U reaktorima za proizvodnju uree s amonijum karbamatom, koja je margina debljine stijenke potrebna da bi cijev grijača od titanijuma postigla 10-godišnji vijek trajanja?

Reaktori za sintezu uree rade u teškim uslovima sa visokotemperaturnim rastvorom amonijum karbamata na 180-210 stepeni, pritiscima od 140-250 bara i korozivnom kombinacijom amonijaka, ugljen-dioksida i srednjeg karbamata. Titanijum Grade 2 je postao standardni materijal za cijevi grijača u postrojenjima za uklanjanje uree tipa - zbog svoje otpornosti na karbamatnu koroziju kada je odabrana adekvatna margina debljine zida. U mnogim hemijskim okruženjima homogena korozija kontroliše gubitak materijala. Amonijum karbamat napada titanijum kombinacijom opšte korozije, lokalizovanog pitinga u zonama zavarenim toplotnim uticajem i korozije potpomognute protokom na lokacijama udarca velike brzine. Ovaj rad određuje minimalnu debljinu stijenke cijevi za grijanje od titanijuma Grade 2 za održavanje projektnog vijeka od 10 godina na osnovu podataka o stopi korozije iz pogonskih postrojenja uree i ubrzanog testiranja u autoklavu.

Profil stope korozije u amonijum karbamatu
Brzina korozije titanijuma Grade 2 u rastvoru amonijum karbamata nije konstantna, već zavisi od temperature, sadržaja kiseonika i režima protoka. Pasivirano stanje se postiže u prisustvu 0,1-0,5% kiseonika ili vazduha u struji karbamata i ukupna stopa korozije je 0,02 do 0,05 mm godišnje na 190 stepeni. Pasivni film postaje manje stabilan u uslovima odzračivanja (O2 < 10 ppm) i stopa korozije se povećava na 0,10-0,15 mm godišnje. Većina komercijalnih procesa uree radi s kontroliranim unosom kisika (20-50 ppm) kako bi se održala pasivizacija, iako se smetnje dešavaju.

Stope korozije u zonama -zahvaćenim toplinom zavara su obično 2-3 puta veće od osnovnog metala, zbog mikrostrukturnih promjena i zaostalih naprezanja. Terenski podaci iz 12 objekata uree koji su radili 5-10 godina ukazuju na prosječnu koroziju osnovnog metala od 0,08 mm/god (uključujući kvarove pasivacije) i penetraciju u zoni zavara od 0,20 mm/god. Korozija ubrzana protokom na ulazima u cijevi sa brzinama karbamata iznad 5 m/sec uzrokuje lokalizirani gubitak stijenke od dodatnih 0,05-0,10 mm/god.

Proračun debljine zida za 10 godina projektnog vijeka
Na osnovu potrebnog vijeka trajanja od 10 godina i korištenjem gornjih stopa korozije, potrebna količina korozije se izračunava kao: dodatak za osnovni metal (0,08 mm/godišnje x 10 godina=0.8 mm) + dodatak zone zavarivanja (dodatnih 0,12 mm/godišnje prosječne razlike x 10 godina=1.2 mm lokalizirano). Ako nije uključena dodatna sigurnosna margina, ukupni izračunati gubitak na zavarenim spojevima je 2,0 mm tokom 10 godina.

Ovome se dodaje sigurnosni faktor od 1,5 kako bi se riješili poremećaji u procesu, epizode nedostatka kisika i lokalizirane jame. Minimalna potrebna margina debljine zida konstrukcije je 3,0 mm iznad minimalne debljine zida konstrukcije. Za cijev OD 25 mm pri unutrašnjem pritisku od 200 bara, minimalni strukturni zid je otprilike 1,2 mm (na osnovu proračuna posude pod tlakom s tankim zidom s projektnim naprezanjem od 70 MPa na 200 °C), stoga je ukupna nominalna debljina stijenke 4,2 mm.

Ovaj proračun je prikazan u industrijskoj praksi za cijevi za skidanje uree i cijevi za grijanje. Većina postrojenja za ureu za servisiranje grijača specificira cijevi od titana Grade 2 sa debljinom stijenke od 3,5-4,5 mm, u poređenju sa 1,5-2,0 mm za manje zahtjevne hemijske primjene. Neka postrojenja sa dobrom kontrolom kiseonika i malom korozijom zavara uspešno su radila sa zidom od 3,0 mm i postigla 10-godišnji životni vek, iako su se kvarovi dogodili na 2,5 mm za 5-6 godina.

Specifikacija cijevi grijača uree – matrica primjene
Tip procesa uree Kontrola kiseonika Očekivana osnovna stopa korozije Preporučena minimalna debljina zida Očekivana 10-godišnja stopa preživljavanja
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >95% uklanjanja CO2 s promjenjivim kisikom (10-30 ppm, uobičajeni poremećaji) 0,08-0,12 mm/god 3,5 mm 90-95%
Potpuna reciklažna obrada (bez O2) Loša (deaerirana) 0,15-0,20 mm/god 4,5 mm 85-90%
Any high velocity zones (>5 m/s) Erozija: dodati 0,5 mm Dodati 0,5 mm Dodati 0,5 mm gore Varijabilni zaključak za specifikaciju grijača uree
Minimalna debljina stijenke cijevi za grijač od titanijuma u servisu sa amonijum karbamatom za 10-godišnji projektni vijek je 3,0 mm sa najboljim procesima uklanjanja-kontrolisanog kisikom i 4,5 mm za procese odzračivanja ili potpunog recikliranja. Primarni rizik od kvara je korozija u-zoni zavara, tako da je potrebna termička obrada nakon zavarivanja i precizno profilisanje zavara. Inženjeri bi trebali odrediti minimalnu debljinu stijenke od 3,5 mm za nove specifikacije grijača u standardnim postrojenjima za uklanjanje uree za uklanjanje CO₂ i 4,0 mm za postrojenja koja imaju česte poremećaje kontrole kisika. Debljine zida koje se obično koriste za uobičajene hemijske operacije (2,0 do 2,5 mm) neće dati 10-godišnji život u reaktorima uree.