Welke wanddiktemarge is vereist voor een titanium verwarmingsbuis in ureumproductiereactoren met ammoniumcarbamaat om een levensduur van 10 jaar te bereiken?
Laat een bericht achter
Ureumsynthesereactoren werken onder zware omstandigheden met een ammoniumcarbamaatoplossing op hoge temperatuur van 180-210 graden, een druk van 140-250 bar en een corrosieve combinatie van ammoniak, kooldioxide en intermediaire carbamaatsoorten. Titaniumkwaliteit 2 is het standaardmateriaal geworden voor verwarmingsbuizen in ureuminstallaties van het striptype- vanwege de weerstand tegen carbamaatcorrosie wanneer een adequate wanddiktemarge wordt geselecteerd. In veel chemische omgevingen controleert homogene corrosie het materiaalverlies. Ammoniumcarbamaat tast titanium aan door een combinatie van algemene corrosie, plaatselijke putjes in door hitte beïnvloede laszones en stromingsondersteunde corrosie op botsingslocaties met hoge snelheid. Dit artikel bepaalt de minimale wanddikte van de verwarmingsbuizen van titaniumklasse 2 om een ontwerplevensduur van 10 jaar te garanderen, gebaseerd op gegevens over de corrosiesnelheid van werkende ureumfabrieken en versnelde autoclaaftests.
Profiel van de corrosiesnelheid in ammoniumcarbamaat
De corrosiesnelheid van titanium klasse 2 in ammoniumcarbamaatoplossing is niet constant, maar hangt af van de temperatuur, het zuurstofgehalte en het stromingsregime. De gepassiveerde toestand wordt verkregen in aanwezigheid van 0,1-0,5% zuurstof of lucht in de carbamaatstroom en de totale corrosiesnelheid bedraagt 0,02 tot 0,05 mm per jaar bij 190 graden. De passieve film wordt minder stabiel onder ontluchte omstandigheden (O2 < 10 ppm) en de corrosiesnelheid neemt toe tot 0,10–0,15 mm per jaar. De meeste commerciële ureumprocessen werken met gecontroleerde zuurstoftoevoer (20-50 ppm) om de passivatie in stand te houden, hoewel er wel degelijk verstoringen optreden.
De corrosiesnelheid in de laswarmte-beïnvloede zones is gewoonlijk 2-3 maal hoger dan die van het basismetaal, als gevolg van microstructurele veranderingen en restspanningen. Veldgegevens van 12 ureumfabrieken die al 5 tot 10 jaar in bedrijf zijn, duiden op een gemiddelde corrosie van het basismetaal van 0,08 mm/jaar (inclusief passivatiefouten) en penetratie in de laszone van 0,20 mm/jaar. Door stroming versnelde corrosie bij buisinlaten met carbamaatsnelheden boven 5 m/sec veroorzaakt plaatselijk wandverlies van nog eens 0,05-0,10 mm/jaar.
Berekening van de wanddikte voor een ontwerplevensduur van 10 jaar
Gebaseerd op een vereiste levensduur van 10 jaar en met gebruikmaking van de bovengenoemde corrosiesnelheden, wordt de vereiste corrosietoeslag berekend als: Toelage voor basismetaal (0,08 mm/jaar x 10 jaar=0.8 mm) + Toegestane laszone (extra gemiddeld verschil van 0,12 mm/jaar x 10 jaar=1.2 mm gelokaliseerd). Als er geen extra veiligheidsmarge wordt meegenomen, bedraagt het totale berekende lasverlies 2,0 mm over 10 jaar.
Hieraan wordt een veiligheidsfactor van 1,5 toegevoegd om procesverstoringen, zuurstoftekorten en plaatselijke putjes op te vangen. De minimaal vereiste structurele wanddiktemarge bedraagt 3,0 mm boven de minimale structurele wanddikte. Voor een buis met een buitendiameter van 25 mm bij een interne druk van 200 bar is de minimale structurele wand ongeveer 1,2 mm (gebaseerd op berekeningen van dunwandige drukvaten met een ontwerpspanning van 70 MPa bij 200 °C), dus de totale nominale wanddikte is 4,2 mm.
Deze berekening wordt in de industriële praktijk getoond voor ureumstripperbuizen en verwarmingsbuizen. De meeste ureumfabrieken voor verwarming specificeren buizen van titanium klasse 2 met een wanddikte van 3,5-4,5 mm, vergeleken met 1,5-2,0 mm voor minder veeleisende chemische toepassingen. Sommige fabrieken met goede zuurstofbeheersing en weinig lascorrosie hebben met succes gewerkt met een wand van 3,0 mm en een levensduur van 10 jaar bereikt, hoewel er na 5-6 jaar bij 2,5 mm storingen zijn opgetreden.
Specificatie ureumverwarmerbuis – toepassingsmatrix
Ureum Procestype ZuurstofbeheersingVerwachte basiscorrosiesnelheid Aanbevolen minimale wanddikteVerwachte overlevingskans na 10 jaar
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >95% CO2-stripping met variabele zuurstof Redelijk (10-30 ppm, veel voorkomende verstoringen) 0,08-0,12 mm/jr 3,5 mm 90-95%
Volledige recyclingverwerking (geen O2)Slecht (ont-belucht) 0,15-0,20 mm/jr 4,5 mm 85-90%
Any high velocity zones (>5 m/s) Erosie: voeg 0,5 mm toeVoeg 0,5 mm toe Voeg 0,5 mm toe aan bovenstaande Variabele conclusie voor specificaties van de ureumverwarmer
De minimale wanddikte voor titanium verwarmingsbuizen in ammoniumcarbamaatgebruik voor een ontwerplevensduur van 10- jaar is 3,0 mm bij de beste zuurstof-gecontroleerde stripprocessen en 4,5 mm voor ontluchte of totale recyclingprocessen. Het belangrijkste risico op falen is las-zonecorrosie. Daarom zijn een warmtebehandeling na het lassen en nauwkeurige lasprofilering nodig. Ingenieurs moeten een minimale wanddikte van 3,5 mm specificeren voor nieuwe verwarmingsspecificaties in standaard CO₂-strippende ureuminstallaties en 4,0 mm voor installaties die regelmatig last hebben van verstoringen van de zuurstofregulatie. De wanddikten die normaal gesproken worden gebruikt voor gewone chemische bewerkingen (2,0 tot 2,5 mm) zullen in ureumreactoren geen levensduur van 10 jaar opleveren.
