I reaktorer för ureaproduktion med ammoniumkarbamat, vilken väggtjockleksmarginal krävs för att ett värmerör i titan ska uppnå 10-årig livslängd?

Reaktorer för ureasyntes fungerar under svåra förhållanden med en högtemperatur ammoniumkarbamatlösning vid 180-210 grader, tryck på 140-250 bar och en frätande kombination av ammoniak, koldioxid och mellanliggande karbamatarter. Titanium Grade 2 har blivit standardmaterialet för värmerör i ureaanläggningar av -typ på grund av dess motståndskraft mot karbamatkorrosion när en tillräcklig väggtjockleksmarginal väljs. I många kemiska miljöer kontrollerar homogen korrosion materialförlusten. Ammoniumkarbamat angriper titan genom en kombination av allmän korrosion, lokal gropbildning i svetsvärmepåverkade zoner och flödesassisterad korrosion vid höghastighetspåverkansplatser. Detta papper fastställer den minimala väggtjockleken för titanium Grad 2 värmerör för att upprätthålla en 10-årig designlivslängd baserat på korrosionshastighetsdata från driftiga ureaanläggningar och accelererad autoklavtestning.

Profil för korrosionshastighet i ammoniumkarbamat
Korrosionshastigheten för titan Grade 2 i ammoniumkarbamatlösning är inte konstant utan beror på temperatur, syrehalt och flödesschema. Det passiverade tillståndet erhålls i närvaro av 0,1-0,5 % syre eller luft i karbamatströmmen och den totala korrosionshastigheten är 0,02 till 0,05 mm per år vid 190 grader. Den passiva filmen blir mindre stabil under avluftade förhållanden (O2 < 10 ppm) och korrosionshastigheten ökar till 0,10–0,15 mm per år. De flesta kommersiella ureaprocesser arbetar med kontrollerad syretillförsel (20-50 ppm) för att upprätthålla passivering, även om störningar förekommer.

Korrosionshastigheterna i svetsvärmepåverkade zoner- är vanligtvis 2-3 gånger högre än basmetallen, på grund av mikrostrukturella förändringar och kvarvarande spänningar. Fältdata från 12 ureaanläggningar i drift i 5-10 år indikerar en genomsnittlig basmetallkorrosion på 0,08 mm/år (inklusive passiveringsfel) och svetszonspenetration på 0,20 mm/år. Flödesaccelererad korrosion vid rörinlopp med karbamathastigheter över 5 m/sek orsakar lokaliserad väggförlust på ytterligare 0,05-0,10 mm/år.

Väggtjockleksberäkning för 10 års designlivslängd
Baserat på en erforderlig livslängd på 10 år och med användning av ovanstående korrosionshastigheter, beräknas den erforderliga korrosionstillåten som: Basmetalltillägg (0,08 mm/år x 10 år=0.8 mm) + svetszonstillägg (ytterligare 0,12 mm/år genomsnittlig skillnad x 10 år=1.2 mm lokaliserat). Om ingen extra säkerhetsmarginal ingår för är den totala beräknade förlusten vid svetsning 2,0 mm över 10 år.

Till detta läggs en säkerhetsfaktor på 1,5 för att ta hand om processstörningar, syrebristepisoder och lokaliserad gropfrätning. Den minsta nödvändiga strukturella väggtjockleksmarginalen är 3,0 mm över den minsta strukturella väggtjockleken. För ett 25 mm OD-rör vid 200 bar invändigt tryck är den minsta strukturella väggen ungefär 1,2 mm (baserat på tunnväggiga tryckkärlsberäkningar med en designspänning på 70 MPa vid 200 grader C), därför är den totala nominella väggtjockleken 4,2 mm.

Denna beräkning visas i branschpraxis för urea stripperrör och värmerör. De flesta ureaanläggningar för värmeservice specificerar titan Grad 2-rör med väggtjocklek på 3,5-4,5 mm, jämfört med 1,5-2,0 mm för mindre krävande kemiska tillämpningar. Vissa anläggningar med bra syrekontroll och lite svetskorrosion har framgångsrikt arbetat med 3,0 mm vägg och uppnått 10 års livslängd, även om haverier har inträffat vid 2,5 mm vid 5-6 år.

Specifikation för ureavärmare – Applikationsmatris
Urea Processtyp Syrekontroll Förväntad baskorrosionshastighet Rekommenderad minsta väggtjocklek Förväntad 10 års överlevnadshastighet
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >95 % CO2-avdrivning med variabelt syre Rättvis (10–30 ppm, vanliga störningar) 0,08–0,12 mm/år 3,5 mm 90–95 %
Full återvinningsprocess (ingen O2) Dålig (av{1}}luftad) 0,15-0,20 mm/år 4,5 mm 85-90 %
Any high velocity zones (>5 m/s) Erosion: lägg till 0,5 mm Lägg till 0,5 mm Lägg till 0,5 mm till ovan Variabel slutsats för urea Heater Spec
Den minsta väggtjockleken för värmerör av titan i ammoniumkarbamatservice för en 10-årig designlivslängd är 3,0 mm med bästa syre-kontrollerade strippningsprocesser och 4,5 mm för avluftade eller totala återvinningsprocesser. Den primära risken för fel är svets-zonkorrosion och därför behövs värmebehandling efter svets och exakt svetsprofilering. Ingenjörer bör specificera minsta väggtjocklek på 3,5 mm för nya värmarespecifikationer i standardanläggningar för CO₂-avdrivning av urea och 4,0 mm för anläggningar som ofta upplever störningar i syrekontrollen. De väggtjocklekar som normalt används för vanliga kemiska operationer (2,0 till 2,5 mm) ger inte 10 års livslängd i urea-reaktorer.