Dans les réacteurs de production d'urée avec du carbamate d'ammonium, quelle marge d'épaisseur de paroi est requise pour qu'un tube chauffant en titane atteigne une durée de vie de 10 ans ?

Les réacteurs de synthèse d'urée fonctionnent dans des conditions difficiles avec une solution de carbamate d'ammonium à haute température à 180-210 degrés, des pressions de 140-250 bars et une combinaison corrosive d'ammoniac, de dioxyde de carbone et d'espèces de carbamate intermédiaires. Le titane de grade 2 est devenu le matériau standard pour les tubes chauffants dans les usines d'urée de type stripping-en raison de sa résistance à la corrosion par les carbamates lorsqu'une marge d'épaisseur de paroi adéquate est sélectionnée. Dans de nombreux environnements chimiques, une corrosion homogène contrôle la perte de matière. Le carbamate d'ammonium attaque le titane par une combinaison de corrosion générale, de piqûres localisées au niveau des zones de soudure affectées par la chaleur et de corrosion assistée par écoulement aux emplacements d'impact à grande vitesse. Cet article détermine l'épaisseur de paroi minimale des tubes chauffants en titane de qualité 2 pour maintenir une durée de vie nominale de 10 ans, sur la base des données de taux de corrosion provenant des usines d'urée en activité et des tests accélérés en autoclave.

Profil du taux de corrosion dans le carbamate d’ammonium
Le taux de corrosion du titane Grade 2 dans une solution de carbamate d'ammonium n'est pas constant mais dépend de la température, de la teneur en oxygène et du régime d'écoulement. L'état passivé est obtenu en présence de 0,1 à 0,5 % d'oxygène ou d'air dans le flux de carbamate et le taux de corrosion global est de 0,02 à 0,05 mm par an à 190 degrés. Le film passif devient moins stable dans des conditions désaérées (O2 < 10 ppm) et le taux de corrosion augmente jusqu'à 0,10-0,15 mm par an. La plupart des procédés commerciaux à l'urée fonctionnent avec un apport d'oxygène contrôlé (20 à 50 ppm) pour maintenir la passivation, bien que des perturbations se produisent.

Les taux de corrosion dans les zones affectées par la chaleur des soudures-sont généralement 2-3 fois supérieures à celles du métal de base, en raison de changements microstructuraux et de contraintes résiduelles. Les données de terrain de 12 installations d'urée en activité depuis 5 à 10 ans indiquent une corrosion moyenne des métaux de base de 0,08 mm/an (y compris les défaillances de passivation) et une pénétration dans la zone de soudure de 0,20 mm/an. La corrosion accélérée par l'écoulement aux entrées des tubes avec des vitesses de carbamate supérieures à 5 m/sec provoque une perte localisée de paroi de 0,05 à 0,10 mm/an supplémentaire.

Calcul de l'épaisseur de paroi pour une durée de vie de 10 ans
Sur la base d'une durée de vie requise de 10 ans et en utilisant les taux de corrosion ci-dessus, la tolérance de corrosion requise est calculée comme suit : surépaisseur de métal de base (0,08 mm/an x 10 ans=0.8 mm) + surépaisseur de zone de soudure (différentiel moyen supplémentaire de 0,12 mm/an x 10 ans=1.2 mm localisés). Si aucune marge de sécurité supplémentaire n'est incluse, la perte totale calculée au niveau des soudures est de 2,0 mm sur 10 ans.

À cela s’ajoute un facteur de sécurité de 1,5 pour prendre en compte les perturbations du processus, les épisodes de manque d’oxygène et les piqûres localisées. La marge minimale requise pour l’épaisseur de la paroi structurelle est de 3,0 mm au-dessus de l’épaisseur minimale de la paroi structurelle. Pour un tube de 25 mm de diamètre extérieur à une pression interne de 200 bars, la paroi structurelle minimale est d'environ 1,2 mm (sur la base des calculs d'un récipient sous pression à paroi mince avec une contrainte de conception de 70 MPa à 200 deg C), donc l'épaisseur nominale totale de la paroi est de 4,2 mm.

Ce calcul est présenté dans la pratique industrielle pour les tubes d'extraction d'urée et les tubes chauffants. La plupart des usines d'urée pour le service de chauffage spécifient des tubes en titane de qualité 2 avec une épaisseur de paroi de 3,5 à 4,5 mm, contre 1,5 à 2,0 mm pour les applications chimiques moins exigeantes. Certaines installations avec un bon contrôle de l'oxygène et peu de corrosion des soudures ont fonctionné avec succès avec une paroi de 3,0 mm et ont atteint une durée de vie de 10 ans, bien que des pannes se soient produites à 2,5 mm après 5 à 6 ans.

Spécifications du tube chauffant à l’urée – Matrice d’application
Type de procédé d'urée Contrôle de l'oxygène Taux de corrosion de base attendu Épaisseur de paroi minimale recommandée Taux de survie attendu sur 10 ans
Oxygen stripping for CO2 strippingExcellent (50 ppm controlled) 0.04-0.06 mm/yr 3.0 mm >Élimination du CO2 à 95 % avec oxygène variable Passable (10 à 30 ppm, perturbations courantes) 0,08 à 0,12 mm/an 3,5 mm 90 à 95 %
Traitement de recyclage complet (sans O2) Mauvais (désaéré) 0,15-0,20 mm/an 4,5 mm 85-90 %
Any high velocity zones (>5 m/s) Érosion : ajouter 0,5 mmAjouter 0,5 mm Ajouter 0,5 mm ci-dessus Conclusion variable pour les spécifications du réchauffeur d'urée
L'épaisseur de paroi minimale des tubes chauffants en titane en service de carbamate d'ammonium pour une durée de vie nominale de 10 -ans est de 3,0 mm avec les meilleurs processus de décapage contrôlés par l'oxygène-et de 4,5 mm pour les processus de désaération ou de recyclage total. Le principal risque de défaillance est la corrosion de la zone de soudure. Un traitement thermique après soudage et un profilage précis des soudures sont donc nécessaires. Les ingénieurs doivent spécifier des épaisseurs de paroi minimales de 3,5 mm pour les nouvelles spécifications de chauffage dans les usines d'urée de stripping CO₂ standard et de 4,0 mm pour les usines qui subissent de fréquents perturbations du contrôle de l'oxygène. Les épaisseurs de paroi normalement utilisées pour les opérations chimiques ordinaires (2,0 à 2,5 mm) ne permettront pas une durée de vie de 10 ans dans les réacteurs à urée.