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Sep 21, 2023

Schwerwiegend angeben

1. Mai 2021 | Von Don Bowers, Conval und Jennifer Jones, Armor

1. Mai 2021 | Von Don Bowers, Conval und Jennifer Jones, Armor Valve Ltd.

Um den rauen Bedingungen und potenziellen Sicherheitsrisiken standzuhalten, die bei Harnstoffanwendungen in der Landwirtschaft und anderen anspruchsvollen Prozessen auftreten, muss der Ventilkonstruktion, -leistung und -installation besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden

Severe-Service-Ventile (SSVs) werden speziell für kritische Anwendungen entwickelt und hergestellt, bei denen die potenziellen Folgen eines Ventilausfalls schwerwiegende und kostspielige Risiken für Leben, Anlagenbetrieb und Eigentum mit sich bringen. SSVs sind typischerweise relativ hohen Drücken und Temperaturen sowie korrosiven oder tödlichen Medien ausgesetzt.

ABBILDUNG 1. Die Herstellung von Harnstoff erfordert, dass alle Geräte, einschließlich der Ventile, den rauen Bedingungen und der Einwirkung aggressiver Medien standhalten können

Eine wichtige Anwendung für SSVs in der chemischen Industrie ist die Herstellung von Harnstoff (Abbildung 1). Weltweit werden über 90 % des produzierten Harnstoffs als wirtschaftliche Form von Stickstoffdünger in der Landwirtschaft verwendet (Abbildung 2). Angesichts der geschätzten Weltbevölkerung von acht Milliarden Menschen und der wachsenden Nachfrage ist die weltweite Nachfrage nach Nahrungsmitteln und damit nach Düngemitteln stark und resistent gegenüber Konjunkturzyklen. Laut Expert Market Research (EMR) betrug der Weltmarkt für Harnstoff im Jahr 2020 187,8 Millionen Tonnen. Bis 2026 soll diese Zahl um 12,61 % auf 211,5 Millionen Tonnen steigen.

ABBILDUNG 2. Granulatförmige Harnstoffdünger sind auf der ganzen Welt weit verbreitet und ihre Nachfrage wird in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich erheblich steigen

Eine weitere Anwendung für Harnstoff ist die Reduzierung der Luftverschmutzung durch Dieselmotoren, die bei hohen Temperaturen laufen und hohe Stickoxidkonzentrationen produzieren. Harnstofftanks gehören mittlerweile zur Standardausrüstung vieler neuer Diesel-Lkw, Busse und Pkw.

Harnstoff wird durch die Reaktion von Ammoniak und Kohlendioxid typischerweise bei hohem Druck (140 bar; 2.031 psi) und Temperatur (183 °C; 362 °F) hergestellt. Zur Synthese von Harnstoff wurden verschiedene Verfahren entwickelt. Eine davon umfasst einen Harnstoffreaktor, einen Stripper, einen Hochdruck-Carbamatkondensator und einen Hochdruck-Abgaswäscher (Abbildung 3). Im Reaktor werden CO2 und NH3 teilweise in Harnstoff und Wasser umgewandelt. Der Stripper trennt das restliche CO2 vom NH3, das über den Hochdruck-Carbamatkondensator weiterverarbeitet wird. Der Wäscher trennt restliche Inertgase wie Sauerstoff und Stickstoff. Beachten Sie, dass Ammoniumcarbamat, ein Zwischenprodukt, stark ätzend ist.

ABBILDUNG 3. Typische Harnstoffsyntheseprozesse umfassen die Reaktion von Ammoniak und Kohlendioxid, gefolgt von einem Stripping-Schritt, einem Carbamat-Kondensator und einer Wäsche

Bei der Spezifikation von Ventilen für den Einsatz im Harnstoffbereich ist es am wichtigsten, die Einzigartigkeit der erforderlichen Metallurgie zu verstehen. Diese Prozesse funktionieren im Allgemeinen am besten, wenn der Sauerstoffgehalt auf einem Minimum gehalten wird. Bei vielen Legierungen ist jedoch die Anwesenheit von Sauerstoff erforderlich, um korrosionsbeständige Oberflächen zu bilden und aufrechtzuerhalten. Im Laufe der Jahre gab es eine Weiterentwicklung von Legierungen, die von der Harnstoffindustrie aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt wurden, in diesen Prozessen bei immer niedrigeren Sauerstoffgehalten zu funktionieren. Schon früh wurden austenitische Edelstahllegierungen wie 316L-Urea Grade (316L-UG oder UNS S31603), 316L LN (UNS S31653 oder EN 1.4429) und 25-22-2 (UNS S31050) in unterschiedlichen Graden verwendet Erfolg. Da jedoch noch niedrigere Prozesssauerstoffwerte immer wichtiger wurden, wurden Duplex- (DSS) und Super-Duplex-Edelstähle (SDSS) eingeführt, die nahezu keinen Sauerstoff enthalten und gleichzeitig eine höhere Festigkeit bieten. Abhängig vom Alter der Anlage, den Prozessbedingungen und dem Lizenzgeber des jeweiligen Prozesses kann die Auswahl der Legierung variieren. Für Ventilhersteller, die Harnstoff-Serviceventile anbieten, ist es von entscheidender Bedeutung, die erforderlichen strengen Legierungsstandards strikt einzuhalten. Um Probleme zu vermeiden, ist es für Endbenutzer am besten, die Anforderungen an Materialien, Beschaffung und Inspektion klar zu identifizieren und zu dokumentieren.

Die International Molybdenum Association (IMOA; London, UK; www.imoa.info) bietet einige der folgenden praktischen Anleitungen und nützlichen Hintergrundinformationen zu DSS [1]:

ABBILDUNG 4. Dieses elektronenmikroskopische Bild von Duplex-Edelstahl zeigt die zweiphasige Mikrostruktur von Austenit- und Ferritkörnern

Aufgrund ihrer hohen Festigkeit (etwa doppelt so hoch wie bei typischen austenitischen oder ferritischen Edelstählen), verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit eignen sich DSS-Legierungen ideal für Ventile in Harnstoffanwendungen und anderen Prozessen mit hoher Beanspruchung. Diese Legierungen sind stark genug, um Drücken im Bereich von 1.500 bis 2.500 psi standzuhalten. Ventile für den Harnstoffbetrieb müssen einen selbstwaschenden Durchfluss ermöglichen und dürfen keine Hohlräume aufweisen, in denen sich Fällungsmittel ansammeln können. DSS- und SDSS-Legierungen werden aufgrund ihrer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auch in Rohrleitungen und Rohren verwendet.

Diese Chrom-Nickel-Molybdän-Legierungen (Cr-Ni-Mo) enthalten einen hohen Chromgehalt sowie unterschiedliche Nickel-, Molybdän-, Mangan- und andere Legierungselementzusätze. Der Huey-Test (ASTM A262, Praxis C), entwickelt von ASTM International (West Conshohocken, Pennsylvania; www.astm.org), wird häufig verwendet, um die Fähigkeit von Legierungen zu bestätigen, der Art von Korrosion zu widerstehen, die bei Harnstoffprozessen auftritt Das Chrom-Molybdän-Verhältnis ist ein vernünftiger (aber nicht perfekter) Prädiktor für die wahrscheinliche Leistung des Huey-Tests. Die Äquivalentzahl des Lochfraßwiderstands (PREN) ist ein weiteres nützliches Maß für die Korrosionsbeständigkeit, normalerweise im Verhältnis zur Lochfraßtemperatur (CPT) und der Korrosionsrisstemperatur (CCT), gemessen mit dem Streicher-Test (ASTM A262, Praxis B). PREN steigt typischerweise mit dem Chrom-, Molybdän- und Stickstoffgehalt der Legierung. Für Edelstahl 316L beträgt der PREN 25. Für einen typischen DSS liegt der PREN bei etwa 36. Für SDSS mit einem Chromgehalt von 25 % und mehr kann der PREN 40 überschreiten. Schließlich wird der Ferritgehalt dieser Legierungen im Allgemeinen kontrolliert. Zusätzlich zum Huey-Test sind solche Testdaten häufig in zertifizierten Materialtestberichten für Harnstofflegierungen erforderlich.

DSS- und SDSS-Legierungen sind in der Entwicklung und Herstellung sehr teuer (Abbildung 5). Eine hilfreiche Analogie wären kundenspezifische Arzneimittel. Einige Erstausrüster von Harnstoffanlagen haben sich Zugang zu kundenspezifischen Legierungen gesichert, die von Lizenzgebern und ihren Materialorganisationen entwickelt wurden. Weitere gängige Hochlegierungen, die bei der Herstellung von Harnstoff-Serviceventilen verwendet werden, sind Ferralium 255, 310 MoLN, Duplex F51, SAF 2507, Super Duplex F53, Zeron 100 und Titan.

ABBILDUNG 5. Duplex-Edelstahl (DSS) wird in einer Gießerei hergestellt. Da es sich bei DSS um ein Hochleistungs-Spezialmaterial handelt, kann die Herstellung teuer sein

In der Industrie laufen derzeit Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten zur Verbesserung der Leistung von SDSS-Legierungen. Zu den jüngsten Produktinnovationen gehören: die Sorten Safurex und Safurex Star (entwickelt von Stamicarbon und Sandvik); Uremium29 (entwickelt von Casale und Tubacex); und DP28W (entwickelt von Toyo und Sumitomo).

In den meisten Fällen wird die Konstruktion von Harnstoff-Serviceventilen ausschließlich von den Anforderungen des Prozesses und dem Verhalten der beteiligten Chemikalien bestimmt. Ventile sollten jedoch dem B16.34-Standard der American Society of Mechanical Engineers (ASME; New York, NY; www.asme.org) und allen anderen anwendbaren Qualitäts-/Engineering-Standards internationaler Organisationen entsprechen, wie zum Beispiel: ASME; Zertifizierung der kanadischen Registrierungsnummer (CRN); Europäische Konformitätszertifizierung (CE); Internationale Organisation für Normung (ISO); das Deutsche Institut für Normung (DIN); und der Druckgeräterichtlinie (DGRL).

Aus produktionstechnischer Sicht erfordert die Bearbeitung von DSS und SDSS im Vergleich zu anderen Legierungen mehr Zeit in Bezug auf Vorschübe und Geschwindigkeiten. Diese Legierungen können geschweißt werden, erfordern jedoch eine besondere Beachtung der Zwischenlagentemperatur (maximal 200 bis 300 °F). Es muss darauf geachtet werden, die Raupendicke zu begrenzen. Eine gute Schweißmetallurgie muss das richtige Gleichgewicht zwischen den Austenit- und Ferritphasen aufrechterhalten. Dies kann durch zu schnelles Abkühlen, einen hohen Ferritgehalt im Schweißgut und unzureichendes Schutz- und Spülgas negativ beeinflusst werden. Eine ordnungsgemäße, offene Fugengestaltung ist erforderlich. Das Vorheizen sollte auf weniger als 100 °F begrenzt werden. Es können wichtige Verfahren eingesetzt werden, wie z. B. das Metalllichtbogenschweißen (SMAW), das Wolfram-Inertgasschweißen (GTAW), das Metalllichtbogenschweißen (GMAW) und das Unterpulverschweißen (SAW). Es müssen standardmäßige Helium-Lecktests durchgeführt werden.

Aufgrund der relativ hohen Kosten von DSS- und SDSS-legierten Ventilen, Rohrleitungen und Rohren sowie der Komplexität und hohen Kosten des Schweißens ist es ratsam, Ventile mit langer Lebensdauer zu spezifizieren, die für Wartung, Reparatur und Erneuerung leicht zugänglich sind.

ABBILDUNG 6. Dieser Kugelhahn ist mit Zugänglichkeit von oben und Inline-Erneuerbarkeit ausgestattet, was beides im Harnstoffbetrieb nützlich ist

Beim Einsatz solcher erneuerbaren Inline-Ventile (Abbildung 6) im Harnstoffbetrieb ist der Fehlerbehebungs- und Reparaturprozess viel einfacher, schneller und wirtschaftlicher. Sobald das Ventil repariert ist, sind für die Wiederinbetriebnahme keine Schweißarbeiten erforderlich. Daher führt die Erneuerung von Inline-Ventilen häufig zu enormen Einsparungen bei Ausfallzeiten, Arbeitsaufwand und Material. Solche Ventile sind in vielen Konfigurationen erhältlich, darunter Kugel-, Durchgangs-, Rückschlag- und Schieberventile. Im Folgenden finden Sie einige zusätzliche allgemeine Überlegungen zur Spezifikation von Ventilen in Harnstoff-Serviceanwendungen:

1. IMOA, „Praktische Richtlinien für die Herstellung von Duplex-Edelstählen“, 3. Auflage, 2014.

Don Bowers ist Vizepräsident von Conval Inc. (96 Phoenix Avenue, Enfield, CT 06082; E-Mail: [email protected], Telefon: 860-749-0761; Website: www.conval.com), einem Hersteller von Hochleistungsgeräten Ventile für anspruchsvolle Industrieanwendungen. Die Erfahrung und Wissensbasis von Bowers umfasst fast vier Jahrzehnte in der Industrie für Wärmekraft- und Hochleistungsventile. Seine Karriere umfasste Positionen bei Graver Energy Systems, Bechtel Power, Crane, Velan, Weir und Conval. Er ist Mitglied der ASME; Vorsitzender des ASME Standards Committee IX; ein Mitglied der ASME SCIX-Untergruppe „Allgemeine Anforderungen“ und der Untergruppe „Schweißqualifikationen“; und ehemaliger Vorsitzender und Mitglied des Unterausschusses für Überdruckschutz (NBIC-SCOP) des National Board Inspection Code. Er ist außerdem Mitglied des Redaktionsausschusses des Valve Magazine der Valve Manufacturers Association.

Jennifer Jones ist Marktführerin der Harnstoffbranche bei Armor Valve Ltd. (126 Milner Avenue, Toronto, Ontario, Kanada M1S 3R2, E-Mail: [email protected], Telefon: 416-299-0780, Website: www.armourvalve.com) , ein kanadischer Anbieter von Industrieventilen, Spezialausrüstung und Supportdienstleistungen für Industrieanwender. Jones ist ein professioneller Ingenieur mit über 20 Jahren Erfahrung im technischen Vertrieb. Sie begann ihre Karriere in der Inside Sales-Abteilung von Armor Valve, wodurch sie ein Verständnis für die technischen und kommerziellen Faktoren erlangte, die sich auf die Produktauswahl auswirken. In ihrer aktuellen Rolle als strategische Account- und Preismanagerin und als Marktführerin von Armor Valve für die Düngemittelindustrie arbeitet sie mit Endbenutzern, Beratern und Herstellern zusammen, um optimale Lösungen für kritische Anwendungen bereitzustellen.

1. Waters, R., Selection of Severe Service Valves, Chem. Eng., Juni 2017.

2. Khiani, G., Valves: Emissions Standards and Current Practices, Chem. Eng., Oktober 2017.

3. Intratec Solutions, Technologieprofil: Harnstoffproduktion aus Ammoniak über einen Selbststrippungsprozess, Chem. Eng., Juli 2017.

4. Herrera, R., Valve-Selection Best Practices, Chem. Eng., Juli 2015.

5. LePree, J., Erhöhung der Zuverlässigkeit von Ventilen durch Design, Chem. Eng., August 2019.