Nei reattori di produzione di urea con carbammato di ammonio, quale margine di spessore della parete è necessario affinché un tubo riscaldatore in titanio possa raggiungere una durata di servizio di 10 anni?

I reattori di sintesi dell'urea funzionano in condizioni difficili con una soluzione di carbammato di ammonio ad alta temperatura a 180-210 gradi, pressioni di 140-250 bar e una combinazione corrosiva di ammoniaca, anidride carbonica e specie intermedie di carbammato. Il titanio grado 2 è diventato il materiale standard per i tubi riscaldanti negli impianti di urea di tipo stripping- grazie alla sua resistenza alla corrosione dei carbammati quando viene selezionato un margine di spessore di parete adeguato. In molti ambienti chimici la corrosione omogenea controlla la perdita di materiale. Il carbammato di ammonio attacca il titanio mediante una combinazione di corrosione generale, vaiolatura localizzata nelle zone interessate dal calore della saldatura e corrosione assistita da flusso nei punti di impatto ad alta velocità. Questo documento determina lo spessore minimo della parete dei tubi riscaldanti in titanio di grado 2 per sostenere una durata prevista di 10 anni sulla base dei dati sul tasso di corrosione provenienti dagli impianti di urea in funzione e sui test accelerati in autoclave.

Profilo del tasso di corrosione nel carbammato di ammonio
La velocità di corrosione del titanio Grado 2 nella soluzione di carbammato di ammonio non è costante ma dipende dalla temperatura, dal contenuto di ossigeno e dal regime del flusso. La condizione passivata si ottiene in presenza di 0,1-0,5% di ossigeno o aria nel flusso di carbammato e la velocità di corrosione complessiva è compresa tra 0,02 e 0,05 mm all'anno a 190 gradi. Il film passivo diventa meno stabile in condizioni di deaerazione (O2 < 10 ppm) e il tasso di corrosione aumenta fino a 0,10–0,15 mm all'anno. La maggior parte dei processi commerciali dell'urea funzionano con un apporto di ossigeno controllato (20-50 ppm) per mantenere la passivazione, sebbene si verifichino dei disturbi.

I tassi di corrosione nelle zone interessate dal calore della saldatura-sono solitamente 2-3 volte superiori rispetto al metallo di base, a causa dei cambiamenti microstrutturali e delle tensioni residue. I dati sul campo provenienti da 12 impianti di urea in funzione da 5-10 anni indicano una corrosione media del metallo di base di 0,08 mm/anno (compresi i guasti di passivazione) e una penetrazione nella zona di saldatura di 0,20 mm/anno. La corrosione accelerata dal flusso agli ingressi dei tubi con velocità del carbammato superiori a 5 m/sec provoca una perdita localizzata della parete di ulteriori 0,05-0,10 mm/anno.

Calcolo dello spessore della parete per una durata di progetto di 10 anni
Sulla base di una durata richiesta di 10 anni e utilizzando i tassi di corrosione sopra indicati, il margine di corrosione richiesto viene calcolato come: margine di metallo di base (0,08 mm/anno x 10 anni=0.8 mm) + margine della zona di saldatura (differenziale medio aggiuntivo di 0,12 mm/anno x 10 anni=1.2 mm localizzato). Se non viene incluso alcun margine di sicurezza aggiuntivo, la perdita totale calcolata sulle saldature è di 2,0 mm in 10 anni.

A questo si aggiunge un fattore di sicurezza pari a 1,5 per tenere conto di disturbi di processo, episodi di carenza di ossigeno e vaiolature localizzate. Il margine minimo richiesto per lo spessore della parete strutturale è 3,0 mm sopra lo spessore minimo della parete strutturale. Per un tubo con diametro esterno di 25 mm a una pressione interna di 200 bar, la parete strutturale minima è di circa 1,2 mm (sulla base dei calcoli di un recipiente a pressione a parete sottile con una sollecitazione di progetto di 70 MPa a 200 °C), quindi lo spessore nominale totale della parete è 4,2 mm.

Questo calcolo è mostrato nella pratica industriale per i tubi di stripping dell'urea e i tubi di riscaldamento. La maggior parte degli impianti di urea per il servizio di riscaldamento specificano tubi in titanio di grado 2 con uno spessore di parete di 3,5-4,5 mm, rispetto a 1,5-2,0 mm per applicazioni chimiche meno impegnative. Alcuni impianti con un buon controllo dell'ossigeno e poca corrosione delle saldature hanno funzionato con successo con pareti da 3,0 mm e hanno raggiunto una durata di 10 anni, sebbene si siano verificati guasti a 2,5 mm a 5-6 anni.

Specifiche del tubo riscaldatore per urea – Matrice applicativa
Tipo di processo dell'urea Controllo dell'ossigeno Tasso di corrosione di base previsto Spessore minimo consigliato della parete Tasso di sopravvivenza previsto a 10 anni
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >Eliminazione della CO2 al 95% con ossigeno variabile Discreto (10-30 ppm, disturbi comuni) 0,08-0,12 mm/anno 3,5 mm 90-95%
Processo di riciclaggio completo (senza O2)Scarso (de-aerato) 0,15-0,20 mm/anno 4,5 mm 85-90%
Any high velocity zones (>5 m/s) Erosione: aggiungere 0,5 mm Aggiungere 0,5 mm Aggiungere 0,5 mm alla conclusione variabile sopra per le specifiche del riscaldatore di urea
Lo spessore minimo della parete per i tubi riscaldanti in titanio nel servizio di carbammato di ammonio per una durata di progetto di 10-anni è 3,0 mm con i migliori processi di stripping controllati dall'ossigeno- e 4,5 mm per processi disaerati o di riciclo totale. Il rischio principale di guasto è la corrosione della zona di saldatura-; pertanto sono necessari un trattamento termico post-saldatura e una profilazione precisa della saldatura. Gli ingegneri dovrebbero specificare uno spessore minimo delle pareti di 3,5 mm per le nuove specifiche del riscaldatore negli impianti standard di strippaggio dell'urea con CO₂ e 4,0 mm per gli impianti che presentano frequenti disturbi del controllo dell'ossigeno. Gli spessori delle pareti normalmente utilizzati per le operazioni chimiche ordinarie (da 2,0 a 2,5 mm) non garantiscono una durata di 10 anni nei reattori di urea.