U reaktorima za proizvodnju uree s amonijevim karbamatom, koja je granica debljine stjenke potrebna da bi titanska grijaća cijev postigla 10-godišnji radni vijek?

Reaktori za sintezu uree rade u teškim uvjetima s visokotemperaturnom otopinom amonijevog karbamata na 180-210 stupnjeva, pritiscima od 140-250 bara i korozivnom kombinacijom amonijaka, ugljičnog dioksida i srednjih vrsta karbamata. Titan Grade 2 postao je standardni materijal za cijevi grijača u postrojenjima uree-tipa zbog svoje otpornosti na karbamatnu koroziju kada se odabere odgovarajuća granica debljine stijenke. U mnogim kemijskim uvjetima homogena korozija kontrolira gubitak materijala. Amonijev karbamat napada titan kombinacijom opće korozije, lokaliziranih rupa u zonama zahvaćenim toplinom zavara i korozije potpomognute protokom na mjestima sudara velike brzine. Ovaj rad određuje minimalnu debljinu stjenke titanovih cijevi za grijanje razreda 2 za održavanje projektiranog vijeka trajanja od 10 godina na temelju podataka o brzini korozije iz pogona uree u pogonu i ubrzanog testiranja u autoklavu.

Profil brzine korozije u amonijevom karbamatu
Brzina korozije titana Grade 2 u otopini amonijevog karbamata nije konstantna već ovisi o temperaturi, sadržaju kisika i režimu protoka. Pasivirano stanje se postiže u prisutnosti 0,1-0,5% kisika ili zraka u struji karbamata, a ukupna stopa korozije je 0,02 do 0,05 mm godišnje na 190 stupnjeva. Pasivni film postaje manje stabilan u uvjetima bez zraka (O2 < 10 ppm) i stopa korozije raste na 0,10–0,15 mm godišnje. Većina komercijalnih procesa ureje radi s kontroliranim unosom kisika (20-50 ppm) kako bi se održala pasivizacija, iako se smetnje događaju.

Stope korozije u zonama-zahvaćenim toplinom zavarivanja obično su 2-3 puta veće od osnovnog metala, zbog mikrostrukturnih promjena i zaostalih naprezanja. Terenski podaci iz 12 postrojenja za ureu koja su radila 5-10 godina ukazuju na prosječnu koroziju osnovnog metala od 0,08 mm/god (uključujući kvarove pasivizacije) i prodiranje u zonu zavara od 0,20 mm/god. Korozija ubrzanog protoka na ulazima cijevi s brzinama karbamata iznad 5 m/sek uzrokuje lokalizirani gubitak stijenke od dodatnih 0,05-0,10 mm/godišnje.

Izračun debljine stijenke za projektirani životni vijek od 10 godina
Na temelju potrebnog 10-godišnjeg životnog vijeka i korištenjem gore navedenih stopa korozije, potrebna dopuštena korozija izračunava se kao: dopušteni osnovni metal (0,08 mm/godišnje x 10 godina=0.8 mm) + dopušteni zavareni prostor (dodatnih 0,12 mm/godišnje prosječne razlike x 10 godina=1.2 mm lokalizirano). Ako nije uključena dodatna sigurnosna granica, ukupni izračunati gubitak na zavarima je 2,0 mm tijekom 10 godina.

Tome je dodan sigurnosni faktor od 1,5 kako bi se zbrinuli procesni poremećaji, epizode nedostatka kisika i lokalizirani piting. Minimalna potrebna granica debljine zida konstrukcije je 3,0 mm iznad minimalne debljine zida konstrukcije. Za 25 mm OD cijevi pri unutarnjem tlaku od 200 bara, minimalna konstrukcijska stijenka je otprilike 1,2 mm (na temelju proračuna tankih stijenki tlačne posude s projektiranim naprezanjem od 70 MPa na 200 stupnjeva C), stoga je ukupna nazivna debljina stijenke 4,2 mm.

Ovaj izračun prikazan je u industrijskoj praksi za cijevi za odstranjivanje uree i cijevi za grijanje. Većina postrojenja za ureju za servis grijača specificira cijevi od titana Grade 2 s debljinom stijenke od 3,5-4,5 mm, u usporedbi s 1,5-2,0 mm za manje zahtjevne kemijske primjene. Neka postrojenja s dobrom kontrolom kisika i malom korozijom zavara uspješno su radila sa stijenkom od 3,0 mm i postigla život od 10 godina, iako su se kvarovi dogodili na 2,5 mm nakon 5-6 godina.

Specifikacija cijevi grijača uree – matrica primjene
Vrsta procesa s ureom Kontrola kisika Očekivana osnovna stopa korozije Preporučena minimalna debljina stijenke Očekivana 10-godišnja stopa preživljavanja
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >95% otklanjanja CO2 s varijabilnim kisikom Pristojno (10-30 ppm, uobičajeni poremećaji) 0,08-0,12 mm/god 3,5 mm 90-95%
Potpuno recikliranje (bez O2) Loše (od-prozračeno) 0,15-0,20 mm/god 4,5 mm 85-90%
Any high velocity zones (>5 m/s) Erozija: dodajte 0,5 mm Dodajte 0,5 mm Dodajte 0,5 mm na gornji zaključak varijable za specifikaciju grijača uree
Minimalna debljina stjenke za titanijske grijaće cijevi u radu s amonijevim karbamatom za projektirani životni vijek od 10-godina je 3,0 mm s najboljim postupcima skidanja-kontroliranim kisikom i 4,5 mm za procese deaeracije ili potpunog recikliranja. Primarni rizik kvara je korozija-zone zavarivanja i stoga su potrebni toplinska obrada nakon zavarivanja i precizno profiliranje zavara. Inženjeri bi trebali odrediti minimalnu debljinu stijenke od 3,5 mm za nove specifikacije grijača u standardnim postrojenjima za uklanjanje uree CO₂ i 4,0 mm za postrojenja koja imaju česte poremećaje kontrole kisika. Debljine stjenke koje se obično koriste za obične kemijske operacije (2,0 do 2,5 mm) neće dati 10-godišnji život u reaktorima za ureu.