En reactores de producción de urea con carbamato de amonio, ¿qué margen de espesor de pared se requiere para que un tubo calentador de titanio alcance una vida útil de 10 años?
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Los reactores de síntesis de urea funcionan en condiciones duras con una solución de carbamato de amonio a alta temperatura a 180-210 grados, presiones de 140-250 bar y una combinación corrosiva de amoníaco, dióxido de carbono y especies intermedias de carbamato. El titanio Grado 2 se ha convertido en el material estándar para tubos calentadores en plantas de urea de tipo decapado-debido a su resistencia a la corrosión por carbamato cuando se selecciona un margen de espesor de pared adecuado. En muchos entornos químicos, la corrosión homogénea controla la pérdida de material. El carbamato de amonio ataca al titanio mediante una combinación de corrosión general, picaduras localizadas en zonas afectadas por el calor de la soldadura y corrosión asistida por flujo en lugares de impacto a alta velocidad. Este documento determina el espesor mínimo de pared de los tubos calefactores de titanio Grado 2 para mantener una vida útil de diseño de 10 años basándose en datos de tasa de corrosión de plantas de urea en funcionamiento y pruebas de autoclave aceleradas.
Perfil de tasa de corrosión en carbamato de amonio
La velocidad de corrosión del titanio Grado 2 en una solución de carbamato de amonio no es constante sino que depende de la temperatura, el contenido de oxígeno y el régimen de flujo. La condición pasivada se obtiene en presencia de 0,1-0,5% de oxígeno o aire en la corriente de carbamato y la velocidad de corrosión general es de 0,02 a 0,05 mm por año a 190 grados. La película pasiva se vuelve menos estable en condiciones desaireadas (O2 <10 ppm) y la velocidad de corrosión aumenta a 0,10-0,15 mm por año. La mayoría de los procesos comerciales de urea operan con entrada controlada de oxígeno (20-50 ppm) para mantener la pasivación, aunque se producen alteraciones.
Las tasas de corrosión en las zonas-afectadas por el calor de la soldadura suelen ser 2-3 veces más altas que las del metal base, debido a cambios microestructurales y tensiones residuales. Los datos de campo de 12 instalaciones de urea en funcionamiento durante 5 a 10 años indican una corrosión promedio del metal base de 0,08 mm/año (incluyendo fallas de pasivación) y una penetración en la zona de soldadura de 0,20 mm/año. La corrosión acelerada por el flujo en las entradas de los tubos con velocidades de carbamato superiores a 5 m/s provoca una pérdida localizada de la pared de 0,05 a 0,10 mm/año adicionales.
Cálculo del espesor de la pared para una vida útil de diseño de 10 años
Con base en una vida útil requerida de 10 años y utilizando las tasas de corrosión anteriores, el margen de corrosión requerido se calcula como: margen de corrosión para metal base (0,08 mm/año x 10 años=0.8 mm) + margen de zona de soldadura (diferencial promedio adicional de 0,12 mm/año x 10 años=1.2 mm localizado). Si no se incluye ningún margen de seguridad adicional, la pérdida total calculada en las soldaduras es de 2,0 mm en 10 años.
A esto se suma un factor de seguridad de 1,5 para atender alteraciones del proceso, episodios de escasez de oxígeno y picaduras localizadas. El margen mínimo requerido de espesor de pared estructural es de 3,0 mm por encima del espesor mínimo de pared estructural. Para un tubo de 25 mm de diámetro exterior a una presión interna de 200 bar, la pared estructural mínima es de aproximadamente 1,2 mm (basado en cálculos de recipientes a presión de pared delgada con una tensión de diseño de 70 MPa a 200 grados C), por lo tanto, el espesor nominal total de la pared es de 4,2 mm.
Este cálculo se muestra en la práctica industrial para tubos extractores de urea y tubos calentadores. La mayoría de las plantas de urea para servicio de calentadores especifican tubos de titanio Grado 2 con un espesor de pared de 3,5 a 4,5 mm, en comparación con 1,5 a 2,0 mm para aplicaciones químicas menos exigentes. Algunas plantas con buen control del oxígeno y poca corrosión de la soldadura han funcionado con éxito con paredes de 3,0 mm y han logrado una vida útil de 10 años, aunque se han producido averías con 2,5 mm a los 5-6 años.
Especificación del tubo calentador de urea: matriz de aplicaciones
Urea Tipo de proceso Control de oxígeno Tasa de corrosión base esperada Espesor de pared mínimo recomendado Tasa de supervivencia esperada a 10 años
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >Extracción de CO2 al 95 % con oxígeno variable Aceptable (10 a 30 ppm, molestias comunes) 0,08 a 0,12 mm/año 3,5 mm 90 a 95 %
Procesamiento de reciclaje completo (sin O2) Deficiente (des-desaireado) 0,15-0,20 mm/año 4,5 mm 85-90 %
Any high velocity zones (>5 m/s) Erosión: agregar 0,5 mm Agregar 0,5 mm Agregar 0,5 mm a la variable Conclusión anterior para las especificaciones del calentador de urea
El espesor mínimo de pared para los tubos calentadores de titanio en servicio de carbamato de amonio para una vida útil de diseño de 10-años es de 3,0 mm con los mejores procesos de extracción controlados con oxígeno- y de 4,5 mm para procesos de desaireación o de reciclaje total. El principal riesgo de falla es la corrosión de la zona de soldadura-y, por lo tanto, se necesita un tratamiento térmico posterior a la soldadura y un perfilado preciso de la soldadura. Los ingenieros deben especificar espesores de pared mínimos de 3,5 mm para las especificaciones de calentadores nuevos en plantas de urea con extracción de CO₂ estándar y de 4,0 mm para plantas que experimentan frecuentes alteraciones del control de oxígeno. Los espesores de pared normalmente utilizados para operaciones químicas ordinarias (2,0 a 2,5 mm) no darán una vida útil de 10 años en los reactores de urea.
