カルバミン酸アンモニウムを使用した尿素製造反応器で、10 年の耐用年数を達成するにはチタン ヒーター チューブにどのくらいの肉厚マージンが必要ですか?

尿素合成反応器は、180-210度の高温カルバミン酸アンモニウム溶液、140-250バールの圧力、およびアンモニア、二酸化炭素および中間カルバミン酸種の腐食性の組み合わせを使用する過酷な条件で運転されます。チタン グレード 2 は、適切な肉厚マージンが選択された場合にカーバメート腐食に対する耐性があるため、ストリッピング- タイプの尿素プラントのヒーター チューブの標準材料となっています。多くの化学環境では、均一な腐食が材料の損失を制御します。カルバミン酸アンモニウムは、全体的な腐食、溶接熱の影響を受ける部分での局所的な孔食、および高速衝突位置での流れ促進腐食の組み合わせによってチタンを攻撃します。この論文では、運転中の尿素プラントからの腐食速度データと加速オートクレーブ試験に基づいて、10 年間の設計寿命を維持するためのチタン グレード 2 加熱管の最小肉厚を決定します。

カルバミン酸アンモニウムの腐食速度のプロファイル
カルバミン酸アンモニウム溶液中でのチタン グレード 2 の腐食速度は一定ではなく、温度、酸素含有量、および流れの状況に依存します。不動態化された状態は、カーバメート流中に 0.1 ～ 0.5% の酸素または空気が存在する場合に得られ、全体的な腐食速度は 190 度で年間 0.02 ～ 0.05 mm です。不動態皮膜は脱気条件 (O2 < 10 ppm) では安定性が低下し、腐食速度は年間 0.10 ～ 0.15 mm に増加します。ほとんどの商用尿素プロセスは、不動態化を維持するために制御された酸素入力 (20 ～ 50 ppm) で運転されますが、障害は発生します。

溶接熱の影響を受ける部分の腐食速度は、微細構造の変化と残留応力により、通常、母材金属の 2- 倍になります。 5～10年間稼働している12の尿素施設の現場データによると、母材金属腐食は平均0.08mm/年（不動態化破壊を含む）、溶接部溶け込みは0.20mm/年であることが示されている。カルバメート速度が 5 m/秒を超えると、チューブの入口で流れが加速して腐食が発生し、局所的な壁の損失がさらに 0.05 ～ 0.10 mm/年発生します。

設計寿命 10 年の肉厚計算
必要な 10 年の寿命に基づき、上記の腐食速度を使用すると、必要な腐食許容量は次のように計算されます: 母材許容量 (0.08 mm/年 x 10 年=0.8 mm) + 溶接部許容量 (追加の 0.12 mm/年平均差 x 10 年間=1.2 mm)。追加の安全マージンが含まれていない場合、溶接部で計算される合計損失は 10 年間で 2.0 mm になります。

これに、プロセスの乱れ、酸素不足の発生、および局所的な孔食に対処するために 1.5 の安全率が追加されます。必要な最小構造壁厚マージンは、最小構造壁厚より 3.0 mm 上です。内圧 200 bar で外径 25 mm のチューブの場合、最小構造壁は約 1.2 mm (200 ℃、設計応力 70 MPa での薄壁圧力容器の計算に基づく)、したがって、公称壁の合計厚さは 4.2 mm になります。

この計算は、尿素ストリッパー チューブとヒーター チューブの業界慣行で示されています。ヒーターサービス用のほとんどの尿素プラントでは、壁厚が 3.5 ～ 4.5 mm のチタン グレード 2 チューブが指定されていますが、要求の厳しい化学用途では 1.5 ～ 2.0 mm です。酸素制御が良好で溶接部の腐食が少ないプラントでは、3.0 mm の壁で正常に稼働し、10 年の寿命を達成しましたが、2.5 mm では 5 ～ 6 年で故障が発生しました。

尿素ヒーターチューブ仕様 – アプリケーションマトリックス
尿素プロセスの種類 酸素制御 予想される基本腐食速度 推奨される最小肉厚 予想される 10 年生存率
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >可変酸素を使用した 95% CO2 ストリップ 正常 (10 ～ 30 ppm、一般的な異常) 0.08 ～ 0.12 mm/年 3.5 mm 90 ～ 95%
完全リサイクル処理 (O2 なし) 不良 (脱気) 0.15 ～ 0.20 mm/年 4.5 mm 85 ～ 90%
Any high velocity zones (>5 m/s) エロージョン: 0.5 mm を追加 0.5 mm を追加 上記に 0.5 mm を追加 尿素ヒーター仕様の変数結論
10 年間の設計寿命を想定したカルバミン酸アンモニウムのサービスにおけるチタン ヒーター チューブの最小肉厚は、最適な酸素制御ストリッピング プロセスでは 3.0 mm、脱気プロセスまたは完全リサイクル プロセスでは 4.5 mm です。-主な故障リスクは溶接部の腐食であるため、溶接後の熱処理と正確な溶接プロファイリングが必要です。{6}}エンジニアは、標準的な CO₂ ストリッピング尿素プラントの新しいヒーター仕様の場合は最小壁厚を 3.5 mm、酸素制御の異常が頻繁に発生するプラントの場合は 4.0 mm を指定する必要があります。通常の化学操作に通常使用される壁の厚さ (2.0 ～ 2.5 mm) では、尿素反応器の寿命は 10 年に達しません。