertical en la base de la falda y se utilizaran los resultados de la distribución de
temperatura transitoria para el recipiente obtenida del análisis de transferencia
de calor anterior. La presión interna y las cargas por peso también serán
incluidas como condiciones de borde en este análisis. Se considerará
únicamente el comportamiento elástico del material.
6. Realizar análisis de transferencia de calor y análisis termo-mecánico
mediante el método de elementos finitos para todos los casos de estudio
propuestos con la finalidad de determinar la distribución de los esfuerzos
resultantes.
7. Basado en la experiencia de agrietamientos y abultamientos ocurridos en
recipientes de coquización retardada y gracias a la disponibilidad de
mediciones de esfuerzos en campo, se seleccionará como la sección a evaluar
a la unión faldón-recipiente del tambor. Se realizará la evaluación estructural y
de fatiga (iniciación de grietas) mediante los criterios establecidos en las
normas API 579 y el Apéndice 5 del Código ASME, Sección VIII, Div.2,
respectivamente.
8. Establecer las relaciones óptimas entre parámetros geométricos del soporte
de falda con slots que disminuyan los esfuerzos en la unión faldón-recipiente.
9. Elaboración y presentación del libro de tesis.
CRONOGRAMA
TABLA.1 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
ETAPAS/MESES
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Revisión de publicaciones y normas / Examinar los datos de diseño,
datos de operación e histórico de fallas de recipientes de coquización
retardada / Recopilar las propiedades mecánicas, térmicas y de fatiga
del material de construcción del recipiente de coquización sometido al
análisis
Construir los diferentes modelos geométricos en elemento finito de
los tambores de coque con soportes de falda con slots variando
únicamente las dimensiones de los parámetros geométricos del
soporte y establecer las condiciones de borde
Realizar análisis de transferencia de calor y análisis termo-mecánico
mediante el método de elementos finitos para todos los casos de
estudio propuestos con la finalidad de determinar la distribución de
los esfuerzos resultantes
Se realizará la evaluación estructural y de fatiga (iniciación de
grietas) mediante los criterios establecidos en las normas API 579 y
el Apéndice 5 del Código ASME, Sección VIII, Div.2, respectivamente
Establecer las relaciones óptimas entre parámetros geométricos del
soporte de falda con slots que disminuyan los esfuerzos en la unión
faldón-recipiente / Elaboración y presentación del libro de tesis
RESULTADOS
Se espera obtener las relaciones entre parámetros geométricos óptimas que
permitan diseñar un soporte de falda con slots más flexible que pueda tolerar
eficientemente las cargas generadas, principalmente en la unión faldónrecipiente, durante las rebajas de los tiempos del ciclo de coquización
retardada. Estas relaciones entre parametritos geométricos establecerán una
guía que permitirá diseñar soportes de faldas con slots eficientes.
BIBLIOGRAFIA
1.
Manual de Unidades de Coquización Retardadas, PDVSA.
2.
Weil N.A. and Rapasky F.S., “Experience With Vessels of Delayed-
Coking Units”, API 23rd Midyear Meeting, Los Angeles. 1958.
3.
Ramos A., Rios C., Hasegawa T., Tahara T., Vargas J; “Mechanical
Integrity Evaluation of Delayed Coke Drums), PVP-Vol 359, Fitness for Adverse
Environments in Petroleum and Power Equipment ASME 1997. pp 291-298
4.
Boswell R, Farraro T, Sober M; “Remaining Life Evaluation of Coke
Drums”. Plant Engineering, Operations, Design & Reliability Symposium,
Energy Engineering Conference, Houston, Texas. January 1997.
5.
Ramos A., Rios C., Johnsen E., Gonzalez M., Vargas J.; “Delayed Coke
Drum Assessment Using Field Measurements and FEA”, PVP-Vol 368, Analysis
and Design of Composite, Process, and Power Piping and Vessel-1998, ASME
1998, pp. 231-237.
6.
Baxter J.E; “Optimization of Coke Drum Support Skirt for Faster
Operation”, PVP-Vol 368, Analysis and Design of Composite, Process, and
Power Piping and Vessel-1998, ASME 1998, pp. 239-244.
7.
Rutt D. K., Clark R.D.; “Stress Analysis Using Actual Coke Drum Bulge
Profiles a Case Study”, CIA Inspection Inc., AIChE 2000 Spring National
Meeting, Atlanta, Georgia. March 5-9, 2000.
8.
Pordal H.; “Stress Engineering Services-Process Technology Group
Approach to Delayed Coke Process Improvement and Optimization”, Stress
Engineering Services, Ohio. March 2001.
9.
AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGENIEER; “Section VIII,
Division I and Division II. Pressure Vessel Design and Fabrication”, ASME
2005.
10.
AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGENIEER; “Section II, Part
D. Material Properties”, ASME 2005.