APLICAO DE SISTEMA ESPECIALISTA NO CONTROLE DA CORROSO EM PLANTA DE TRATAMENTO DE GASES

Luiz Augusto Corra(1) , Walmar Baptista(2), Lucio Mauro da Silveira(3) , Jornei Vigo(1) , Jose Ponciano Gomes(4)

(1) Metaldata Technology Ltda., Curitiba PR BRASIL, lcorrea@tecpar.br

(2) Petrobras/CENPES, Rio de Janeiro RJ BRASIL, walmar@cenpes.petrobras.com.br (3) Instituto de Tecnologia do Paran TECPAR, Curitiba PR BRASIL

(4) Universidade Federal do Rio de Janeiro UFRJ - Rio de janeiro BRASIL

RESUMO As plantas de tratamento de gases (DEA e MEA) esto sujeitas a vrios mecanismos

de corroso. A contaminao e degradao da amina so responsveis por estes mecanismos em muitos casos. O controle da corroso dependente principalmente de variveis de processo o que demanda uma assistncia contnua e muitas intervenes operacionais. apresentado um Sistema Especialista (SE) desenvolvido para auxiliar a equipe de operao da planta no controle do processo corrosivo em unidades de tratamento de gs. Os parmetros utilizados pelo SE so obtidos da instrumentao da planta, anlises qumicas do laboratrio e de tcnicas de monitorao da corroso, tais como, resistncia eltrica e rudo eletroqumico. O SE obtm estas variveis do computador de processo ou do Sistema Digital de Controle Distribudo (SDCD) para inferir diagnstico, recomendaes e alarmes. Os dados de sada do sistema so enviados para o console do SDCD com o objetivo de auxiliar a equipe operacional a corrigir os parmetros operacionais. Os resultados e relatrios tambm so distribudos aos especialistas de corroso, engenheiros de processo e gerentes da planta. O sistema em base de conhecimento utiliza regras e engloba todos os processos corrosivos neste tipo de planta. Palavras Chaves: MEA, DEA, Corroso, Monitorao da Corroso, Sistema Especialista. ABSTRACT Alkalonamine plants may be subjected to several corrosion mechanisms. Amine contamination and degradation are liable for these mechanisms in many plants. Corrosion control is dependable on many process variables and demands continuous assistance and many operational intervene actions. This paper introduces an expert system developed to assist the operational team in controlling the corrosion process in gas treatment plants. The expert system logs these variables from the process computer or Digital Control System DCS, to infer diagnosis, recommendations and alarms. The corrosion variables are acquired from plant instrumentation, laboratory chemical analysis and from corrosion monitoring techniques like Electrical Resistance and Electrochemical Noise. System outputs are sent to DCS console in order to advise operational team in correcting plant parameters. Reports and results are also distributed to corrosion experts, process engineers and plant managers. The system knowledge base uses rules and comprises all corrosion process occurring in this type of plant.

Keywords: MEA, DEA, Corrosion, Corrosion Monitoring, Electrochemical Noise, Expert Systems, Component Technology.

1. INTRODUO Plantas de amina so largamente utilizadas no tratamento de gases produzidos pela refinarias de petrleo, plantas petroqumicas e campos de produo de gs natural. Este tratamento utilizado para remover gases tais como o sulfeto de hidrognio (H2S) e dixido de carbono (CO2) das correntes gasosas produzidas por estas plantas. A figura 1 apresenta uma planta tpica de tratamento de gases por aminas.

O gs contendo H2S ou CO2 ou mistura com ambos, presentes na corrente de hidrocarbonetos, penetra na coluna absorvedora onde absorvido pela passagem em contra corrente com uma soluo de dietanolamina (DEA). A mistura de hidrocarbonetos purificados o produto do topo da torre enquanto que a soluo de amina rica em H2S e CO2 segue do fundo da torre absorvedora para o vaso de despressurizao. A DEA rica segue ento do vaso de despressurizao para torre regeneradora, passando por um trocador de calor em contra corrente com a DEA pobre. Na coluna regeneradora os gases cidos so removidos da soluo por meio do suprimento de calor oriundo do regenerador. Os gases cidos so os compostos produzidos no topo desta coluna enquanto que a DEA pobre o produto do fundo. A DEA pobre proveniente do regenerador resfriada pela passagem em contra corrente num trocador de calor com a DEA rica, sendo ento bombeada para coluna absorvedora para completar o ciclo do processo.

A soluo de DEA no corrosiva para os diversos equipamentos confeccionados em ao carbono. No entanto, estas unidades esto sujeitas a diversos processos corrosivos devido ao descontrole na concentrao de CO2 e H2S presentes nesta soluo, temperatura elevada da soluo, produtos de degradao das aminas e contaminao.

Neste caso, o ao carbono pode experimentar diversos tipos de danos como corroso generalizada, corroso localizada (pites e alvolos) alm de corroso por trincas chamadas: corroso sob tenso em meio bsico (alkaline stress corrosion cracking - ASCC), empolamento pelo hidrognio (blistering), corroso sob tenso por sulfeto (sulfide stress corrosion cracking - SSCC) e trincamento induzido pelo hidrognio orientado por tenso (stress oriented hydrogen induced cracking - SOHIC.

Todos estes processos corrosivos foram bastante estudados(1,2,3,4,5) e recomendaes como concentrao de H2S/CO2, velocidades, degradao de amina e controle de contaminao tem levado a nveis de corroso baixos em muitas destas plantas. Tratamentos trmicos ps-soldagem tambm diminuem o trincamento do ao carbono. No entanto, o controle da corroso depende fortemente do controle dos parmetros de processo de acordo com as recomendaes acima. Qualquer desvio num perodo curto de tempo acarreta uma elevada taxa de corroso, este fato explica a existncia de diversas plantas com dificuldades de controle da corroso mesmo possuindo um conhecimento estabelecido a respeito do processo corrosivo e do seu controle. Sistemas baseados em conhecimento ou Sistemas Especialistas (SE) interagem com as informaes provenientes da planta e so capazes de inferir continuamente sobre o processo corrosivo. A grande quantidade de dados que chegam ao sistema oriundo da instrumentao da planta, sensores de corroso e resultado de anlises qumicas. O sistema capaz de indicar correes para cada desvio tornando-se uma boa opo para a tarefa dinmica requerida para o controle da corroso neste tipo de planta.

2. ESTADO DA ARTE SOBRE A CORROSO EM PLANTAS DE AMINAS A corroso em plantas de aminas pode ser dividida em duas categorias principais: corroso por condensao cida e por soluo de amina. A primeira envolve a reao do H2S e CO2 com o ferro e ocorre quando grandes quantidades destes gases so dissolvidas em gua condensada na unidade. A corroso por soluo de amina um processo corrosivo associado com a degradao e contaminao da soluo de amina. O processo corrosivo pela amina pode ocorrer na seo de amina pobre ou rica.

2.1 Corroso por condensao cida Os gases cidos H2S e CO2 so dissolvidos na gua de condensao do topo da torre regeneradora, o CO2 forma cido carbnico (H2CO3) em soluo. A soluo de condensao cida (H2S + H2CO3) corri o ao carbono de acordo com as seguintes reaes:

Fe + H2CO3- FeCO3 + H2 (1) H2S + Fe FeS + H0 (2)

O gs condensado pode corroer o ao carbono no topo da torre regeneradora de amina e no fundo da torre absorvedora (figura 1). Normalmente, existe uma grande quantidade de condensado de soluo cida nestas sees.

A Pratica Recomendada da API 945 (1) sugere que a corroso em soluo cida ocorre quando o contedo de gs de 95% ou maior em CO2. Normalmente o contedo de CO2 na corrente gasosa de uma UCCF menor do que este limite, assim sendo o principal produto de corroso o sulfeto ferroso (FeS), que bastante insolvel e forma uma camada aderente e algumas vezes protetora. Quando o filme de FeS formado sobre o ao carbono a reao de corroso inibida cessando tambm a produo de hidrognio atmico. Neste caso abaixamento do pH o principal responsvel pelo ataque corrosivo, no entanto, contaminantes tais como o cianeto e cloreto provenientes da UCCF podem levar tambm a despassivao do ao causando danos pelo hidrognio. Estes contaminantes so arrastados com os gases para o sistema de amina, quando o sistema de separao no eficiente.

2.2 Corroso da soluo de amina A corroso do ao carbono em soluo de amina pode ser causada por diversos fatores incluindo:

- Altas temperaturas de operao; -Razo de CO2 contra H2S no gs cido; - Contaminao e degradao da soluo de amina; - Concentrao da soluo de amina;

- Tipo da amina;

Solues puras de aminas no so corrosivas porque possuem baixa condutividade e pH elevado(3). No entanto, solues de amina rica que possuem elevada condutividade e pH significantemente menor do que a soluo de amina pobre pode ser corrosiva.

Unidades de amina processando gases com razo H2S contra CO2 maior que 1/20 ou presso parcial de H2S maior do que 5,1 Kpa (0,74 psia)(1), pode favorecer a formao de um filme protetor nas regies de amina rica e a corroso ser mnima.

A corrosividade da soluo de amina deve ser controlada de forma a estabilizar o filme protetor em todas sees da unidade(2,3,4). A corrosividade da soluo de amina pode ser significativa no fundo da torre regeneradora (figura 1). Nesta seo prevalece a soluo de amina pobre. A seo de amina pobre corrosiva devido a presena de sais termicamente estveis e produtos de degradao da amina, devido ao alto carregamento de amina pobre se a operao de retirada de H2S reduz este gs a concentraes menores que 0,07 % em peso na soluo(6). O filme protetor no formado nesta regio e o ao carbono exposto a corroso pelos sais e produtos de degradao da amina. A taxa de corroso pode ser neste caso na ordem de 2,5 mm/ano no sistema de fundo da regeneradora.

A corroso sob tenso em meio alcalino observada em servio em unidade de MEA em temperaturas acima de 40 C e alguns casos foram notados em unidades de DEA que operavam em temperaturas acima de 82 C. Este processo atribudo a um mecanismo de ruptura de filme passivo. Em reas sob tenso, tais como reas de solda e zona afetada pelo calor, a quebra do filme passivo com exposio do ao nu pode ser observada. O filme protetor pode tornar a ser formado, mas a tenso residual leva a nova ruptura, levando a ciclos de corroso e proteo. A repetio destes ciclos leva ao trincamento. O tipo de trinca invariavelmente intergranular e pode ser encontrado na coluna absorvedora, regeneradora e tubulao onde circula amina pobre.O cianeto que provem do UCCF favorece este tipo de corroso(7).

3. MONITORAO E CONTROLE DA CORROSO

Os dois processos corrosivos que ocorrem no topo e fundo da torre regeneradora resultam numa taxa de corroso elevada. A tcnica de resistncia eltrica a opo natural para monitorao da corroso nesta regio. No entanto, este mtodo apresenta um tempo de retardo elevado aps a despassivao da unidade e o processo corrosivo ter se iniciado.

O rudo eletroqumico tem sido apontado como uma ferramenta til para monitorao da corroso. Com a utilizao desta tcnica espera-se um aumento da capacidade de controle da corroso utilizando-se tcnicas eletroqumicas. Esta tcnica baseada na medio da flutuao de potencial e corrente de trs eletrodos idnticos instalados em um ponto crtico da unidade. Diversos processos corrosivos tais como corroso generalizada, pite, corroso sob tenso, assim como a quebra de filme passivo so passveis de produzir flutuaes caractersticas(6,7,8) .

O sistema especialista capaz de lidar com os dados provenientes deste mtodo com o objetivo de identificar a corroso num estgio inicial, isto , quando o processo de despassivao ocorre. A interpretao do sinal feita utilizando-se o parmetro chamado de Rn que definido como a razo entre o desvio padro das flutuaes de potencial e corrente

obtidos no domnio do tempo. assumido que a faixa de Rn registrada expressa a intensidade de corroso neste meio. A avaliao da corroso pode ser melhorada utilizando-se a tcnica de rudo eletroqumico em conjunto com a tcnica de Resistncia Eltrica na regio de fundo da torre regeneradora.

A monitorao da corroso como apresentada na figura 1 fornece uma fonte de dados valiosa para que o sistema possa operar corretamente com a base de conhecimento disponvel

O controle da corroso depende do monitoramento continuo dos seguintes parmetros de processo:

- Temperatura da amina; - Temperatura do vapor do refervedor; - Concentrao de amina na soluo de amina; - Concentrao de H2S na soluo de amina pobre; - Concentrao de slido em suspenso; - Controle severo da contaminao pelo oxignio; - Sais termicamente estveis em soluo; - gua de lavagem arrastada da UCCF; - Razo de CO2 para H2S no gs cido; - Concentrao de cido na gua condensada

no topo da torre regeneradora.

4. SISTEMA DESENVOLVIDO E INFORMTICA

Em um sistema de controle da corroso a quantidade de dados avaliados muito grande, sendo necessrio o processamento destes dados em computador. Este processamento necessrio principalmente no caso de alguns dados complexos, no entanto possvel ir alm introduzindo no s o processamento de dados, mas tambm o conhecimento necessrio para o controle da corroso(9-14).

Visando uma participao mais ativa neste cenrio um sistema especialista chamado AmineX foi desenvolvido. baseado em regras e pode modelar claramente o raciocnio de um especialista. possvel tambm utilizar este conhecimento a qualquer momento de acordo com a necessidade da unidade. As respostas que o sistema oferece no so alteradas pelas emoes humanas. tambm necessrio fornecer meios para maximizar a obteno de conhecimento, com esta finalidade necessrio desenvolver uma arquitetura que facilite a tarefa de manuteno e utilizao do sistema.

A tecnologia de componentes supera esta limitao por atingir as premissas previamente levantadas, pois torna possvel acessar um mdulo do programa de um outro programa incluindo aqui, por exemplo, a famlia Microsoft Office.

5. ESTRUTURA DE COMPONENTE Na figura 2 mostrado o ambiente de trabalho do Sistema Especialista para monitorao e controle do processo corrosivo em plantas de amina. A estrutura do SE composta dos seguintes mdulos:

ACESSO DE DADOS - Este modulo captura automaticamente todos dados relativos ao processo corrosivo do Sistema Digital de Controle Distribudo (SDCD), o sistema de computadores utilizados na aquisio de dados e controle da unidade. A interface entre o SE e o SDCD realizada atravs do programa disponvel na unidade tal como o SCADA ou PI. Este mdulo confere os dados e sua consistncia permitindo que sejam utilizados no mdulo da Mquina de Inferncia. Uma caracterstica importante deste modulo a capacidade de trabalhar com dois tipos de dados:

- Dados em baixa frequncia tais como resultado de anlise qumica e taxa de corroso medida pelo mtodo de Resistncia Eltrica.

- Dados em alta frequncia tais como temperatura, fluxos e dados provenientes de mtodos eletroqumicos.

MDULO DE CLCULO Utiliza os dados provenientes do sistema de interface e realiza clculos complexos. O passo final fornecer estes resultados para Mquina de Inferncia.

MQUINA DE INFERNCIA Este modulo gera os diagnsticos sobre a corrosividade da unidade e concluses simulando o processo de raciocnio do especialista. A Mquina de Inferncia recebe os dados (fatos) provenientes do modulo de Acesso de Dados e do Mdulo de Clculos e utilizando as regras do mdulo da Base de Conhecimento pode fornecer concluses a respeito do processo corrosivo da unidade.

BASE DE CONHECIMENTO Este modulo armazena o conhecimento do especialista em corroso que ser utilizado pelo mdulo da Mquina de Inferncia. A Base de Conhecimento do AmineX armazena o conhecimento descrito acima e a experincia acumulada em diversos anos de trabalho no controle de corroso neste tipo de unidade. O conhecimento armazenado na forma de regras, por exemplo:

IF Planta est operando AND A taxa de corroso no fundo da torre regeneradora alta AND Teor de H2S est abaixo do limite AND Temperatura do vapor do refervedor acima do limite superior THEN Fundo da torre regenerador est corrosivo AND Ajuste a temperatura do vapor do refervedor

INTERFACE DE SADA Este modulo disponibiliza os resultados da inferncia que so enviados de volta ao SDCD para ser processado e apresentado na tela do computador de controle do processo, da mesma forma que os dados de processo so enviados para o SDCD. A mesma tela tambm disponibilizada pelo sistema atravs da rede de computadores para outros usurios tais como a equipe de corroso, gerentes, equipe de processo, etc. Uma tela tpica fornecida pelo sistema

apresentada na figura 3. A informao completa fornecida pelo mdulo da Interface de Sada composta por:

- Diagnstico sobre o processo corrosivo; - Diagnstico sobre os dados obtidos, sua validade, consistncia ou falta

de algum dado; - Confiabilidade dos sensores de corroso; - Alarmes de corroso elevada; - Ausncia de algum resultado de laboratrio; - Aes corretivas para controlar o processo corrosivo; - Histrico sobre a corroso; - Relatrios.

INTERFACE DO ESPECIALISTA Este modulo permite ao especialista ajustar parmetros durante a instalao do sistema, de acordo com caractersticas especficas de cada planta ou mudar os parmetros a qualquer momento.

Com o objetivo de utilizar os diversos componentes do SE, um software que une estes componentes e a interface do usurio necessrio. Para diminuir o tempo necessrio para o usurio final se adaptar ao software foi escolhido um programa de largo uso o MS-Excell. Este programa utiliza o Visual Basic como linguagem de programao o que o torna mais interessante quando se considera a grande flexibilidade para programadores e usurios que podem ter suas tarefas automatizadas. O sistema transparente para o usurio, isto , o programa se comporta como qualquer outro sem qualquer sinal da interao dos diversos mdulos em seu interior.

6. CONCLUSES

Os processos corrosivos em plantas de aminas so bastante dependentes das variveis operacionais. Como apresentado neste artigo o conhecimento necessrio para seu controle relativamente complexo. Apesar deste conhecimento estar bem estruturado e desenvolvido muitas plantas de aminas esto sujeitas sistematicamente a perdas devido corroso. O efetivo controle deste processo corrosivo neste tipo de planta depende da disponibilidade e acesso a este conhecimento. O Sistema Especialista aqui descrito promove a difuso do conhecimento atravs dos agentes envolvidos no controle da corroso. Ele atua como um agente de integrao entre os dados relativos ao processo corrosivo e as equipes incumbidas de seu controle de uma forma contnua. A atuao sinrgica do SE melhora o controle da corroso em diversas plantas resultando em baixas taxas de corroso e baixo consumo de amina. O Sistema Especialista est instalado em uma refinaria e j se encontra em operao.

O SE para plantas de aminas foi desenvolvido no curto perodo de tempo de seis meses e foi resultado um programa que utilizou ferramentas para desenvolvimento de SE, a tecnologia de componente e a experincia obtida pela equipe de desenvolvimento.

7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. API Recommended Practice RP-945 -90. Avoiding Environmental Cracking in

Amine Units. First Edition, American Petroleum Institute, Washington, D.C. 1990 2. J. Gutzeit, Cracking of Carbon Steel Components in Amine Service. Materials

Performance, pg 54 57, NACE, Houston, TX. 1990,

3. R.B Nielsen, K.R Lewis, Corrosion in Refinery Amine Systems. Corrosion 95, Paper N 571. NACE, Houston, TX, 1995

4. H.L. Craig, Corrosive Amine Characterization. Corrosion 96, Paper N 394, NACE, Houston, TX.,.1996

5. J. G. McCullough, Contamination and Purification of Alkaline Gas Treating Solution Corrosion 96, Paper N 396, NACE, Houston , TX.,1996.

6. L.A. Correa, Controle da Corroso Pelo Monitoramento Contnuo em Unidades de Tratamento de Gases Curso Funcional de Deteriorao em FFC e Tratamento DEA. PETROBRAS, 1991.

7. G. Gusmano., G. Montesperelli., S. Pacetti. and A Petitti., Resistance Electrochemical Noise as a Tool for Corrosion Rate Prediction. Corrosion 96, Paper N 336. NACE, Houston, TX., 1996

8. E.J. Euthymiou, W Baptista., R. Nogueira, R. Bonelli,R., J.C. Fadel, A. Iwasse, Installation of Electrochemical Noise Measurement Systems for Monitoring Corrosion Processes in a Gas Treatment Unit. 2nd Latin American Region Corrosion Congress, NACE, Rio de Janeiro, 1996

9. L.A. Correa, M.P. Ramos. On-Line Corrosion Control in Refinery Overhead Systems, CORROSION/ 95, paper n 336 (Houston, TX, NACE International, 1995)

10. M.P. Ramos, E.C. Paraiso, L. A. Correa, Corrosion Control under a Multi-Agent Approach. CORROSION/ 96, paper n 384 (Houston, TX, NACE International, 1996)

11. P.R. Roberge, Searching for Corrosion Intelligence. CORROSION/ 99, paper n 232 (Houston, TX, NACE International, 1999)

12. M B Kermani, D Harrop, The impact of Corrosion on Oil and Gas Industry. Society of Petroleum Engineers, Middle East Oil Show, Bahrain, March, 1995

13. C. Kaestner; E. Paraiso; L. Silveira; M. Ramos. Object Orientation Applied in Intelligent Systems. The Third World Congress on Expert Systems, Seoul, Korea, 2/1996.

14. L. A. Correa, W. Baptista, R. P. Nogueira, E. H.Cavalcanti. Corrosion Control by On Line Monitoring in Gas Treatment Units. 2nd NACE Latin American Region Corrosion Congress, Rio de Janeiro, Brasil, 1996.

PMRn On LineRE On Line

RE OnLinePM

Figura 1 Fluxograma de uma unidade tpica de tratamento por amina.

SDCD

INSTRUMENTAO SENSORES CORROSO

SE SERVIDOR DE REDE

CONSOLE DE CONTROLE DA PLANTA

COMPUTADOR DE CONTROLE DA CORROSO

CONPUTADOR DA ENGENHARIA E OPERAO

LAB

DADOS DE CORROSO E PROCESSO

DIAGNSTICO, ALARMES, PROCEDI.

INTERFACE DADOS (PI)

SDCD REDE

Figura 2 Diagrama do Sistema Especialista na Planta de Processo.

Figura 3 Tela tpica do Sistema Especialista.