암모늄 카바메이트를 사용하는 요소 생산 반응기에서 티타늄 히터 튜브가 10년의 사용 수명을 달성하려면 벽 두께 마진이 얼마나 필요합니까?

요소 합성 반응기는 180-210도의 고온 암모늄 카바메이트 용액, 140-250 bar의 압력 및 암모니아, 이산화탄소 및 중간 카바메이트 종의 부식성 조합을 사용하여 가혹한 조건에서 작동합니다. 티타늄 등급 2는 적절한 벽 두께 마진을 선택할 때 카바메이트 부식에 대한 저항성으로 인해 스트리핑- 유형 요소 공장의 히터 튜브용 표준 재료가 되었습니다. 많은 화학적 환경에서 균일한 부식은 재료의 손실을 제어합니다. 암모늄 카바메이트는 일반 부식, 용접 열 영향 영역의 국부적인 구멍 및 고속 충돌 위치의 유동 보조 부식을 결합하여 티타늄을 공격합니다. 이 문서에서는 운영 중인 요소 플랜트의 부식 속도 데이터와 가속 오토클레이브 테스트를 기반으로 10년의 설계 수명을 유지하기 위한 티타늄 2등급 가열 튜브의 최소 벽 두께를 결정합니다.

암모늄 카바메이트의 부식률 프로필
암모늄 카바메이트 용액에서 티타늄 등급 2의 부식 속도는 일정하지 않지만 온도, 산소 함량 및 흐름 방식에 따라 달라집니다. 부동태화된 상태는 카바메이트 흐름에 0.1~0.5%의 산소 또는 공기가 존재할 때 얻어지며 전체 부식 속도는 190도에서 연간 0.02~0.05mm입니다. 패시브 피막은 탈기 조건(O2 < 10ppm)에서 안정성이 떨어지며 부식 속도는 연간 0.10~0.15mm로 증가합니다. 대부분의 상업용 요소 공정은 패시베이션을 유지하기 위해 제어된 산소 투입량(20-50ppm)으로 작동하지만 교란이 발생합니다.

용접 열-영향부의 부식률은 미세 구조 변화와 잔류 응력으로 인해 일반적으로 모재보다 2-3배 더 높습니다. 5~10년 동안 운영 중인 12개 요소 시설의 현장 데이터에 따르면 평균 비금속 부식은 0.08mm/년(부동태화 실패 포함)이고 용접 영역 침투는 0.20mm/년인 것으로 나타났습니다. 카바메이트 속도가 5m/초를 초과하는 튜브 입구의 유동 가속 부식으로 인해 국부적인 벽 손실이 추가로 0.05-0.10mm/년 발생합니다.

10년 설계 수명에 대한 벽 두께 계산
필수 10년 수명을 기준으로 위의 부식률을 사용하여 필요한 부식 허용량은 다음과 같이 계산됩니다. 모재 허용량(0.08mm/년 x 10년=0.8mm) + 용접 영역 허용량(추가 0.12mm/년 평균 차이 x 10년=1.2mm 현지화). 추가 안전 여유가 포함되지 않은 경우 용접 시 계산된 총 손실은 10년 동안 2.0mm입니다.

여기에 공정 교란, 산소 부족 현상 및 국부적인 구멍을 처리하기 위해 1.5의 안전 계수가 추가됩니다. 필요한 최소 구조적 벽 두께 여유는 최소 구조적 벽 두께보다 3.0mm 높습니다. 200bar 내부 압력에서 25mm OD 튜브의 경우 최소 구조 벽은 대략 1.2mm(200°C에서 70MPa의 설계 응력을 갖는 얇은 벽 압력 용기 계산 기준)이므로 총 공칭 벽 두께는 4.2mm입니다.

이 계산은 요소 스트리퍼 튜브 및 히터 튜브에 대한 업계 관행에 나와 있습니다. 히터 서비스를 위한 대부분의 요소 플랜트는 벽 두께가 3.5-4.5mm인 티타늄 등급 2 튜브를 지정하는 반면 덜 까다로운 화학 응용 분야에서는 1.5-2.0mm를 지정합니다. 산소 제어가 우수하고 용접 부식이 거의 없는 일부 공장은 3.0mm 벽에서 성공적으로 작동하여 10년 수명을 달성했지만 5~6년에 2.5mm에서 파손이 발생했습니다.

요소 히터 튜브 사양 – 애플리케이션 매트릭스
요소 공정 유형 산소 제어예상 베이스 부식률 권장 최소 벽 두께예상 10년 생존율
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >가변 산소를 사용한 95% CO2 제거Fair(10-30ppm, 일반적인 문제) 0.08-0.12mm/연 3.5mm 90-95%
전체 재활용 처리(O2 없음)나쁨(-공기 제거) 0.15-0.20 mm/yr 4.5 mm 85-90%
Any high velocity zones (>5 m/s) 침식: 0.5 mm 추가 0.5 mm 추가 요소 히터 사양에 대한 위의 변수 결론에 0.5 mm 추가
10-년 설계 수명 동안 암모늄 카바메이트 서비스에 사용되는 티타늄 히터 튜브의 최소 벽 두께는 최상의 산소 제어식 스트리핑 공정에서 3.0mm이고, 탈기 또는 전체 재활용 공정에서 4.5mm입니다. 주요 실패 위험은 용접- 영역 부식이므로 용접 후 열처리와 정밀한 용접 프로파일링이 필요합니다. 엔지니어는 표준 CO2 스트리핑 요소 플랜트의 새로운 히터 사양에 대해 최소 벽 두께를 3.5mm로 지정하고 산소 제어 장애가 자주 발생하는 플랜트의 경우 4.0mm를 지정해야 합니다. 일반적인 화학 작업에 일반적으로 사용되는 벽 두께(2.0~2.5mm)는 요소 반응기에서 10년의 수명을 제공하지 않습니다.