У реакторах для виробництва сечовини з карбаматом амонію, який запас товщини стінки необхідний для досягнення 10-річного терміну служби титанової трубки нагрівача?

Реактори синтезу сечовини працюють у суворих умовах із високотемпературним розчином карбамату амонію при 180-210 градусів, тиском 140-250 бар і корозійним поєднанням аміаку, вуглекислого газу та проміжних видів карбамату. Титан класу 2 став стандартним матеріалом для труб нагрівачів на заводах із сечовини -типу десорбції через його стійкість до карбаматної корозії, коли вибрано відповідний запас товщини стінки. У багатьох хімічних середовищах гомогенна корозія контролює втрату матеріалу. Карбамат амонію руйнує титан за допомогою комбінації загальної корозії, локалізованої ямкової коррозії в зонах термічного впливу зварного шва та корозії під впливом потоку в місцях високошвидкісного зіткнення. У цьому документі визначається мінімальна товщина стінки титанових нагрівальних трубок класу 2 для підтримки 10-річного проектного терміну служби на основі даних про швидкість корозії з діючих установок виробництва сечовини та прискореного випробування в автоклаві.

Профіль швидкості корозії карбамату амонію
Швидкість корозії титану 2 класу в розчині карбамату амонію непостійна, а залежить від температури, вмісту кисню та режиму течії. Пасивований стан досягається за наявності 0,1-0,5% кисню або повітря в потоці карбамату, а загальна швидкість корозії становить від 0,02 до 0,05 мм на рік при 190 градусах. Пасивна плівка стає менш стабільною в умовах деаерації (O2 < 10 ppm), а швидкість корозії зростає до 0,10–0,15 мм на рік. Більшість комерційних процесів виробництва сечовини працюють з контрольованим надходженням кисню (20-50 частин на мільйон) для підтримки пасивації, хоча збої все ж трапляються.

Швидкість корозії в зонах термічного -впливу зварювання зазвичай у 2-3 рази вища, ніж у основного металу, через мікроструктурні зміни та залишкові напруги. Польові дані з 12 заводів з виробництва сечовини, що експлуатуються протягом 5-10 років, вказують на середню корозію основного металу 0,08 мм/рік (включаючи порушення пасивації) і проникнення в зону зварювання 0,20 мм/рік. Корозія прискореного потоку на вхідних отворах труб зі швидкостями карбамату понад 5 м/сек спричиняє локалізовану втрату стінки додаткових 0,05-0,10 мм/рік.

Розрахунок товщини стінки на 10 років проектного терміну служби
Виходячи з необхідного 10-річного терміну служби та з використанням наведених вище показників корозії, необхідний припуск на корозію розраховується як: припуск на основний метал (0,08 мм/рік x 10 років=0.8 мм) + припуск на зону зварювання (додаткова 0,12 мм/рік середня різниця x 10 років=1.2 мм локально). Якщо додатковий запас міцності не включено, загальна розрахункова втрата на зварних швах становить 2,0 мм за 10 років.

До цього додається коефіцієнт безпеки 1,5 для запобігання порушенням процесу, епізодів нестачі кисню та локалізованого пітингу. Мінімальний необхідний запас товщини стінки конструкції становить 3,0 мм вище мінімальної товщини стінки конструкції. Для трубки з зовнішнім діаметром 25 мм при внутрішньому тиску 200 бар мінімальна структурна стінка становить приблизно 1,2 мм (на основі розрахунків тонкостінного резервуара під тиском із розрахунковою напругою 70 МПа при 200 °C), отже, загальна номінальна товщина стінки становить 4,2 мм.

Цей розрахунок показаний у промисловій практиці для труб стриппера сечовини та труб нагрівача. Більшість заводів із виробництва сечовини для обслуговування нагрівачів вибирають титанові труби класу 2 із товщиною стінки 3,5-4,5 мм, порівняно з 1,5-2,0 мм для менш вимогливих хімічних застосувань. Деякі установки з хорошим контролем надходження кисню та невеликою корозією зварного шва успішно працювали зі стінкою 3,0 мм і досягли 10-річного терміну служби, хоча поломки відбувалися на 2,5 мм через 5-6 років.

Специфікація трубки нагрівача сечовини – матриця застосування
Тип процесу сечовини Контроль кисню Очікувана базова швидкість корозії Рекомендована мінімальна товщина стінки Очікувана 10-річна виживаність
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >Видалення 95% CO2 із змінним вмістом кисню Задовільно (10-30 ppm, звичайні порушення) 0,08-0,12 мм/рік 3,5 мм 90-95%
Повна переробка (без O2) Погано (де-аерація) 0,15-0,20 мм/рік 4,5 мм 85-90%
Any high velocity zones (>5 м/с) Ерозія: додайте 0,5 мм Додайте 0,5 мм Додайте 0,5 мм до вищезазначеного змінного висновку для специфікації нагрівача сечовини
Мінімальна товщина стінки для титанових трубок нагрівача в карбаматі амонію протягом 10-річного проектного терміну служби становить 3,0 мм для найкращих-процесів зачистки з контрольованим киснем і 4,5 мм для процесів деаерації або повної переробки. Основним ризиком несправності є корозія зони зварювання, тому після зварювання потрібна термічна обробка та точне профілювання зварного шва. Інженери повинні вказати мінімальну товщину стінки 3,5 мм для нових специфікацій нагрівача на стандартних установках для очищення сечовини CO₂ і 4,0 мм для установок, які часто відчувають порушення контролю кисню. Товщина стінок, яка зазвичай використовується для звичайних хімічних операцій (від 2,0 до 2,5 мм), не забезпечить 10-річного терміну служби в реакторах із сечовиною.