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Sep 21, 2023

重大度の指定

1 maggio 2021 | Don Bowers, Conval, Jennifer Jones, Armor

2021年5月1日 | ドン・バウワーズ、コンヴァル、ジェニファー・ジョーンズ著、Armor Valve Ltd.

尿素農業用途やその他の過酷な使用プロセスで遭遇する過酷な条件や潜在的な安全上のリスクに耐えるためには、バルブの構造、性能、設置について特別な考慮を払う必要があります。

シビアサービスバルブ (SSV) は、バルブ故障の潜在的な結果として人命、プラントの運転、資産に対する重大かつ高額なリスクを伴う重要な用途向けに特別に設計および製造されています。 SSV は通常、比較的高い圧力と温度、さらには腐食性または致死性の媒体にさらされます。

図 1. 尿素の製造では、バルブを含むすべての機器が過酷な条件や過酷な媒体への曝露に対応できる必要があります。

SSV の化学産業における重要な用途は、尿素の生産です (図 1)。 世界的には、生産される尿素の 90% 以上が農業用の経済的な窒素肥料として使用されています (図 2)。 世界人口は80億人と推定され、増加の一途をたどっており、食料、ひいては肥料に対する世界的な需要は旺盛であり、景気循環の影響を受けにくい。 Expert Market Research (EMR) によると、2020 年の尿素の世界市場は 1 億 8,780 万トンでした。 2026 年までに、その数は 12.61% 増加して 2 億 1,150 万トンに達すると予想されます。

図 2. 粒状尿素肥料は世界中で広く使用されており、その需要は今後 5 年間で大幅に増加すると予想されています

尿素のもう 1 つの用途は、高温で作動し高濃度の一酸化窒素を生成するディーゼル エンジンからの大気汚染の軽減です。 尿素タンクは現在、多くの新しいディーゼル トラック、バス、乗用車に標準装備されています。

尿素は、通常、高圧 (140 bar; 2,031 psi) および温度 (183°C; 362°F) でのアンモニアと二酸化炭素の反応によって生成されます。 尿素を合成するために開発されたさまざまなプロセスがあります。 そのうちの 1 つは、尿素反応器、ストリッパー、高圧カルバメート凝縮器、および高圧オフガス スクラバーを含みます (図 3)。 反応器内では、CO2 と NH3 が部分的に尿素と水に変換されます。 ストリッパーは残留 CO2 を NH3 から分離し、NH3 は高圧カルバメート凝縮器を通してさらに処理されます。 スクラバーは、酸素や窒素などの残留不活性ガスを分離します。 中間生成物であるカルバミン酸アンモニウムは腐食性が高いことに注意してください。

図 3. 典型的な尿素合成プロセスには、アンモニアと二酸化炭素の反応、その後のストリッピング ステップ、カルバメート コンデンサーおよびスクラビングが含まれます。

尿素サービス用のシビアサービスバルブを指定する場合、理解すべき最も重要な側面は、必要な冶金の独自性です。 これらのプロセスは通常、酸素含有量が最小限に保たれている場合に最もよく機能しますが、多くの合金では耐食性表面を形成および維持するために酸素の存在が必要です。 長年にわたり、より低い酸素レベルでこれらのプロセスで機能する能力を求めて尿素産業によって選択された合金の進化が行われてきました。 初期には、316L-尿素グレード (316L-UG または UNS S31603)、316L LN (UNS S31653 または EN 1.4429) および 25-22-2 (UNS S31050) などのオーステナイト系ステンレス鋼合金が、さまざまな度合いで使用されていました。成功。 しかし、プロセス酸素のレベルがさらに低いことがより重要になるため、二相ステンレス鋼 (DSS) およびスーパー二相ステンレス鋼 (SDSS) が導入されました。これにより、酸素の存在をほぼゼロにしながら、より高い強度を実現できます。 施設の築年数、プロセス条件、特定のプロセスのライセンサーに応じて、合金の選択は異なる場合があります。 尿素サービスバルブを提供するバルブメーカーにとって、要求される厳格な合金規格を厳密に遵守することは非常に重要です。 問題を回避するには、エンドユーザーが材料、調達、検査の要件を明確に特定し、文書化することが最善です。

国際モリブデン協会 (IMOA、英国ロンドン、www.imoa.info) は、DSS に関する次の実践的なガイダンスと有用な背景の一部を提供しています [1]。

図 4. 二相ステンレス鋼のこの電子顕微鏡画像は、オーステナイト粒子とフェライト粒子の二相微細構造を示しています

DSS 合金は、高強度 (一般的なオーステナイト系またはフェライト系ステンレス鋼の約 2 倍)、改善された耐食性および溶接性により、尿素用途やその他の過酷な使用プロセスにおけるバルブに最適です。 これらの合金は、1,500 ～ 2,500 psi の範囲の圧力に耐えるのに十分な強度を持っています。 尿素サービス用のバルブは、自己洗浄の流れを促進し、沈殿剤の蓄積が発生する可能性のある空洞を設けないようにする必要があります。 DSS および SDSS 合金は、その強度と耐食性により、配管やチューブにも使用されます。

これらのクロム-ニッケル-モリブデン (Cr-Ni-Mo) 合金には、クロム含有量が高く、さまざまなニッケル、モリブデン、マンガン、その他の合金元素添加剤が含まれています。 ASTM インターナショナル (ペンシルバニア州ウェスト コンショホッケン、www.astm.org) によって開発されたヒューイ テスト (ASTM A262、実践 C) は、尿素プロセスで存在する種類の腐食に耐える合金の能力を確認するために広く使用されています。クロムとモリブデンの比率は、おそらくヒューイ テストのパフォーマンスを予測する合理的な (ただし完全ではない) 予測因子です。 孔食抵抗当量数 (PREN) は、通常、シュトライヒャー試験 (ASTM A262、実践 B) によって測定される腐食孔食温度 (CPT) および腐食亀裂温度 (CCT) と相対的な耐食性のもう 1 つの有用な尺度です。 通常、PREN は合金のクロム、モリブデン、窒素の含有量とともに増加します。 316L ステンレス鋼の場合、PREN は 25 です。典型的な DSS の場合、PREN は約 36 です。クロム含有量が 25% 以上の SDSS の場合、PREN は 40 を超える場合があります。最後に、これらの合金のフェライト含有量は一般に制御されます。また、ヒューイ試験に加えて、尿素合金の認定材料試験報告書には、そのような試験データが必要になることがよくあります。

DSS および SDSS 合金の開発と製造には非常に費用がかかります (図 5)。 役立つ例えの 1 つは、カスタム医薬品です。 尿素プラントへの OEM サプライヤーの一部は、ライセンサーとその材料組織が開発したカスタム合金へのアクセスを確保しています。 尿素サービスバルブの製造に使用される他の一般的な高合金には、フェラリウム 255、310 MoLN、Duplex F51、SAF 2507、Super Duplex F53、Zeron 100、チタンなどがあります。

図 5. 二相ステンレス鋼 (DSS) は鋳造工場で作成されます。 DSS は高性能特殊材料であるため、製造コストがかかる場合があります

SDSS 合金の性能向上に関連する研究開発活動が産業界で進行中です。 最近の製品革新には、Safurex および Safurex Star グレード (Stamicarbon と Sandvik が開発) が含まれます。 Uremium29 (Casale と Tubacex によって開発); DP28W（東洋と住友が開発）。

ほとんどの場合、尿素サービスバルブの設計は、プロセスの要件と関与する化学物質の挙動によって独自に決定されます。 ただし、バルブは、米国機械学会 (ASME、ニューヨーク州ニューヨーク、www.asme.org) によって開発された B16.34 規格、および次のような国際機関のその他すべての該当する品質/エンジニアリング規格に準拠する必要があります。 カナダ登録番号 (CRN) 認証。 欧州適合性 (CE) 認証。 国際標準化機構 (ISO)。 ドイツ標準化研究所 (DIN)。 および圧力機器指令 (PED)。

生産の観点から見ると、DSS および SDSS の加工は他の合金と比較して、送りと速度の点で時間がかかります。 これらの合金は溶接できますが、パス間温度 (最大 200 ～ 300°F) に細心の注意を払う必要があります。 ビードの厚さを制限するように注意する必要があります。 優れた溶接冶金では、オーステナイト相とフェライト相の間の適切なバランスが維持されなければなりません。 これは、冷却が速すぎること、溶接金属中のフェライト含有量が高いこと、シールドおよびパージガスが不十分であることによって悪影響を受ける可能性があります。 適切なオープンジョイント設計が必要です。 予熱は 100°F 未満に制限してください。 シールドメタルアーク溶接 (SMAW)、タングステン不活性ガス溶接 (GTAW)、ガスメタルアーク溶接 (GMAW)、サブマージアーク溶接 (SAW) などの主要なプロセスが使用される場合があります。 標準的なヘリウム漏れテストを実行する必要があります。

DSS および SDSS 合金のバルブ、配管、チューブは比較的高価であり、溶接の複雑さとコストも高いため、メンテナンス、修理、更新が簡単にできるライフサイクルの長いバルブを指定することが賢明です。

図 6. このボールバルブは、トップエントリーのアクセス性とインライン再生可能性を備えて構成されており、どちらも尿素サービスに役立ちます

このようなインライン再生可能バルブ (図 6) を尿素サービスで使用すると、トラブルシューティングと修理のプロセスがはるかに簡単、迅速、かつ経済的になります。 バルブを修理すると、使用可能な状態に戻すために溶接は必要ありません。 したがって、インラインバルブの再生可能性により、多くの場合、ダウンタイム、労力、材料が大幅に節約されます。 このようなバルブは、ボールバルブ、グローブバルブ、チェックバルブ、ゲートバルブなど、さまざまな構成で利用できます。 以下は、尿素サービスアプリケーションでバルブを指定する際の追加の一般的な考慮事項です。

1. IMOA、「二相ステンレス鋼の製造に関する実践ガイドライン」、第 3 版、2014 年。

Don Bowers は、厳しいサービスを提供する Conval Inc. (96 Phoenix Avenue, Enfield, CT 06082、電子メール: [email protected]、電話: 860-749-0761、Web サイト: www.conval.com) の副社長です。要求の厳しい産業用途向けのバルブ。 Bowers の経験と知識ベースは、火力発電および過酷なサービスのバルブ業界でほぼ 40 年に及びます。 彼のキャリアには、Graver Energy Systems、Bechtel Power、Crane、Velan、Weir、Conval での役職が含まれます。 彼は ASME の会員です。 ASME規格委員会IXの委員長。 ASME SCIX のサブグループ一般要件およびサブグループ溶接資格のメンバー。 国家委員会検査規定の過圧保護に関する小委員会 (NBIC-SCOP) の元委員長およびメンバー。 彼は、バルブ製造者協会の Valve Magazine 編集審査委員会の委員も務めています。

ジェニファー・ジョーンズは、Armor Valve Ltd. (126 Milner Avenue, Toronto, Ont., Canada M1S 3R2、電子メール: [email protected]、電話: 416-299-0780、Web サイト: www.armourvalve.com) の尿素産業市場リーダーです。は、工業用バルブ、特殊機器、産業ユーザー向けサポート サービスを提供するカナダのプロバイダーです。 ジョーンズは、技術営業において 20 年以上の経験を持つプロフェッショナル エンジニアです。 彼女は Armor Valve のインサイド セールス部門でキャリアをスタートし、製品の選択に影響を与える技術的および商業的要因を理解しました。 彼女は現在、戦略的アカウントおよび価格設定マネージャーとして、また肥料業界の Armor Valve のマーケット リーダーとしての役割を担っており、エンド ユーザー、コンサルタント、メーカーと協力して重要な用途に最適なソリューションを提供しています。

1. Waters, R.、「重大なサービスバルブの選択」、Chem. 工学、2017 年 6 月。

2. Khiani, G.、「バルブ: 排出基準と現在の慣行」、Chem. 工学、2017 年 10 月。

3. イントラテック ソリューション、技術プロファイル: 自己ストリッピング プロセスによるアンモニアからの尿素製造、Chem. 工学、2017 年 7 月。

4. Herrera、R.、バルブ選択のベスト プラクティス、Chem. 工学、2015 年 7 月。

5. LePree, J.、設計によるバルブの信頼性の向上、Chem. 工学、2019 年 8 月。