APLICAÇÃO DE CONCRETO ISOLANTE BOMBEÁVEL EM VASO SEPARADOR DA UNIDADE DE CRAQUEAMENTO CATALÍTICO DE REFINARIA DE
PETRÓLEO.
Luis Henrique Rodriguez de Mattos Gobbo1, Waldir de Sousa Resende2, Renata Dias dos Anjos2, Cláudio Zirpoli2, Alfredo Roberto da Silva2
1Petrobras UN-REPLAN.
Rodovia SP-332, km 132, Paulínia, são Paulo, 13140-000 2Ibar Ltda.
Av. Ibar, 250, Calmon Viana, Poá, São Paulo, 08559-470
lhgobbo@petrobras.com.br, wsresende@ibar.com.br
RESUMO
Entre as diversas técnicas de aplicação de materiais monolíticos, o método de bombeamento vem adquirindo destaque. Nessa aplicação, o material refratário é homogeneizado em grande quantidade em um misturador intensivo e transportado para o bico de saída por meio de bomba hidráulica. Visando a adequação a este método e considerando a aplicação em Unidade de Craqueamento Catalítico Fluido (UFCC), foi desenvolvido um concreto isolante convencional auto-escoante e com propriedades físicas que atendem a norma Petrobrás N-1728, Classe A. O material apresenta alta resistência mecânica e alta escoabilidade, obtidas por meio da utilização de modelo de distribuição granulométrica compatível, matérias-primas de alta área superficial e sistema de aditivação eficiente. A aplicação do material foi realizada com sucesso na Refinaria de Paulínia em um projeto de atualização tecnológica da Unidade de Craqueamento (U-220 A), e considerada um método inovador para este tipo de equipamento. Neste trabalho serão apresentados os resultados obtidos e descritas as vantagens do método empregado.
Palavras-chaves: concreto isolante, auto-escoante, bombeamento, petroquímica.
INTRODUÇÃO
Embora o uso de materiais refratários na Indústria Petroquímica seja relativamente baixo, cerca de 2% do total de produtos produzidos no Brasil, estes possuem um papel importante no desempenho das refinarias, quer seja na preservação da integridade física primordial aos processos como na minimização
das perdas térmicas dos diversos equipamentos. Devido a aspectos de padronização, procedimentos e principalmente os altos custos envolvidos nas paradas para reparos e ou substituição total dos revestimentos, a introdução de novos produtos neste segmento de mercado é lenta e não é raro existirem produtos desenvolvidos a mais de 15 anos. Diferentemente das aplicações siderúrgicas, onde se destaca a grande diversidade de materiais, altas taxas de inovação de produtos e ainda novas técnicas de aplicação, a indústria petroquímica é mais conservadora por razões já citadas.
Produtos monolíticos como auto-escoantes, desenvolvidos na década de 90, somente há pouco estão sendo paulatinamente introduzidos nestas unidades. Tais produtos são concebidos para reduzir a energia necessária em sua aplicação e devido ao seu alto escoamento, preencher um volume preestabelecido apenas com da ação da força da gravidade. Além disso, podem, em geral, ser instalados através do processo de bombeamento utilizando equipamentos adequados para este fim. Os fatores positivos advindos deste processo, em relação a técnicas usuais de aplicação (vibração, gunning, etc.) são, principalmente, a redução no tempo de refratamento, a eliminação de poeiras e de perdas por rebotes e ainda, a redução de riscos de acidentes.
Outro ponto relevante, devido às restrições impostas ao desenvolvimento de novos materiais, é obter uma relação de parceria entre o fabricante de refratário e as indústrias petroquímicas. Desta forma, os riscos envolvidos são mensurados e avaliados quanto ao processo de inovação envolvendo uma determinada técnica de aplicação e/ou o uso de um novo material refratário.
Este trabalho tem por objetivo mostrar esta relação de parceria realizada com a Refinaria de Paulínia, visando o desenvolvimento e aplicação pelo processo de bombeamento de um concreto isolante auto-escoante na Unidade de Craqueamento (U-220 A) dentro do projeto de Atualização Tecnológica, mantendo-se o conceito de UNIDADE DE ALTA PERFORMANCE.
MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho foi utilizada uma formulação de concreto refratário isolante sílico-aluminoso segundo norma Petrobrás N-1728. As misturas foram realizadas em misturador para concretos durante cinco minutos.
Foram realizados ensaios de fluidez livre segundo norma NBR 13320 e moldados corpos-de-prova prismáticos (160 x 40 x 40 mm), submetidos a cura em ambiente saturado de vapor de água por 24 horas e secagem a 110ºC durante 24 horas. Os ensaios de densidade aparente, resistência a compressão e variação linear dimensional foram realizados conforme as normas NBR 11221, NBR 11222 e NBR 8385, respectivamente.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Desenvolvimento do Material Auto-Escoante
Tendo como referência as propriedades físicas e químicas estabelecidas pela norma N-1728, foi desenvolvido um concreto sílico-aluminoso, isolante, auto-escoante e bombeável a base de argila expandida.
Diversas composições experimentais foram avaliadas tendo como variáveis a distribuição granulométrica, tipos de cimentos aluminosos, agregados refratários e aditivos, visando adequar suas características físicas como escoabilidade (ou fluidez), tempo de pega, densidade, resistência mecânica e variação linear dimensional.
Na Tabela 1 são apresentadas as propriedades físicas e químicas da composição final.
Uma vez determinada a formulação, foram simuladas em laboratório possíveis condições durante aplicação em campo para avaliação do desempenho do concreto: variação da temperatura de cura e da fluidez (relacionada a quantidade de água adicionada).
Desse modo, foram realizadas duas seqüências de testes: série A) temperaturas de cura de 15, 24, 30 e 35ºC e série B) fluidez de 80, 90 e 110%. A avaliação foi feita por meio de ensaios de fluidez livre, densidade aparente, resistência a compressão e variação linear dimensional. As figuras 1 e 2 apresentam os resultados.
Tabela 1- Propriedades físicas e químicas da composição final Teor de água (%) 23 Fluidez (%) 110 RCTA (MPa) 110ºC 21 815ºCx5h 18 MEA (g/cm3) 110ºC 1,26 815 ºCx5h 1,19 VLD (comprimento) (%) 110ºC -0,2 815ºCx5h -0,4 Análise química (%) Al2O3 28,0 SiO2 50,3 CaO 8,5 Fe2O3 6,0
Na série A (Figura 1), verifica-se que o tratamento em diferentes temperaturas de cura não afetou de forma significativa a densidade após secagem a 110ºC e variação linear dimensional após tratamento a 815ºC. O efeito mais significativo está relacionado ao tempo de pega, devido a uma maior velocidade de formação dos diferentes hidratos provenientes do cimento de aluminato de cálcio (fases mais importantes: CA e CA2). Assim, o aumento da temperatura acelera as etapas de dissociação do cimento, nucleação e precipitação das fases hidratadas, e, consequentemente, ocorre uma redução do tempo de pega do material(1). O tempo de pega pode ser reduzido de 540 minutos (cura a 15ºC) para 85 minutos após cura a 35ºC.
Observou-se que a cura em temperaturas mais baixas, não levou a uma redução da resistência mecânica a 110ºC, mesmo sendo o material um concreto convencional (CaO ~8,5%). A formação de hidratados como CAH10 e C2AH8 em
temperaturas inferiores a 27ºC (2) e suas conversões para o hidrato estável C3AH6 em temperaturas superiores, levam a defeitos microestruturais e redução da resistência mecânica. No entanto, o uso de aditivos de alta área superficial modifica a cinética e formação dos hidratos quando comparados a um concreto convencional. Particularmente a adição de microssilica leva a formação de hidrato do tipo C2ASH8(3), que contribui para o aumento da resistência mecânica do concreto. Assim, para as quatro condições de temperatura de cura, os resultados de resistência mecânica são próximos e variaram de 19 a 24 MPa. Estes valores são aproximadamente 3 vezes superiores a um material convencional desta classe.
Na série B, os resultados de resistência mecânica, densidade, tempo de pega e variação dimensional estão de acordo com a variação da relação água/cimento, ou seja, aumentando o teor de água (aumento da fluidez livre) ocorre uma redução correspondente destas características.
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 15 24 30 35 Temperatura de cura (ºC) V ari aç ão li nea r (% ) 10 14 18 22 26 R es istê nci a C omp re ss ão ( M P a) 0 100 200 300 400 500 600 T em po de P ega (m in ) 20 21 22 23 24 25 26 Q ua nt ida de d e Á gua (% ) TEMPO DE PEGA QUA NTIDA DE Á GUA
1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 D ens id ad e (g /c m 3) 110º C 815º C Série A -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 15 24 30 35 Temperatura de cura (ºC) V ari aç ão li nea r (% ) 10 14 18 22 26 R es istê nci a C omp re ss ão ( M P a) 0 100 200 300 400 500 600 T em po de P ega (m in ) 20 21 22 23 24 25 26 Q ua nt ida de d e Á gua (% ) TEMPO DE PEGA QUA NTIDA DE Á GUA
1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 D ens id ad e (g /c m 3) 110º C 815º C Série A 14 18 22 26 30 R esi s tê nci a C omp re ssã o ( M Pa ) -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 80 95 110 Fluidez (%) V ari aç ão l in ear ( % ) 0 100 200 300 400 500 T em po d e P ega ( m in ) 15 18 21 24 27 30 Q uan tida de d e Á gu a (% ) TEMPO DE PEGA QUANTIDADE ÁGUA 1,15 1,20 1,25 1,30 De ns id a de (g /c m 3) 110ºC 815ºC Série B 14 18 22 26 30 R esi s tê nci a C omp re ssã o ( M Pa ) -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 80 95 110 Fluidez (%) V ari aç ão l in ear ( % ) 0 100 200 300 400 500 T em po d e P ega ( m in ) 15 18 21 24 27 30 Q uan tida de d e Á gu a (% ) TEMPO DE PEGA QUANTIDADE ÁGUA 1,15 1,20 1,25 1,30 De ns id a de (g /c m 3) 110ºC 815ºC Série B
Figura 1: Série A: tempo de pega, densidade, resistência mecânica e variação linear dimensional em função da temperatura de cura do material.
Figura 2: Série B: tempo de pega, densidade, resistência mecânica e variação linear dimensional em função da fluidez do material
Desenvolvimento de Campo – Premissas básicas
Considerando então o Conceito de Unidade de Alta Performance, buscou-se neste projeto de atualização tecnológica a adoção das melhores práticas de paradas, de forma a obter-se também uma Manutenção de Alta Performance em Parada.
Algumas ações adotadas para atingir este objetivo:
• Efetivo envolvimento e integração, desde a fase de planejamento, entre todas as áreas (Manutenção, Operação, Segurança Industrial, Engenharia e Apoio Logístico). • Deflagração das providências com antecedência adequada (12 a 18 meses),
viabilizando a elaboração de um planejamento confiável e a otimização dos recursos próprios e contratados
• Minimização dos serviços em parada, buscando a redução do tempo de cessação de produção, ou seja, “fazer em parada o que realmente é de parada”.
• Aplicação de novas tecnologias / metodologias, visando a redução dos prazos e o aumento da confiabilidade
É neste último item que se insere, portanto a adoção de um novo método de refratamento, pois uma vez que no escopo dos trabalhos de modernização incluía a substituição de todo o conjunto do Vaso Separador, a utilização de concreto bombeado seria fundamental para obtenção dos resultados principalmente em termos de Qualidade e Segurança.
Era este o Cenário Anterior deste tipo de trabalho, feito em outras Unidades da Petrobras, em trabalhos similares de modernização:
• Refratamento do Costado do Vaso Separador feito preferencialmente por derramamento, para melhorar performance quanto ao ataque de coque.
• Método tradicional era executado em etapas (montagem de lance de forma durante o dia e refratamento no turno da noite)
• Grande demanda de mão de obra para refratamento
Etapas de Qualificação - Protótipo
Dentro dos procedimentos de refratamento, antes das aplicações, a Petrobras adota a prática de efetuar a Qualificação do Material (para confirmar as características finais do material com as informações da ficha técnica do fabricante) e a Qualificação do Procedimento, para apurar e corrigir problemas que possam
ocorrer em uma grande aplicação, tomando ações preventivas visando a qualidade, produtividade e segurança de todas as etapas.
Protótipo Montado Os principais ganhos desta etapa foram:
• Ajustes no tempo de pega do material para as condições reais de aplicação
• Treinamento da equipe, com definição de pessoal efetivamente necessário para a tarefa
• Definição do procedimento de movimentação do mangote de refratamento, dsitribuindo uniformemente o material ao longo do costado
• Medição de produtividade
• Identificação de gargalos no processo (adição de agulha e água de amassamento)
Aplicação de Campo do Material Auto-Escoante
Uma vez aprovado o material, a aplicação no novo Vaso Separador ocorreu em duas etapas, sendo refratado em pré-parada o costado cilíndrico do novo vaso, a seguir a emenda deste costado com a calota e, em parada, foi refratado o trecho cônico de interligação com o Regenerador, o que possibilitou a montagem total do novo conjunto.
Os principais ganhos obtidos foram: Segurança e Saúde e Meio Ambiente:
9 Redução nos riscos da tarefa:
9 Mecanização do sistema pela utilização de bomba ao invés de baldes e Uso de guindastes ao invés de carregamento manual do misturador;
9 Diminuição de exposição de pessoas ao risco (equipe reduzida e apenas para acompanhamento);
9 Possibilidade de trabalhos paralelos, sem interrupção de atividades de outras frentes.
9 Redução de resíduos de embalagens (fornecimento a granel);
9 Mínimas perda de material em relação aos métodos tradicionais durante a aplicação; Qualidade:
9 Minimização de juntas frias;
9 Maior uniformidade na mistura e adensamento do refratário; 9 Maior resistência mecânica obtida;
9 Menor necessidade de água para produzir a massa;
9 Melhor controle do processo – menos “massadas", diminuição da ação humana no refratamento
Prazo de aplicação:
9 Redução no prazo de execução– foram aplicados 24 toneladas em 6 horas Conhecimento adquirido:
9 Ganho de conhecimento em tecnologia de materiais e de aplicação de refratários pela comunidade técnica da Petrobras e uma importante quebra de paradigma, com possibilidade de uso em novas montagens
Destaca-se que a tarefa de substituição do Vaso Separador foi uma das maiores movimentações de carga já efetuadas no hemisfério Sul.
CONCLUSÕES
Ao idealizar a adoção da técnica do Bombeamento de Concreto, o principal desafio da REPLAN foi justamente viabilizar o desenvolvimento deste material junto aos fabricantes nacionais, o que começou a ser feito com dois anos de antecedência,
Neste período passou por uma fase de testes em laboratório e aplicações modelo nos próprios fabricantes, até que tecnicamente a Petrobras tivesse confiança no material e no método para possibilitar uma contratação por Licitação do material e do sistema de bombeamento,
Com este trabalho conseguimos, portanto, superar desafios, canalizando nossas energias para a inovação, o construtivo e o preventivo e efetivamente auxiliando no desenvolvimento tecnológico nacional e promovendo o respeito aos aspectos de segurança, meio ambiente e saúde no trabalho
AGRADECIMENTOS
A todos que direta ou indiretamente contribuíram para fazer deste empreendimento um sucesso.
REFERÊNCIAS
(1) – ALT C.; PARR, C.; REVAIS, C.; “The Effect of Enviromental Temperature Conditions on the Rheology of Deflocculated Refractory Castable”. XXXIX Alafar Congreso, Diciembre, 2000, Pucon Chile, pag 379-390.
(2) – PARR, C.; SIMONIM, F.; WOHRMEYER, C., “Low Cement Castables with Predictable Placing Properties: Dream or Reality?”, Forty-first Symposium on Refractories, St. Louis, Missouri, march 30th – 31st, 2005, pag 71-91.
(3) – FUMO, D. A., SEGADÃES, A. M., “Effect of Sílica Fume Additions on the Hydration Behaviour of Calcium Aluminates” UNITECR´97, November 4-7, 1977, New Orleans, Louisiana USA, Vol III, pag 1325-1333.
(4) – PETROBRAS/CENPES – Atualização Tecnológica da U-220A-Memorial Descritivo de Processo MD-5270.00-22221-940-PPC-201 Rev.A – Junho 2005
TITLE
APPLICATION OF INSULATING PUMPABLE CASTABLE IN DISENGAGER OF FLUID CATALYTIC CRACKING UNIT OF PETROLEUM REFINERY
ABSTRACT
There are many techniques of application of monolithic materials and the pumping method comes acquiring prominence. In this application, the refractory material is mixed in great amount in a mixer intensive and carried by a hydraulical pump. Aiming at the adequacy to this method and considering the application in Fluid Catalitic Cracking Unit (FCC), an sure-flow insulating castable Petrobras Standart based was developed. This material have high resistance mechanics, gotten by means of the use of model of compatible grain sized distribution, raw materials of high superficial area and an efficient additive system. The application of this material was carried through successfully in the Petrobras Paulinia Refinery in a project of technological update of a FCC plant, and considered an innovative method for this type of equipment. In this work the gotten results will be presented and described the advantages of this method:
KEY-WORDS
