В реактори за производство на карбамид с амониев карбамат, каква граница на дебелината на стената е необходима за титанова нагревателна тръба, за да постигне 10-годишен експлоатационен живот?

Реакторите за синтез на урея работят при тежки условия с високотемпературен разтвор на амониев карбамат при 180-210 градуса, налягане от 140-250 бара и корозивна комбинация от амоняк, въглероден диоксид и междинни карбаматни видове. Титан клас 2 се превърна в стандартен материал за нагревателни тръби в инсталации за-тип карбамид поради неговата устойчивост на карбаматна корозия, когато е избрана подходяща граница на дебелината на стената. В много химически настройки хомогенната корозия контролира загубата на материал. Амониевият карбамат атакува титана чрез комбинация от обща корозия, локализирана питинг в зоните, засегнати от топлината на заваръчния шев, и корозия, подпомагана от потока при места на удар с висока скорост. Този документ определя минималната дебелина на стената на нагревателните тръби от титан клас 2 за поддържане на 10-годишен проектен живот въз основа на данни за скоростта на корозия от работещи инсталации за урея и ускорено тестване в автоклав.

Профил на скоростта на корозия в амониев карбамат
Скоростта на корозия на титан клас 2 в разтвор на амониев карбамат не е постоянна, а зависи от температурата, съдържанието на кислород и режима на потока. Пасивираното състояние се получава в присъствието на 0,1-0,5% кислород или въздух в карбаматния поток и общата скорост на корозия е 0,02 до 0,05 mm на година при 190 градуса. Пасивният филм става по-малко стабилен при деаерирани условия (O2 < 10 ppm) и скоростта на корозия се увеличава до 0,10–0,15 mm на година. Повечето търговски процеси с урея работят с контролиран вход на кислород (20-50 ppm), за да се поддържа пасивация, въпреки че възникват смущения.

Степента на корозия в засегнатите от топлина-заварени зони обикновено е 2-3 пъти по-висока от тази на основния метал, поради микроструктурни промени и остатъчни напрежения. Полевите данни от 12 съоръжения за карбамид, работещи в продължение на 5-10 години, показват средна корозия на основния метал от 0,08 mm/годишно (включително неуспехи при пасивиране) и проникване в зоната на заваряване от 0,20 mm/годишно. Ускорената от потока корозия на входовете на тръбите със скорости на карбамат над 5 m/sec причинява локализирана загуба на стена от допълнителни 0,05-0,10 mm/година.

Изчисляване на дебелината на стената за 10-годишен проектен живот
Въз основа на необходимия 10-годишен живот и като се използват горепосочените нива на корозия, необходимото допустимо допустимо ниво на корозия се изчислява като: допустимото допустимо количество за неблагороден метал (0,08 mm/година x 10 години=0.8 mm) + допустимо допустимо ниво на зоната на заваряване (допълнителни 0,12 mm/годишно средно диференциално x 10 години=1.2 mm локализирано). Ако не е включена допълнителна граница на безопасност, общата изчислена загуба при заварки е 2,0 mm за 10 години.

Към това се добавя коефициент на безопасност от 1,5, за да се погрижи за смущения в процеса, епизоди на недостиг на кислород и локализирани питинги. Минималната необходима граница на дебелината на структурната стена е 3,0 mm над минималната дебелина на структурната стена. За тръба с OD 25 mm при вътрешно налягане 200 bar, минималната структурна стена е приблизително 1,2 mm (въз основа на изчисления на тънкостенен съд под налягане с проектно напрежение от 70 MPa при 200 °C), следователно общата номинална дебелина на стената е 4,2 mm.

Това изчисление е показано в индустриалната практика за тръби за отстраняване на урея и нагревателни тръби. Повечето инсталации за карбамид за обслужване на нагреватели определят титаниеви тръби клас 2 с дебелина на стената от 3,5-4,5 mm, в сравнение с 1,5-2,0 mm за по-малко взискателни химически приложения. Някои инсталации с добър контрол на кислорода и малка корозия на заваръчните шевове са работили успешно с 3,0 mm стена и са постигнали 10-годишен живот, въпреки че са настъпили повреди при 2,5 mm на 5-6 години.

Спецификация на тръбата за нагревател на урея – матрица за приложение
Тип процес на карбамид Контрол на кислорода Очаквана основна степен на корозия Препоръчителна минимална дебелина на стената Очаквана 10-годишна степен на оцеляване
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >95% отделяне на CO2 с променлив кислородFair (10-30 ppm, често смущения) 0,08-0,12 mm/годишно 3,5 mm 90-95%
Пълна обработка на рециклиране (без O2) Лоша (де-аерирана) 0,15-0,20 mm/годишно 4,5 mm 85-90%
Any high velocity zones (>5 m/s) Ерозия: добавете 0,5 mm Добавете 0,5 mm Добавете 0,5 mm към горната променлива Заключение за спецификациите на карбамидния нагревател
Минималната дебелина на стената на титаниеви нагревателни тръби в амониев карбамат за 10-годишен проектен живот е 3,0 mm при най-добрите-контролирани от кислород процеси на оголване и 4,5 mm при обезвъздушени или процеси на пълно рециклиране. Основният риск от повреда е корозията в зоната на заваръчните-заваръчни шевове и затова са необходими топлинна обработка след заваряване и прецизно профилиране на заваръчния шев. Инженерите трябва да посочат минимална дебелина на стената от 3,5 mm за новите спецификации на нагревателя в стандартни инсталации за отстраняване на CO₂ и 4,0 mm за инсталации, които изпитват чести смущения в контрола на кислорода. Дебелините на стените, които обикновено се използват за обикновени химически операции (2,0 до 2,5 mm), няма да осигурят 10-годишен живот в реакторите за урея.