I urinstofproduktionsreaktorer med ammoniumcarbamat, hvilken vægtykkelsesmargin kræves der for at et titaniumvarmerør kan opnå 10 års levetid?

Ureasyntesereaktorer fungerer under barske forhold med en højtemperatur ammoniumcarbamatopløsning ved 180-210 grader, tryk på 140-250 bar og en ætsende kombination af ammoniak, kuldioxid og mellemliggende carbamatarter. Titanium Grade 2 er blevet standardmaterialet til varmerør i stripping af -urinstofanlæg på grund af dets modstandsdygtighed over for carbamatkorrosion, når der vælges en passende vægtykkelsesmargin. I mange kemiske omgivelser kontrollerer homogen korrosion tabet af materiale. Ammoniumcarbamat angriber titanium ved en kombination af generel korrosion, lokaliseret grubetæring ved svejsevarmepåvirkede zoner og strømningsassisteret korrosion ved højhastighedspåvirkningssteder. Dette papir bestemmer den minimale vægtykkelse af titanium Grade 2-varmerørene for at opretholde en 10-årig designlevetid baseret på korrosionshastighedsdata fra operationelle urinstofanlæg og accelereret autoklavtestning.

Profil af korrosionshastighed i ammoniumcarbamat
Korrosionshastigheden af ​​titanium Grade 2 i ammoniumcarbamatopløsning er ikke konstant, men afhænger af temperatur, iltindhold og strømningsregime. Den passiverede tilstand opnås i nærvær af 0,1-0,5% oxygen eller luft i carbamatstrømmen, og den samlede korrosionshastighed er 0,02 til 0,05 mm pr. år ved 190 grader. Den passive film bliver mindre stabil under afluftede forhold (O2 < 10 ppm), og korrosionshastigheden stiger til 0,10-0,15 mm om året. De fleste kommercielle urinstofprocesser fungerer med kontrolleret oxygentilførsel (20-50 ppm) for at opretholde passivering, selvom der forekommer forstyrrelser.

Korrosionshastighederne i de svejsevarme-berørte zoner er normalt 2-3 gange højere end basismetallet på grund af mikrostrukturelle ændringer og resterende spændinger. Feltdata fra 12 ureaanlæg i drift i 5-10 år indikerer en gennemsnitlig basismetalkorrosion på 0,08 mm/år (inklusive passiveringsfejl) og svejsezonegennemtrængning på 0,20 mm/år. Strømningsaccelereret korrosion ved rørindløb med carbamathastigheder over 5 m/sek. forårsager lokaliseret vægtab på yderligere 0,05-0,10 mm/år.

Vægtykkelsesberegning for 10 års designlevetid
Baseret på en påkrævet 10 års levetid og ved hjælp af ovenstående korrosionshastigheder, beregnes den nødvendige korrosionsgodtgørelse som: Basismetaltillæg (0,08 mm/år x 10 år=0.8 mm) + svejsezonetillæg (yderligere 0,12 mm/år gennemsnitlig forskel x 10 år=1.2 mm lokaliseret). Hvis der ikke medregnes ekstra sikkerhedsmargin for, er det samlede beregnede tab ved svejsninger 2,0 mm over 10 år.

Hertil lægges en sikkerhedsfaktor på 1,5 for at tage hånd om procesforstyrrelser, iltmangelepisoder og lokaliseret grubetæring. Den mindste krævede strukturelle vægtykkelsesmargin er 3,0 mm over den minimale strukturelle vægtykkelse. For et 25 mm OD-rør ved 200 bar indvendigt tryk er den minimale strukturelle væg omkring 1,2 mm (baseret på tyndvæggede trykbeholderberegninger med en designspænding på 70 MPa ved 200 grader C), og derfor er den samlede nominelle vægtykkelse 4,2 mm.

Denne beregning er vist i industripraksis for urea stripperrør og varmerør. De fleste ureaanlæg til varmeanlæg specificerer titanium Grade 2-rør med vægtykkelse på 3,5-4,5 mm sammenlignet med 1,5-2,0 mm til mindre krævende kemiske anvendelser. Nogle anlæg med god iltkontrol og lidt svejsekorrosion har med succes fungeret med 3,0 mm væg og opnået 10 års levetid, selvom nedbrud er sket ved 2,5 mm efter 5-6 år.

Urea Heater Tube Specifikation – Anvendelsesmatrix
Urea Procestype Iltkontrol Forventet basiskorrosionshastighed Anbefalet minimum vægtykkelse Forventet 10 års overlevelsesrate
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >95 % CO2-stripping m/ variabel iltRetfærdig (10-30 ppm, almindelige forstyrrelser) 0,08-0,12 mm/år 3,5 mm 90-95 %
Fuld genbrugsbehandling (ingen O2)Dårlig (af{1}}luftet) 0,15-0,20 mm/år 4,5 mm 85-90 %
Any high velocity zones (>5 m/s) Erosion: Tilføj 0,5 mm Tilføj 0,5 mm Tilføj 0,5 mm til ovenstående Variabel konklusion for Urea Heater Spec
Den mindste vægtykkelse for titanium-varmerør i ammoniumcarbamatservice i en 10-årig designlevetid er 3,0 mm med de bedste oxygen-kontrollerede stripningsprocesser og 4,5 mm for afluftede eller total genbrugsprocesser. Den primære fejlrisiko er svejse-zonekorrosion, og derfor er der behov for varmebehandling efter svejsning og præcis svejseprofilering. Ingeniører bør specificere mindste vægtykkelser på 3,5 mm for nye varmelegemespecifikationer i standard-CO₂-stripnings-urinstofanlæg og 4,0 mm for anlæg, der oplever hyppige iltkontrolforstyrrelser. De vægtykkelser, der normalt anvendes til almindelige kemiske operationer (2,0 til 2,5 mm), vil ikke give 10 års levetid i urinstofreaktorer.