Aká hrúbka steny je potrebná v reaktoroch na výrobu močoviny s karbamátom amónnym, aby titánová vykurovacia trubica dosiahla 10-ročnú životnosť?

Reaktory na syntézu močoviny pracujú v drsných podmienkach s vysokoteplotným roztokom karbamátu amónneho pri 180-210 stupňoch, tlakmi 140-250 barov a korozívnou kombináciou amoniaku, oxidu uhličitého a medziproduktov karbamátu. Titán triedy 2 sa stal štandardným materiálom pre vykurovacie rúrky v závodoch na výrobu močoviny-typu stripovania, pretože je odolný voči karbamátovej korózii, keď sa zvolí primeraná hrúbka steny. V mnohých chemických prostrediach homogénna korózia riadi stratu materiálu. Karbamát amónny napáda titán kombináciou všeobecnej korózie, lokalizovanej jamkovej korózie v oblastiach ovplyvnených teplom zvaru a korózie podporovanej prúdením v miestach nárazu s vysokou rýchlosťou. Tento dokument určuje minimálnu hrúbku steny titánových vykurovacích rúrok Grade 2, aby sa udržala 10-ročná konštrukčná životnosť na základe údajov o rýchlosti korózie z prevádzkovaných zariadení na výrobu močoviny a zrýchleného testovania v autokláve.

Profil rýchlosti korózie v karbamáte amónnom
Rýchlosť korózie titánu stupňa 2 v roztoku karbamátu amónneho nie je konštantná, ale závisí od teploty, obsahu kyslíka a prietokového režimu. Pasivovaný stav sa dosiahne v prítomnosti 0,1 až 0,5 % kyslíka alebo vzduchu v prúde karbamátu a celková rýchlosť korózie je 0,02 až 0,05 mm za rok pri 190 stupňoch. Pasívny film sa stáva menej stabilným v podmienkach odvzdušnenia (O2 < 10 ppm) a rýchlosť korózie sa zvyšuje na 0,10–0,15 mm za rok. Väčšina komerčných procesov s močovinou pracuje s kontrolovaným prívodom kyslíka (20-50 ppm), aby sa zachovala pasivácia, aj keď sa vyskytujú poruchy.

Rýchlosť korózie v oblastiach ovplyvnených teplom zvaru-je zvyčajne 2-3-krát vyššia ako u základného kovu v dôsledku mikroštrukturálnych zmien a zvyškových napätí. Terénne údaje z 12 zariadení na výrobu močoviny v prevádzke 5-10 rokov uvádzajú priemernú koróziu základného kovu 0,08 mm/rok (vrátane pasivačných porúch) a penetráciu zvarovej zóny 0,20 mm/rok. Prietokom zrýchlená korózia na vstupoch do rúr s rýchlosťami karbamátu nad 5 m/s spôsobuje lokalizovanú stratu steny o ďalších 0,05-0,10 mm/rok.

Výpočet hrúbky steny pre 10-ročnú životnosť dizajnu
Na základe požadovanej 10-ročnej životnosti a s použitím vyššie uvedených rýchlostí korózie sa požadovaná tolerancia na koróziu vypočíta takto: Prídavok na základný kov (0,08 mm/rok x 10 rokov=0.8 mm) + prípustná odchýlka zóny zvaru (ďalší priemerný rozdiel 0,12 mm/rok x 10 rokov=1.2 mm lokalizovaný). Ak nie je zahrnutá žiadna dodatočná bezpečnostná rezerva, celková vypočítaná strata na zvaroch je 2,0 mm za 10 rokov.

K tomu sa pridáva bezpečnostný faktor 1,5, aby sa postarali o procesné poruchy, epizódy nedostatku kyslíka a lokalizované pitting. Minimálna požadovaná hrúbka steny konštrukcie je 3,0 mm nad minimálnou hrúbkou steny konštrukcie. Pre rúrku s vonkajším priemerom 25 mm pri vnútornom tlaku 200 barov je minimálna konštrukčná stena približne 1,2 mm (na základe výpočtov tenkostennej tlakovej nádoby s návrhovým napätím 70 MPa pri 200 °C), teda celková nominálna hrúbka steny je 4,2 mm.

Tento výpočet je uvedený v priemyselnej praxi pre rúrky na stripovanie močoviny a rúrky ohrievača. Väčšina zariadení na výrobu močoviny na prevádzku ohrievačov špecifikuje titánové rúrky triedy 2 s hrúbkou steny 3,5 – 4,5 mm v porovnaní s 1,5 – 2,0 mm pre menej náročné chemické aplikácie. Niektoré zariadenia s dobrou kontrolou kyslíka a malou koróziou zvaru úspešne fungovali s 3,0 mm stenou a dosiahli 10-ročnú životnosť, aj keď k poruchám došlo pri 2,5 mm po 5-6 rokoch.

Špecifikácia trubice ohrievača močoviny – aplikačná matica
Močovina Typ procesu Kontrola kyslíkom Očakávaná základná miera korózie Odporúčaná minimálna hrúbka steny Očakávaná miera prežitia 10 rokov
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >Odstraňovanie 95 % CO2 s variabilným kyslíkomFair (10-30 ppm, bežné poruchy) 0,08-0,12 mm/rok 3,5 mm 90-95 %
Úplné recyklačné spracovanie (bez O2) Slabé (od{1}}prevzdušnené) 0,15-0,20 mm/rok 4,5 mm 85-90 %
Any high velocity zones (>5 m/s) Erózia: pridať 0,5 mmPridať 0,5 mm Pridať 0,5 mm vyššie Variabilný záver pre špecifikáciu ohrievača močoviny
Minimálna hrúbka steny pre titánové vykurovacie rúrky v prevádzke s karbamátom amónnym pre 10-ročnú konštrukčnú životnosť je 3,0 mm pri najlepších procesoch odizolovania riadeným kyslíkom- a 4,5 mm pri procesoch odvzdušnenia alebo úplnej recyklácie. Primárnym rizikom zlyhania je korózia-zóny zvaru, a preto je potrebné tepelné spracovanie po zváraní a presné profilovanie zvaru. Inžinieri by mali špecifikovať minimálnu hrúbku steny 3,5 mm pre špecifikácie nového ohrievača v štandardných zariadeniach na odstraňovanie močoviny CO₂ a 4,0 mm pre zariadenia, ktoré zažívajú časté poruchy regulácie kyslíka. Hrúbka stien bežne používaná pre bežné chemické operácie (2,0 až 2,5 mm) nezabezpečí 10-ročnú životnosť v močovinových reaktoroch.