Campus Salvador Dissertações
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Campo DCValorIdioma
dc.creatorOliveira, Lucas Correia de-
dc.date.accessioned2024-02-29T17:44:42Z-
dc.date.available2024-02-20-
dc.date.available2024-02-29T17:44:42Z-
dc.date.issued2024-12-15-
dc.identifier.citationOliveira, Lucas Correia de. Avaliação de tensões através do método de elementos finitos nos tubos de fornos de pirólise sujeitos a carburização e camadas de coque. Dissertação (Programa de Pós-graduação em Engenharia de Materiais) -- Instituto Federal da Bahia, Salvador, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ifba.edu.br/jspui/handle/123456789/546-
dc.description.abstractPyrolysis furnaces are critical equipment in an ethylene plant for the hydrocarbon cracking process. Typically, the cracking reaction occurs in the radiant coil tubes, which can be heated to 1000°C or higher temperatures. Furnaces under these severe temperature conditions create an environment conducive to coke and carburization, both of which pose high risks of equipment failure, especially during an emergency shutdown. To understand how carburization and coke influence stress generation in the furnace coil tubes, the finite element method was adopted for this study. The objective is to evaluate the stresses experienced by the tubes when subjected to variations in carburization levels and coke layer thickness at different temperatures in order to identify the most critical combinations that could lead to failure during furnace cooling. Finite element models were used, incorporating both linear and nonlinear analyses, with different coke layer thicknesses (5 and 10 mm) and various levels of carburization (0%, 25%, 50%, 75%, and 100%). The results indicated that without a coke layer, stresses exceeding the material's yield strength would not appear. However, with the formation of this layer, stresses increased around 10 times. This suggests that with 75% carburization and a temperature reduction from 1000°C to 200°C, crack propagation could occur, leading to tube failure.pt_BR
dc.languageporpt_BR
dc.publisherInstituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahiapt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/*
dc.subjectCarburizaçãopt_BR
dc.subjectMétodo de elementos finitospt_BR
dc.subjectTensõespt_BR
dc.subjectCoquept_BR
dc.subjectCarburizationpt_BR
dc.subjectFinite element methodpt_BR
dc.subjectStressespt_BR
dc.subjectCokept_BR
dc.titleAvaliação de tensões através do método de elementos finitos nos tubos de fornos de pirólise sujeitos a carburização e camadas de coquept_BR
dc.typeDissertaçãopt_BR
dc.contributor.advisor1Silva, Ivan Costa da-
dc.contributor.advisor1ID4865445293974312pt_BR
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4865445293974312pt_BR
dc.contributor.referee1Silva, Ivan Costa da-
dc.contributor.referee2Albuquerque, Maria Cléa Soares-
dc.contributor.referee3Lino, Ivo Andrei de Oliveira-
dc.contributor.referee4Silva, Francirley Paz-
dc.description.resumoOs fornos de pirólise são equipamentos críticos em uma planta de etileno para o processo de craqueamento de hidrocarbonetos. Geralmente, a reação de craqueamento ocorre nos tubos de serpentinas radiantes, que podem ser aquecidos até 1000 °C ou temperaturas mais elevadas. Os fornos, nessas condições severas de temperatura, formam um ambiente propício para o aparecimento de coque e carburização. Esses fatores juntos apresentam elevados riscos de falha no equipamento, especialmente durante uma parada de emergência. Para compreender como a carburização e o coque influenciam na geração de tensões nos tubos das serpentinas do forno, adotou-se o método de elementos finitos neste trabalho. O objetivo foi criar modelos capazes de reproduzir as tensões nos tubos quando eles estão sujeitos a variações nos níveis de carburização e na espessura da camada de coque em diferentes temperaturas. Foram simuladas as combinações mais críticas que podem resultar em falhas durante o resfriamento do forno. Diferentes modelos de elementos finitos foram utilizados, incluindo análises lineares e não lineares, com camadas de coque de 5 e 10 mm de espessura, e espessuras de paredes carburizadas variando de 0%, 25%, 50%, 75% a 100%. Os resultados indicaram que, na ausência da camada de coque, não ocorreram tensões acima do limite de escoamento do material. No entanto, com a formação dessa camada, as tensões aumentaram em torno de 10 vezes, especialmente com 75% de carburização e uma redução de temperatura de 1000°C para 200°C, o que poderia resultar na propagação de trincas e na falha dos tubos.pt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentPrograma de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais(PPGEM)pt_BR
dc.publisher.programMestrado Profissional em Engenharia de Materiais (PPGEM)pt_BR
dc.publisher.initialsIFBApt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIASpt_BR
dc.relation.referencesALVES FILHO, A. Elementos Finitos a base da tecnologia CAE. São Paulo. 2013. AZEVEDO, A. F. M. Método dos Elementos Finitos. 1 a ed. 2003. BATHE, K. J. Finite element procedures. 2a ed. Watertown, 2016. BAUKAL, C. E.; VACCARI, M.; CLAXTON, M. G. Burners for reformers and cracking furnaces. Computer Aided Chemical Engineering, v. 45, p. 937–984, 1 jan. 2019. BIEHL, L. V. Estudo da carburização de tubos de ligas de Fe-Cr-Ni aplicadas em fornos de pirólise. 2002. CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais uma introdução. 9 a ed. 2016. CHEN, T. et al. Carburization of ethylene pyrolysis furnace tube in a petrochemical plant. Journal of Pressure Vessel Technology, Transactions of the ASME, v. 137, n. 6, 1 dez. 2015. DAVID, S. M. et al. Application of the Finite Element Method in the Analysis of Composite Materials: A Review. Polymers, v. 12, n. 4, p. 818, 4 abr. 2020. ESSS. Método dos Elementos Finitos e Geração de Malhas, 2023. FUYANG, C. et al. A physics-based life prediction model of HP40Nb heat-resistant alloy in a coupled creep-carburisation environment. Materials Science and Engineering: A, v. 860, p. 144260, dez. 2022. GEERTS, M. et al. Steam Cracking Coke Properties and Their Influence on Furnace Run Length Predictions: Experimental and Modeling Study. Industrial and Engineering Chemistry Research, v. 59, n. 52, p. 22460–22472, 30 dez. 2020. GOMMANS, R.; JAKOBI, D. Typical pyrolysis coil failures and how to combat them. Spring National Meeting. Anais...New Orleans: 2002. GRABKE, H. J. Points to be considered in carburization testing of alloys. Materials and Corrosion, v. 49, p. 278–281, 1998. GREEN, J. An Introduction to the Mechanical Properties of Ceramics. 1998. GUO, J. et al. Effect of carburization (pyrolysis furnace tube main failure factor) on the microstructure and properties of HPNb alloy tube. Engineering Failure Analysis, v. 115, 1 set. 2020. HAN, Z. et al. Material degradation and embrittlement evaluation of ethylene cracking furnace tubes after long term service. Engineering Failure Analysis, v. 97, p. 568–578, 1 mar. 2019. HARSTON, J. D.; ROPITAL, F. Corrosion in Refineries. 2007. HERNÁNDEZ, J. W. C. Estudo da resistência à corrosão por pite de aços inoxidáveis austeníticos: influência da adição de manganês em solução solida. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo (USP), 2015. KANE, R. H. The evolution high temperature alloys: a designer’s perspective. First International Conference on Heat-Resistant Materials, 1991. KHODAMORAD, S. H. et al. Analysis of ethylene cracking furnace tubes. Engineering Failure Analysis, v. 21, p. 1–8, 1 abr. 2012. LOTHONGKUM, G.; THAWEEPORNKHASEMSUKH, N.; WANGYAO, P. The Effect of Long-Term Thermal Exposure at Elevated Temperatures on Microstructures and Mechanical Properties in Centrifugally Casted Iron-Base AlloyJournal of Metals, Materials and Minerals. 2006. MENG, F. M.; IGUCHI, Y.; KOJIMA, I. Reduction, Carburization and Meltion Behavior of Iron Ore Pellets Containing Coal Char on Graphite on Heating. ISIJ International, 2001. METALS HANDBOOK. Volume 15 Castings. ASM International, v. 15, 1998. MOHAMMADNEZHAD, M. et al. Insight to the microstructure characterization of a hp austenitic heat resistant steel after long-term service exposure. Acta Metallurgica Slovaca, v. 24, n. 4, p. 296–305, 31 dez. 2018. MOREIRA, M. F. Desenvolvimento de metodologia de ensaio de ligas resistentes a carburação, 2003. OTEGUI, J. L.; BONA, J. DE; FAZZINI, P. G. Effect of coking in massive failure of tubes in an ethylene cracking furnace. Engineering Failure Analysis, v. 48, p. 201– 209, 1 fev. 2015. POPOVA, I. P.; ORYSHCHENKO, A. S. Analyzing the Possible Causes of Inadmissible Axial Bending of Reaction Tubes of a Pyrolysis Plant that are Made of Alloy of Base Composition 45Cr25Ni35SiNb. Metallurgist, v. 67, n. 1–2, p. 10–16, 26 maio 2023. RAMANARAYANAN, T. A. et al. Carburization of high chromium alloys. Materials and Corrosion, v. 49, n. 4, p. 226–230, abr. 1998. RAO, S. S. The Finite Element Method in Engineering, Fourth Edition. 2005. SANTANA, P. et al. Aumento da assertividade nas inspeções em serpentinas da radiação de fornos de pirólise. 2019. SANTANA, P. M. B. Influência da carburização na falha de tubos da radiação de fornos de pirólise. 2010. SANTOS, M. et al. Effect of severe operation conditions on the degradation state of radiant coils in pyrolysis furnaces. Engineering Failure Analysis, v. 56, p. 194–203, 1 out. 2015. SCHMIDT+CLEMENS. Centralloy G4852 Micro - Material Data Sheet. Schmidt+Clemens Group, 2009. SHEN, L. et al. Numerical Simulation of Damage Evolution and Life Prediction for Two Commercial Fe-Cr-Ni Alloys Subjected to Mechanical and Environmental Factors. Journal of Pressure Vessel Technology, Transactions of the ASME, v. 138, n. 5, 1 out. 2016. SHEN, L. M.; GONG, J. M.; LIU, H. S. Effect of Coking Size on the Thermal Diffusion and Stress Distribution of Cr25Ni35Nb and Cr35Ni45Nb Austenitic Steels. Applied Mechanics and Materials, v. 750, p. 192–197, abr. 2015. SILVA, F. P. DA et al. Non-destructive ultrasonic testing and machine learning-assistedearly detection of carburizing damage in HP steel pyrolysis furnace tubes. Measurement: Journal of the International Measurement Confederation, v. 218, 15 ago. 2023. SILVEIRA, T. F. A. et al. Microestrutura de tubos de forno de pirólise desativados após 91.000h de operação - resultados da metalografia ótica. 6a Conferência sobre tecnologia de equipamentos. Anais...Salvador: 2002. SKINDARAS, R.; VALIULIS, A. V; SPYCHALSKI, W. L. The structure and mechanical properties of the high chromium and nickel content cast alloy after long duration work in high temperature. v. 19, n. 6, p. 706–710, 2014. SORIANO, H. L. Método de Elementos Finitos em Análise de Estruturas. 1a ed. São Paulo: Universidade de São Paulo, 2003. SOUZA, L. A. F. DE. Método dos Elementos Finitos - implementação no programa Scilab. 1 a ed. 2021. SWANEPOEL, D. B.; ESCHBACH, K. Embrittlement of HP40Nb Heat-Resistant Alloy at Intermediate Operating Temperatures. Journal of Failure Analysis and Prevention, v. 21, n. 4, p. 1133–1142, 1 ago. 2021. TAWANCY, H. M. Degradation of mechanical strength of pyrolysis furnace tubes by high-temperature carburization in a petrochemical plant. Engineering Failure Analysis, v. 16, n. 7, p. 2171–2178, 1 out. 2009. THAM, C. M. Pyrolysis furnace. [s.l: s.n.]. Disponível em: <https://www.klmtechgroup.com/PDF/Articles/articles/Pyrolysis%20Furnace%20rev%20intro.pdf>. Acesso em: 2 out. 2023. VAN SPEYBROECK, V. et al. Modeling elementary reactions in coke formation from first principles. Molecular Simulation, v. 33, n. 9–10, p. 879–887, ago. 2007. WAUTERS, S.; MARIN, G. B. Computer generation of a network of elementary steps for coke formation during the thermal cracking of hydrocarbons. Chemical Engineering Journal, v. 82, n. 1–3, p. 267–279, 15 mar. 2001. XU, G. T. et al. Characterization of elastic-plastic properties of surface-modified layers introduced by carburizing. Mechanics of Materials, v. 144, p. 103364, 1 maio 2020. YANG, M.; CE, D.; ZIHUA, Z. Oxidation and carburizing behaviors of HP40Nb tube after 100,000h service in pyrolysis furnace. Engineering Failure Analysis, p. 107686, 2 out. 2023.pt_BR
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