Millainen seinämän paksuusmarginaali vaaditaan titaanilämmitysputkella ammoniumkarbamaattia käyttävissä urean tuotantoreaktoreissa 10 vuoden käyttöiän saavuttamiseksi?

Ureasynteesireaktorit toimivat ankarissa olosuhteissa korkean lämpötilan 180-210 asteen ammoniumkarbamaattiliuoksella, 140-250 barin paineilla ja syövyttävällä ammoniakin, hiilidioksidin ja välikarbamaattilajien yhdistelmällä. Titanium Grade 2:sta on tullut standardimateriaali lämmitinputkissa strippaus-tyyppisissä urealaitoksissa, koska se kestää karbamaattikorroosiota, kun valitaan riittävä seinämän paksuusmarginaali. Monissa kemiallisissa olosuhteissa homogeeninen korroosio hallitsee materiaalin häviämistä. Ammoniumkarbamaatti hyökkää titaania vastaan ​​yleisen korroosion, paikallisen pistesyöpymisen yhdistelmällä hitsauslämmön vaikutusalueilla ja virtausavusteisen korroosion yhdistelmällä nopeiden törmäyskohdissa. Tässä asiakirjassa määritetään titaani Grade 2 -lämmitysputkien vähimmäisseinämän paksuus 10 vuoden suunnittelun kestämiseksi perustuen toimivien urealaitosten korroosionopeustietoihin ja nopeutettuun autoklaavitestaukseen.

Ammoniumkarbamaatin korroosionopeuden profiili
Titaanin Grade 2 korroosionopeus ammoniumkarbamaattiliuoksessa ei ole vakio, vaan riippuu lämpötilasta, happipitoisuudesta ja virtausjärjestelmästä. Passivoitunut tila saavutetaan, kun karbamaattivirrassa on 0,1-0,5 % happea tai ilmaa ja yleinen korroosionopeus on 0,02-0,05 mm vuodessa 190 asteessa. Passiivikalvo muuttuu vähemmän stabiiliksi ilmanpoistoolosuhteissa (O2 < 10 ppm) ja korroosionopeus kasvaa 0,10–0,15 mm:iin vuodessa. Useimmat kaupalliset ureaprosessit toimivat kontrolloidulla hapen syötöllä (20-50 ppm) passivoimisen ylläpitämiseksi, vaikka häiriöitä esiintyy.

Korroosionopeudet hitsin lämmön{0}}vaikutusvyöhykkeillä ovat yleensä 2-3 kertaa korkeammat kuin perusmetallissa mikrorakenteen muutoksista ja jäännösjännityksistä johtuen. Kenttätiedot 12:sta urealaitoksesta, jotka ovat toimineet 5-10 vuotta, osoittavat keskimääräisen perusmetallin korroosion 0,08 mm/v (mukaan lukien passivointihäiriöt) ja hitsausalueen tunkeutumisen 0,20 mm/v. Virtauskiihdytetty korroosio putkien tuloaukoissa karbamaattinopeudella yli 5 m/s aiheuttaa paikallista seinähäviötä 0,05-0,10 mm/vuosi.

Seinän paksuuslaskelma 10 vuoden suunnitteluelämältä
Vaaditun 10 vuoden käyttöiän perusteella ja yllä olevia korroosionopeuksia käyttäen vaadittu korroosiovara lasketaan seuraavasti: Epäjalometallivara (0,08 mm/vuosi x 10 vuotta=0.8 mm) + hitsausvyöhykevara (lisämäärä 0,12 mm/vuosi keskimääräinen ero x 10 vuotta=1.2 mm paikallisesti). Jos ylimääräistä turvamarginaalia ei sisällytetä, laskennallinen kokonaishäviö hitsauksissa on 2,0 mm 10 vuoden aikana.

Tähän lisätään 1,5 varmuuskerroin prosessihäiriöiden, happipulakohtausten ja paikallisten pistekorjausten hoitamiseksi. Pienin vaadittu rakenteellisen seinämän paksuusmarginaali on 3,0 mm rakenteellisen seinämän vähimmäispaksuuden yläpuolella. 25 mm:n ulkohalkaisijan putkelle 200 baarin sisäisessä paineessa rakenteellisen seinämän vähimmäispituus on noin 1,2 mm (perustuu ohutseinämäisen paineastian laskelmiin, joiden suunnittelujännitys on 70 MPa 200 °C:ssa), joten seinämän nimellispaksuus on yhteensä 4,2 mm.

Tämä laskelma on esitetty teollisuuskäytännössä ureanpoistoputkille ja lämmitysputkille. Useimmat urealaitokset lämmittimien huoltoa varten määrittävät titaani Grade 2 -putket, joiden seinämän paksuus on 3,5–4,5 mm, verrattuna vähemmän vaativiin kemiallisiin sovelluksiin 1,5–2,0 mm. Jotkut laitokset, joissa on hyvä hapenhallinta ja vähäinen hitsikorroosio, ovat toimineet menestyksekkäästi 3,0 mm:n seinämillä ja saavuttaneet 10 vuoden käyttöiän, vaikka 2,5 mm:n kohdalla 5-6 vuoden kohdalla on tapahtunut vikoja.

Urealämmittimen putken erittely – sovellusmatriisi
Urea-prosessityyppi HapenhallintaOdotettu pohjakorroosionopeus Suositeltu vähimmäisseinämäpaksuusOdotettu 10 vuoden eloonjäämisaste
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >95 % hiilidioksidin poisto vaihtelevalla hapella Kohtuullinen (10-30 ppm, yleisiä häiriöitä) 0,08-0,12 mm/v 3,5 mm 90-95 %
Täysi kierrätyskäsittely (ei O2) Huono (ilmasta poistettu) 0,15-0,20 mm/v 4,5 mm 85-90 %
Any high velocity zones (>5 m/s) Eroosio: lisää 0,5 mmLisää 0,5 mm Lisää 0,5 mm yllä olevaan muuttuvaan päätelmään urealämmittimen spesifikaatiolle
Titaanilämmitysputkien vähimmäisseinämän paksuus ammoniumkarbamaattihuollossa 10 -vuotisessa suunnittelussa on 3,0 mm parhaimmilla happi-ohjatuilla poistoprosesseilla ja 4,5 mm ilmanpoistoprosesseilla tai täydellisellä kierrätysprosesseilla. Ensisijainen epäonnistumisriski on hitsausalueen korroosio, ja siksi tarvitaan hitsauksen jälkeistä lämpökäsittelyä ja tarkkaa hitsin profilointia. Insinöörien tulee määrittää vähimmäisseinämäpaksuudeksi 3,5 mm uusille lämmittimille standardeissa CO₂-puhdistusurealaitoksissa ja 4,0 mm laitoksille, joissa hapenhallinta häiriintyy usein. Tavallisiin kemiallisiin toimintoihin normaalisti käytetyt seinämänpaksuudet (2,0-2,5 mm) eivät anna 10 vuoden käyttöikää ureareaktoreissa.