Welcher Wandstärkenspielraum ist in Harnstoffproduktionsreaktoren mit Ammoniumcarbamat erforderlich, damit ein Heizrohr aus Titan eine Lebensdauer von 10 Jahren erreicht?

Harnstoffsynthesereaktoren arbeiten unter rauen Bedingungen mit einer Ammoniumcarbamatlösung mit hoher Temperatur bei 180-210 Grad, Drücken von 140-250 bar und einer korrosiven Kombination aus Ammoniak, Kohlendioxid und intermediären Carbamatspezies. Titan Grad 2 ist zum Standardmaterial für Heizrohre in Harnstoffanlagen vom Stripping---Typ geworden, da es bei Auswahl eines angemessenen Wandstärkenspielraums beständig gegen Carbamatkorrosion ist. In vielen chemischen Umgebungen kontrolliert homogene Korrosion den Materialverlust. Ammoniumcarbamat greift Titan durch eine Kombination aus allgemeiner Korrosion, lokaler Lochfraßbildung an Schweißwärmeeinflusszonen und strömungsunterstützter Korrosion an Aufprallstellen mit hoher Geschwindigkeit an. In diesem Artikel wird die minimale Wandstärke der Titan-Heizrohre der Güteklasse 2 bestimmt, um eine Lebensdauer von 10 Jahren aufrechtzuerhalten, basierend auf Daten zur Korrosionsrate von in Betrieb befindlichen Harnstoffanlagen und beschleunigten Autoklaventests.

Profil der Korrosionsrate in Ammoniumcarbamat
Die Korrosionsrate von Titan Grad 2 in Ammoniumcarbamatlösung ist nicht konstant, sondern hängt von der Temperatur, dem Sauerstoffgehalt und dem Durchflussregime ab. Der passivierte Zustand wird in Gegenwart von 0,1–0,5 % Sauerstoff oder Luft im Carbamatstrom erreicht und die Gesamtkorrosionsrate beträgt 0,02 bis 0,05 mm pro Jahr bei 190 Grad. Unter entlüfteten Bedingungen (O2 < 10 ppm) wird der Passivfilm weniger stabil und die Korrosionsrate steigt auf 0,10–0,15 mm pro Jahr. Die meisten kommerziellen Harnstoffprozesse arbeiten mit kontrollierter Sauerstoffzufuhr (20–50 ppm), um die Passivierung aufrechtzuerhalten, obwohl es zu Störungen kommt.

Die Korrosionsraten in den von der Schweißwärme beeinflussten Zonen sind aufgrund von Mikrostrukturveränderungen und Eigenspannungen normalerweise 2-3-mal höher als beim Grundmetall. Felddaten von 12 Harnstoffanlagen, die seit 5–10 Jahren in Betrieb sind, deuten auf eine durchschnittliche Grundmetallkorrosion von 0,08 mm/Jahr (einschließlich Passivierungsfehlern) und eine Schweißzonenpenetration von 0,20 mm/Jahr hin. Strömungsbeschleunigte Korrosion an Rohreinlässen mit Carbamatgeschwindigkeiten über 5 m/s verursacht einen lokalen Wandverlust von zusätzlichen 0,05–0,10 mm/Jahr.

Berechnung der Wandstärke für eine geplante Lebensdauer von 10 Jahren
Basierend auf einer erforderlichen Lebensdauer von 10 Jahren und unter Verwendung der oben genannten Korrosionsraten wird der erforderliche Korrosionszuschlag wie folgt berechnet: Grundmetallzuschlag (0,08 mm/Jahr x 10 Jahre=0.8 mm) + Schweißzonenzuschlag (zusätzliche durchschnittliche Differenz von 0,12 mm/Jahr x 10 Jahre=1.2 mm lokalisiert). Wenn keine zusätzliche Sicherheitsmarge berücksichtigt wird, beträgt der berechnete Gesamtverlust an Schweißnähten 2,0 mm über 10 Jahre.

Hinzu kommt ein Sicherheitsfaktor von 1,5, um Prozessstörungen, Sauerstoffmangel und lokale Lochfraßbildung zu verhindern. Die minimal erforderliche strukturelle Wanddicke beträgt 3,0 mm über der minimalen strukturellen Wanddicke. Für ein Rohr mit 25 mm Außendurchmesser und 200 bar Innendruck beträgt die minimale Strukturwand etwa 1,2 mm (basierend auf Berechnungen für dünnwandige Druckbehälter mit einer Auslegungsspannung von 70 MPa bei 200 °C), daher beträgt die gesamte Nennwandstärke 4,2 mm.

Diese Berechnung wird in der Industriepraxis für Harnstoff-Stripperrohre und Heizrohre gezeigt. Die meisten Harnstoffanlagen für den Heizungsbetrieb spezifizieren Titanrohre der Güteklasse 2 mit einer Wandstärke von 3,5–4,5 mm, im Vergleich zu 1,5–2,0 mm für weniger anspruchsvolle chemische Anwendungen. Einige Anlagen mit guter Sauerstoffkontrolle und geringer Schweißkorrosion haben erfolgreich mit einer Wandstärke von 3,0 mm gearbeitet und eine Lebensdauer von 10 Jahren erreicht, obwohl es bei 2,5 mm nach 5–6 Jahren zu Ausfällen kam.

Spezifikationen für Harnstoffheizrohre – Anwendungsmatrix
Harnstoff-Prozesstyp, Sauerstoffkontrolle, erwartete Basiskorrosionsrate, empfohlene Mindestwandstärke, erwartete 10-Jahres-Überlebensrate
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >95 % CO2-Strippung mit variablem Sauerstoff. Mittelmäßig (10–30 ppm, häufige Störungen) 0,08–0,12 mm/Jahr 3,5 mm 90–95 %
Vollständige Recyclingverarbeitung (kein O2)Schlecht (ent-entlüftet) 0,15–0,20 mm/Jahr 4,5 mm 85–90 %
Any high velocity zones (>5 m/s) Erosion: 0,5 mm hinzufügen. 0,5 mm hinzufügen. 0,5 mm zur obigen Variable hinzufügen. Schlussfolgerung für Harnstoffheizer-Spezifikation
Die Mindestwandstärke für Titan-Heizrohre im Ammoniumcarbamat-Betrieb für eine Lebensdauer von 10-Jahren beträgt 3,0 mm bei besten sauerstoffkontrollierten Abisolierprozessen und 4,5 mm für Entgasungs- oder vollständige Recyclingprozesse. Das primäre Ausfallrisiko ist die Korrosion der Schweißzone. Daher sind eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen und eine präzise Schweißnahtprofilierung erforderlich. Ingenieure sollten eine Mindestwandstärke von 3,5 mm für neue Heizgerätespezifikationen in standardmäßigen CO₂-Stripping-Harnstoffanlagen und 4,0 mm für Anlagen festlegen, bei denen es häufig zu Störungen bei der Sauerstoffkontrolle kommt. Die für gewöhnliche chemische Prozesse üblichen Wandstärken (2,0 bis 2,5 mm) reichen für eine Lebensdauer von 10 Jahren in Harnstoffreaktoren nicht aus.