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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
zweilagigen laminaren Elements aus rostfreiem Stahl, ein zweilagiges
laminares Element, ein Verfahren für den Korrosionsschutz gegenüber Prozessfluiden
von hohem Druck ausgesetzten Einrichtungen oder Elementen einer
Anlage zur Herstellung von Karbamid und eine chemische Einrichtung
in einer Industrieanlage für
die Synthese von Karbamid, insbesondere eine Schutzauskleidung für eine Hochdruckeinrichtung,
welche in Verfahren zur Herstellung von Karbamid verwendet werden
kann.
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Genauer
gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Auskleidung für eine zur
Tolerierung von Drücken
bis zu 100 MPa taugliche Einrichtung, insbesondere eine im Synthesezyklus
einbezogene Einrichtung, wobei die Auskleidung zur Bereitstellung von
hinreichendem Schutz für
den relativ druckbeständigen,
normalerweise aus Kohlenstoffstahl hergestellten Körper vor
aggressiver Einwirkung von typischen Prozessfluiden in Industrieanlagen
für die Karbamidherstellung
im Stande ist.
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Die
Konstruktionstechniken von chemischen Hochdruck-Einrichtungen, seien
es Reaktoren, Separatoren, Kessel etc., umfassen normalerweise die Herstellung
eines kompakten Körpers,
der zur Tolerierung der Betriebsdrücke im Stande ist und ein Maximum
an Sicherheit und zeitlicher Beständigkeit der mechanischen Spezifikationen
garantiert, wobei er mit erforderlichen Durchlässen für eine externe Kommunikation
und für
den Einlass und Auslass von Prozessfluiden ausgestattet ist. Das
am weitesten verbreitete Material für diese Konstruktion ist, dank
seiner exzellenten Kombination von besten mechanischen Eigenschaften,
seiner relativ niedrigen Kosten und kommerziellen Erhältlichkeit,
Stahl.
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Verfahren
für die
Herstellung von Karbamid, die normalerweise in der Industrie verwendet
werden, umfassen wenigstens einen Abschnitt, welcher bei hohen Temperaturen
und Drücken
betrieben wird (Syntheseschleife), bei welchen das Prozessfluid,
d. h. Wasser, Ammoniak und vornehmlich Salzlösungen, besonders aggressiv
werden. Es ist seit langem bekannt, dass normaler Kohlenstoffstahl
nicht imstande ist, der Korrosion durch diese Fluide bei einer hohen
Temperatur zu widerstehen und dass er, wenn er mit ihnen in Kontakt
ist, einer fortschreitenden Zersetzung ausgesetzt ist, welche die
Struktur schwächt,
wodurch äußerer Schwund
und selbst Explosionen verursacht werden.
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Bei
diesen Verfahren werden Ammoniak, normalerweise im Überschuss,
und Kohlendioxid in einem oder mehreren Reaktoren bei Drücken normalerweise
im Bereich von 10 bis 30 MPa und Temperaturen zwischen 150 und 240°C zur Reaktion
gebracht, wobei eine Karbamid, den nicht umgesetzten Ammoniumkarbamat-Rückstand
und den in der Synthese verwendeten Überschuss Ammoniak enthaltende
Lösung
erhalten wird. Diese wässrige
Lösung wird
von dem darin enthaltenen Ammoniumkarbamat durch dessen Zersetzung
in Zersetzern, die bei allmählich
abnehmenden Drücken
in Reihe betrieben werden, gereinigt. Bei den meisten existierenden Verfahren
wird der erste dieser Zersetzer bei Drücken betrieben, welche im Wesentlichen
gleich dem Synthesedruck oder leicht geringer sind, und er besteht
im Wesentlichen aus einem Verdampfer-Zersetzer (allgemein bekannt
als "Abscheider", wie ab hier verwendet),
in welchem die wässrige
Lösung
von Karbamid mit externem Dampf in Gegenwart einer Gasphase im Gegenstrom
erwärmt
wird, welche die Zersetzung des Karbamats fördert und gleichzeitig als
Mitführfluid
für das
Zersetzungsprodukt agiert. Abscheideagenzien können inerte Gase oder Ammoniak
oder Kohlendioxid oder Mischungen von inerten Gasen mit Ammoniak
und/oder Kohlendioxid sein; die Abscheidung kann ggf. auch unter
Verwendung des Überschusses
Ammoniak, welcher in der vom Reaktor kommenden Mischung gelöst ist (autostripping),
und somit ohne Einführung
eines anderen externen Agenz durchgeführt werden.
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Die
Zersetzungsprodukte von Ammoniumkarbamat (NH3 und
CO2) werden normalerweise zusammen mit den
möglichen
Abscheideagenzien, inerte Gase eingeschlossen, in einem geeigneten
Kondensor kondensiert, wobei eine Flüssigkeitsmischung umfassend
Wasser, Ammoniak und Ammoniumkarbamat erhalten wird, welche zum
Synthesereaktor rezykliert wird. In technologisch weiter fortgeschrittenen
Anlagen wird dieser Kondensationsschritt bei Drücken, die im Wesentlichen gleich
den Reaktordrücken
oder leicht niedriger sind, ausgeführt.
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Als
Literaturhinweise können
unter den vielen existierenden Patenten die US-Patente 3,886,210,
US 4,314,077,
US 4,137,262 und
die veröffentlichte
europäische
Patentanmeldung 504 966 erwähnt
werden, welche Verfahren mit den oben erwähnten Besonderheiten für die Herstellung
von Karbamid beschreiben. Eine breite Auswahl von vor allem für die Herstellung
von Karbamid verwendeten Verfahren ist in "Encyclopedia of Chemical Technology", 3rd Edition (1983),
Vol. 23, Seiten 548–574,
John Wiley & Sons
Ed. angegeben.
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Die
kritischsten Schritte bei der Ausführung des Verfahrens sind die,
in welchen sich das Ammoniumkarbamat bei seinen höchsten Konzentrationen und
höchsten
Temperaturen befindet, und somit decken sich, in den oben erwähnten Verfahren,
diese Schritte mit der Einrichtung des Synthesezyklus, wie z. B.
dem Reaktor, dem Abschei der und Ammoniumkarbamatkondensor, um die
wichtigsten zu nennen, wobei alle unter analogen oder ähnlichen
Bedingungen wie jene des Reaktors betrieben werden. Das bei diesen
Einrichtungen zu lösende
Problem ist das von Korrosion und/oder Erosion, insbesondere durch Kontakt
mit Lösungen
von Ammoniumkarbamat bei den hohen, für die Synthese von Karbamat
notwendigen Temperaturen und Drücken
verursacht.
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Diesem
Korrosionproblem wurde in existierenden industriellen Anlagen mit
verschiedenen Lösungen
entgegengetreten, und andere wurden in der Literatur vorgeschlagen.
Tatsächlich
gibt es zahlreiche Metalle und Legierungen, welche im Stand sind, den
potentiell korrosiven Bedingungen, die innerhalb eines Synthesereaktors
von Karbamid entstehen, für ausreichend
lange Zeiträume
zu widerstehen. Unter diesen können
Blei, Titan, Zirkonium und zahlreiche rostfreie Stähle wie
z. B. AISI 316L Stähle
der Karbamid-Güteklasse,
INOX 25/22/2 Cr/Ni/Mo Stahl, spezielle austenitisch-ferritische Stähle usw.
erwähnt werden.
Aus wirtschaftlichen Gründen
können
jedoch die Einrichtungen vom obigen Typ nicht vollständig aus
diesen korrosionsresistenten Legierungen oder Metallen gebaut werden.
Gewöhnlicherweise
werden aus normalem Kohlenstoffstahl hergestellte, ggf. mehrschichtige
Behälter
oder Säulen
mit einer Dicke, variierend von 40 bis 350 mm, abhängig von
der Geometrie und dem zu tolerierenden Druck (druckresistenter Körper) verwendet,
wobei deren in Kontakt mit den korrosiven oder errorsiven Fluiden stehende
Oberfläche
gleichförmig
mit einer antikorrosiven Metallauskleidung von 2 bis 30 mm Dicke
bedeckt ist.
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Insbesondere
besteht der Reaktor normalerweise aus einem stehenden Behälter mit
einem Einlass für
die Reagentien von unten und einem Auslass für die Reaktionsmischung nach
oben. Der druckresistente Körper
umfasst normalerweise einen mit einer mehrlagigen oder soliden Wandtechnik
hergestellten Zylinder von 0,5 bis 4 m im Durchmesser, bei dem die
beiden Enden durch pässlich
an ihn angeschweißte
Deckel geschlossen sind. Innerhalb des Reaktors ist eine antikorrosive
Auskleidung auf alle der Korrosion ausgesetzten Wände aufgebracht,
die z. B. aus Titan, Blei, Zirkon oder vorzugsweise Stahl der Karbamid-Güteklasse
vom oben erwähnten
Typ bestehen kann.
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Der
nachfolgende Karbamatabscheider besteht, insbesondere wenn er bei
gleichem Druck wie der Reaktor betrieben wird, aus einem Rohrbündelaustauscher.
Auch in diesem Fall wird der druckresistente Körper aus normalem Kohlenstoffstahl
hergestellt, wohingegen Titan oder Stähle der Kabamid-Güteklasse
bevorzugt für
die Auskleidung verwendet werden. In speziellen Zonen des Abscheiders
herrschen Bedingungen von extremer Aggressivität durch die Fluide vor. Dies
kann auf die hohe Temperatur, aber auch auf die Geometrie der Einrichtung,
die keine gleichförmige
Verteilung der passivierenden Agentien wie z. B. Luft ermöglicht,
möglicherweise
kombiniert mit, normalerweise in geringen Mengen, mit den Prozessfluiden
gemischt eingeführtem
Wasserstoffperoxid, zurückgeführt werden.
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Darüber hinaus
kann die Injektion von passivierender Luft in den Hochdruckbereich
einer Karbamidanlage das Explosionsrisiko, neben dem Vorteil des
Verbesserns der Korrosionsresistenz der am häufigsten verwendeten Auskleidungen,
erhöhen. Tatsächlich wird
ein Großteil
des mit der eingeblasenen Luft eingeführten Sauerstoffs nicht in
der Anlage verbraucht und wird, mit dem inerten Gas gemischt, gewöhnlich entweder
vom Karbamatkondensor oder der Oberseite des Reaktors abgeführt. Dieser
Gasstrom enthält
auch Ammoniak und Wasserstoff in solch einer Menge, dass sich eine
explosive Mischung mit dem Sauerstoff bei den Druck- und Temperaturbedingungen
des Karbamatverfahrens ergibt, was in der Industrie katastrophale
Folgen haben kann.
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Die
den Abscheider verlassenden Gase werden normalerweise in einem Karbamatkondensor rückkondensiert,
welcher sich daher in Kontakt mit einer Mischung, die ähnlich der
des Zersetzers (abgesehen von Karbamid) und daher extrem korrosiv
ist, befindet. Auch in diesem Fall besteht die innere Auskleidung
vorzugsweise aus den obigen speziellen rostfreien Stählen der
Karbamid-Güteklasse.
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Bei
der obigen Einrichtung oder den obigen Anlageneinheiten wird die
antikorrosive Auskleidung durch die Anbringung zahlreicher Elemente
mit geeigneter Resistenz gegen Korrosion erhalten, um damit letztendlich
eine hermetisch abgedichtete Struktur bei dem hohen Betriebsdruck
auszubilden. Für
die zu diesem Zweck ausgeführten
verschiedenen Verbindungen und Verschweißungen ist es gelegentlich notwendig,
auf besondere Techniken, abhängig
von der Geometrie und Natur der zu verbindenden Teile, zurückzugreifen.
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Bei
allen der obigen Einrichtungen wird eine gewisse Anzahl von Löchern (sog. "Weep-Holes") herbeigeführt, um
jedwede Verluste an der antikorrosiven Auskleidung offenzulegen.
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Ein
Weep-Hole besteht normalerweise aus einer schmalen, aus korrosionsresistentem
Material hergestellten Röhre
mit einem Durchmesser von 8 bis 15 mm, welche in den druckresistenten
Körper eingefügt wird,
bis sie den Kontaktpunkt zwischen diesem und der korrosionsresistenten
Legierung oder Metallauskleidung erreicht. Wenn ein Schwund an der
Auskleidung auftritt, wird sich, Dank des hohen Drucks, die innere
korrosive Flüssigkeit
umgehend in die Zwischenraumzone zwischen der Auskleidung und dem
druckresistenten Körper
ausbreiten und, falls nicht entdeckt, eine schnelle Korrosion des
Kohlenstoffstahls, aus dem letzterer hergestellt ist, bewirken.
Das Vorhandensein von Weep-Holes ermöglicht, dass dieser Schwund
offengelegt wird. Zu diesem Zweck müssen alle Zwischenraumzonen unter
der antikorrosiven Auskleidung mit wenigstens einem Weep-Hole in
Verbindung stehen. Die Zahl von Weep-Holes beträgt normalerweise zwischen 2 bis
4 für jede
Hülle („Ferrule"), was z. B. bedeutet, dass
es gewöhnlich
30 bis 60 Weep-Holes in einem Reaktor gibt.
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Das
für die
Schutzauskleidung verwendete Material ist normalerweise ausgewählt aus
Metallen oder Metalllegierungen, welche zur Tolerierung des Kontakts
mit den Prozessfluiden tauglich sind, ohne Korrosion oder Veränderungen über längere Zeiträume zu unterliegen.
Abhängig
von den Zusammensetzungen und dem Wärmeniveau (Temperatur) der Prozessfluide
können
sich die gewählten
Materialen, auch unter Berücksichtigung
ihrer Kosten und spezifischen chemischen Eigenschaften, stark voneinander
unterscheiden. Häufig
verwendete Materialien für die
Auskleidung von bei hohen Temperaturen betriebenen Einrichtungen
in Anlagen zur Produktion von Karbamid sind z. B. rostfreier Stahl,
Titan, Zirkon, Blei. Rostfreie Stähle der "Karbamid-Güteklasse", wie z. B. AISI 316L (Karbamid-Güteklasse)
Stahl, INOX 25/22/2 Cr/Ni/Mo, spezielle austenitisch-ferritische
Stähle,
usw. sind dank ihrer relativ geringen Kosten und einem Betriebsverhalten,
welches ausreichend ist, Einrichtungen für mehrere Jahre zu schützen, besonders
bevorzugt.
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Trotz
ihrer guten Leistung ist jedoch die Haltbarkeit rostfreier Stahlauskleidungen
begrenzt, und es wäre
bevorzugt, noch resistentere Stähle
zu haben. Zusätzlich
wurde die Bildung von besonderen Zonen begünstigter Korrosion in besonderen
Anlageeinrichtungen beobachtet, was es notwendig machte, auf Reparatur-
oder Austauscheingriffe der Auskleidung (häufiger als auf der Grundlage
von Standardkorrosionsresistenztests vorhergesagt) zurückzugreifen.
Dies tritt z. B. in den Hochdruckabscheidebereichen auf.
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US-Patent
Nr. 3,066,402 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hartverkleidungsgegenstandes,
das aus der Abscheidung einer Schicht von hartem, festem Material
in diskreten Teilchen auf einer Stahlplatte durch Erhitzen und Schweißen eines Stabes
von geeigneter Zusammensetzung besteht. Die Gegenstände finden
Anwendung als harte Anti-Abrasionsbeschichtungen, sind aber nicht
geeignet für
die Aus kleidung von Einrichtungen, welche schwerer chemischer Korrosion
ausgesetzt sind, weil die Ablagerungsschicht nicht homogen ist.
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Gemäß der PCT-Veröffentlichung
WO 96/09136 wird die Verwendung von korrosionsresistenten, metallischen
Elementen zur Reparatur einer Einrichtung offenbart, welche Korrosion
in einem Verfahren zur Herstellung von Karbamid unter Hochleistungsbedingungen
ausgesetzt war. Die metallischen Elemente werden durch geeignetes
Schneiden und Formen von aus Materialien wie zum Beispiel INOX rostfreier
Stahl, austenitisch-ferritische Stählen, Titan, Zirkon und ihren
Legierungen hergestellten Standardlaminaten erhalten.
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Die
US 4431447 offenbart eine
Schweißlegierung
enthaltend wenigstens 5 Gew.-% an Mo und ein Schweißgut enthaltend
wenigstens 4% Mo, erhalten in gewissen Zonen einer chemischen Einrichtung,
aber es wird nichts Zweckdienliches für das Erreichen von einzelnen
zweilagigen Elementen mit hoher Korrosionsresistenz, selbst mit
einem geringerem Gehalt an Molibdän, offenbart.
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Die
EP 1 148 93 offenbart eine
Auskleidung aus rostfreiem Stahl über einem Basismetall aus Kohlenstoffstahl
oder einem niedrig legierten Stahl in einer chemischen Einrichtung,
um seine Resistenz gegen Korrosion zu verbessern. Jedoch lässt sie
es unerledigt, das Problem der Bildung von Defekten in dem Basismetall
zu behandeln.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
die Leistung der Auskleidung speziell in unter kritischen Bedingungen
betriebenen Einrichtungen weiter zu verbessern und gleichzeitig,
aus offensichtlichen Gründen der
Bequemlichkeit und Erhältlichkeit,
die Verwendung von rostfreien, normalerweise zu deren Aufbau verwendeten
Stählen
beizubehalten.
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Es
wäre ebenfalls
wünschenswert,
eine ausgekleidete Einrichtung, insbesondere einen Karbamid-Abscheider,
von solch hoher Korrosionsresistenz zu haben, dass damit jegliche
Injektion von passivierender Luft in die Anlage vermieden wird,
um keine Explosionsgefahr herbeizuführen.
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Der
Anmelder hat nun beobachtet, dass die Korrosionresistenz von rostfreien
Stahlauskleidungen entlang während
ihres Aufbaus herbeigeführten Verschweißungen besser
ist. Gleichzeitig wurde jedoch gefunden, dass ein Schweißgut, welches
direkt auf dem druckresistenten Körpern sitzt, es aufgrund des
Mangels der vorher erwähnten
Zwischenzonen nicht erlaubt, ein effizientes System von Weep-Holes herbeizuführen, und
dass dem entsprechend die Sicherheit der gesamten Einrichtung reduziert
wird.
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Andererseits
bewirkt die Bildung eines großflächigen Schweißguts auf
einer vorab existierenden Antikorrosionsauskleidung in gewissen
Einrichtungen, obwohl die Aufrechterhaltung eines wirksamen Weep-Hole-Systems
ermöglicht
wird, Deformationen und in gewissen Fällen, aufgrund der großen thermischen
und mechanischen Belastung einer relativ dünnen, Spannung unterworfenen
Platte, eine Beschädigung
der Auskleidung selbst.
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Der
Anmelder hat nun ein Verfahren, das aus der Herstellung einer Auskleidung
aus zweilagigen Platten besteht, gefunden, welches erlaubt, die
Korrosionsresistenz von Auskleidungen auch an den äußerst kritischen
Punkten einer Anlage für
die Herstellung von Karbamid zu verbessern, wobei gleichzeitig ein
hoher Sicherheitsbereich aufrecht beibehalten wird.
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Ein
erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft daher ein
Verfahren für
den Aufbau eines zweilagigen laminaren Elements aus rostfreiem Stahl
gemäß Anspruch
1.
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Ein
zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein zweilagiges
laminares Element im Wesentlichen gemäß Anspruch 10.
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Weitere
Gegenstände
der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung
und Beispielen offensichtlich.
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In
Schritt (i) des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung
besteht die Platte aus einem rostfreien Stahl oder einer Legierung
aus rostfreien Stählen,
vorzugsweise vom "Karbamid-Güteklasse" genannten Typ, wie
zum Beispiel AISI 316L Stahl (Karbamid-Güteklasse), INOX 25/22/2 Cr/Ni/Mo Stahl,
spezielle austenitisch-ferritische
Stähle,
und andere, normalerweise den Fachleuten des Gebiets bekannte. Die
Auswahl des geeigneten Materials wird den Fachleuten des Gebiets
auf der Basis der gewünschten
Leistungen während
des Betriebs überlassen.
Typische Beispiele dieser Stählen
sind die kommerziell unter den folgenden Namen erhältlichen: "2 RE 69" (®, SANDVIK), "724 L" (®, AVESTA), "725 LN" (®, AVESTA), "DP 12" (®, SUMITOMO).
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Es
ist in diesem Stadium des erfindungsgemäßen Verfahrens unkritisch,
dass die Platte, sobald sie einmal in der jeweiligen Einrichtung
positioniert ist, gemäß der Ge ometrie
und Anordnung des zweilagigen laminaren Elements vorgeformt oder
ausgebildet wird. Es ist dies tatsächlich einer der Vorteile der
vorliegenden Erfindung, dass die Endform dieses Elements mit bekannten
Verfahren selbst nach seiner Herstellung erhalten werden kann. Aus
offensichtlichen Gründen
der größeren Einfachheit
und Praxisbezogenheit ist die Platte normalerweise quadratisch oder
rechteckig mit einer Oberflächen-Ausdehnung
zwischen 0,5 und 5 m2 geformt. Die Platte hat
bevorzugterweise eine Breite von weniger als 1 m und bis zu 0,1
m; wobei die Länge
jedes Mal gemäß der Notwendigkeit
und in Abhängigkeit
von den Dimensionen des beim Ausführen des Schrittes (ii) verwendeten
Trägers
gewählt
ist.
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Die
Dicke der Platte ist diejenige einer normalerweise für die Konstruktion
einer typischen antikorrosiven Auskleidung verwendeten, und wird
auf der Basis von Fachleuten bekannten Kriterien gewählt. Leicht
geringere Dicken als der Standard können dank des Beitrags zur
Widerstandfähigkeit
des Produkts, welcher durch das nachfolgende Schweißgut (oder „Schweißabscheidung") geliefert wird,
verwendet werden. Die gewählte
Dicke ist normalerweise größer als
2 mm, um eine ausreichende mechanische Verlässlichkeit zu garantieren,
und geringer als 30 mm, um das nachfolgende Schneiden und Formen
zu erleichtern sowie auch aus offensichtlich wirtschaftlichen Gründen. Bevorzugte
Dicken liegen zwischen 4 und 10 mm.
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Platten
des obigen Typs sind leicht erhältlich und
werden mit den gewöhnlichen
Methoden der Eisen- und Stahlindustrie durch Laminieren und Schneiden
hergestellt.
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Schritt
(ii) des vorliegenden Herstellungsverfahrens umfasst das feste Anbringen
von der gemäß Schritt
(i) hergestellten Platte auf einem geeignetem Metallträger. Der
Begriff "fest", wie in diesem Zusammenhang
erwähnt,
bezieht sich auf das Befestigen der Platte auf dem Träger, was
erlaubt, dass eine Oberfläche
in substantiellen Kontakt mit der Oberfläche des Letzteren gebracht
wird, so dass eine wirksame Wärmeübertragung
während
des nachfolgenden Abscheidens des Schweißmaterials begründet wird.
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Der
Metallträger
besteht normalerweise aus einer Platte geeigneter, gewöhnlich zwischen
20 und 200 mm und bevorzugt zwischen 40 und 100 mm gewählter Dicke,
mit wenigstens einer verhältnismäßig glatten
Oberfläche,
um so eine angemessene mechanische Unterstützung für die obere Platte und eine
wirksame Wärmeableitung
zu erlauben. Er besteht aus einem Material, welches bevorzugt gewählt ist
aus Metallen oder Legierungen, die auf die aufliegende Platte geschweißt werden
können,
um damit ein leichtes Anbringen durch Schweißpunkte zu ermöglichen,
insbesondere aus normalem Kohlenstoffstahl oder anderen Eisenlegierungen.
Andere Metallmaterialien, wie zum Beispiel Aluminium, können jedoch
auch für
diesen Zweck verwendet werden, wo es möglich ist, eine geeignete Befestigung
mit anderen Methoden als Schweißen,
zum Beispiel mittels Klammern, Schrauben, Schraubverbindungen etc.
zu bewirken.
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In
dem speziellen Fall der Befestigung durch Schweißen wird dies durch Punkte
an der Kante der Platte, vorzugsweise mit einem Abstand zwischen benachbarten
Punkten von 20 bis 150 mm, abhängig von
der Geometrie, den Dimensionen und der Dicke der Platte, ausgeführt. Auf
diese Art wird eine Anordnung zwischen Platte und Träger erreicht,
welche überraschenderweise
ausreichend ist, um das Ausbleiben von wesentlichen Verformungen
im nachfolgenden Schritt (iii), selbst für Platten von mehreren Quadratmetern,
sicher zu stellen.
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Bei
einer speziellen erfindungsgemäßen Ausführungsform
besteht der Träger
aus einer Metallplatte mit mindestens einem Kommunikationshohlraum
mit Einlässen,
um die Zirkulation einer Flüssigkeit
innerhalb der Platte selbst zu ermöglichen. Dies unterstützt die
Wärmeabführung im
nachfolgenden Schritt (iii) weiter. Bevorzugte Kühlflüssigkeiten sind gewählt aus
niederviskosen Ölen
und Wasser.
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Das
Schweißgut,
das auf der Platte gemäß Schritt
(iii) des vorliegenden Verfahrens ausgebreitet wird, besteht aus
einem nachweislich mit dem Metall oder der Metalllegierung der Platte
selbst kompatiblen Metall oder kompatiblen Metalllegierung, weil
es auf der Oberfläche
anhaften und amalgamieren muss, um eine kontinuierliche Struktur
mit der minimalen Menge von möglichen
Defekten zu bilden, was charakteristisch für eine saubere Verschweißung zwischen
zwei Metallen ist.
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Das
Verfahren zur Ausbreitung des Schweißgutes kann ein beliebiges
der im Stand der Technik bekannten Verfahren sein, zum Beispiel Schweißen mit
ARC-Elektroden, "TIG" (Wolfram Inertgas)
mit Kabelstäben
oder mittels eines automatischen Gurtsystems. Der Vorgang kann unterschiedlich,
entweder manuell oder automatisch (durch Gurte), abhängig von
den Anforderungen des Falles und den Dimensionen und der Form der
zu bedeckenden Oberfläche,
ausgeführt
werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens ist es bevorzugt, die thermische Quelle
während
des Ausbreitens des Schweißgutes
so gut wie möglich
zu begrenzen, um eine dimensionale Beständigkeit der unten liegenden
Metallplatte zu garantieren, und um keine Metallaufwürfe (metal
pick-ups) zwischen den zwei Teilen zu erzeugen. Dies wird beispielsweise
durch Begrenzung der durch das Schweißgeräts abgegebenen Leistung erreicht,
so dass kein Punkt auf der Oberfläche der Platte gegenüber der
Schweißfläche eine
Temperatur von 450°C überschreitet.
Thermische Flüsse
im Bereich von 8000 bis 16000 J/cm2 werden
vorteilhafterweise verwendet.
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Das
für das
Schweißgut
verwendete Metall oder die Metalllegierung ist rostfreier Stahl
der Karbamid-Güteklasse
des Typs, welcher gegenüber
Prozessfluiden, die mit der Synthese von Karbamid im Hochdruckzyklus
einhergehen, insbesondere wässrigen
Ammoniaklösungen
von Karbamat und/oder Karbamid, wie z. B. jene im Reaktor, am Boden
des Abscheiders oder in der Kammer des Karbamatkondensors vorhandenen,
korrosionsresistent ist. Diese Stähle sind in der Technik bekannt
und kommerziell erhältlich.
Sie enthalten zusätzlich
zu Eisen andere Metalle in ausreichenden Mengen und Konzentrationen,
welche zu diesem kompatibel und resistent gegenüber Sauerstoff in einer saueren
Umgebung sind, wie z. B. Ni, V, Cr, W, Mo, etc., um die resultierenden Legierungen
unter den normalen Betriebsbedingungen korrosionsresistent zu machen.
Typische Beispiele für
diese Stähle
sind jene zur Ausbildung der rostfreien Stahlplatte, auf welche
das erfindungsgemäße Schweißgut aufgebracht
wird, vorher erwähnten.
Insbesondere sind zum Schweißen
rostfreie Stähle
der Karbamid-Güteklasse,
die einen besonders niedrigen Gehalt an Eisenoxid und anderen Elementen
(abweichend von jenen oben erwähnten)
haben, bevorzugt, und sie können
geeignete Additive umfassen, wie z. B. Fluss- und Fließmittel
(fluxes), die zur Stützung
von Schmelzen und Adhäsion
auf der zu schweißenden
Oberfläche
geeignet sind. Typische Beispiele dieser rostfreien Stählen sind
die unter den folgenden Markennamen kommerziell erhältlichen: "P6" (®, AVESTA), "Batox F(U) M" (®, SECHERON), "Thermanit 19/15 H" (®, THYSSEN), "NC 316 MF" (®, KOBE
STEEL), "16KCR" (®, ESAB), "CITOXID B 316 LM" (®, SIDEROTERMICA), "No. 4051" (®, KOBE
STEEL), "Siderfil
316 LM" (®,
SIDEROTERMICA), "20-16-3
L Mn" (®, SANDVIK)
with flow "12 b
316 LFT 2" (®,
SOUDOMETAL), "21.17.E" (®, THYSSEN) with
flow "Rekord 13
BLFT" (®, SOUDOMETAL), "25-22-2 L Mn" (®, SANDVIK)
with flow "12b 316
LFT 2" (®,
SOUDOMETAL), "25-22-2
L Mn" (®, SANDVIK) with
flow "31S (®,
SANDVIK), "FOX EASN
25 M" (®, VEW), "Thermanit 25/22 H" (®, THYSSEN), "Soudinox LF" (®, SOUDOMETAL), "NC 310 MF" (®, KOBE STEEL), "FILARC BM 310 Mo
L" (®, ESAB), "Grinox 67" (®, GRIESHEIM), "TGS 310 MF" (®, KOBE STEEL), "FOX EASN 25 MIG" (®, VEW), "Grinox T67" (®, GRIESHEIM), "25-22-2 L Mn" (®, SANDVIK) with
flow "37 S (electroslag)" (®, SANDVIK), "25-22 H" (®, THYSSEN)
with flow "EST 122
(electroslag)" (®,
SOUDOMETAL). Die Auswahl des geeignetsten Schweißmaterials wird Fachleuten
des Gebiets, abhängig
von der Zusammensetzung der Platte, auf welcher die Schweißung ausgeführt wird,
und den gewünschten
Endeigenschaften, überlassen.
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Die
Dicke der rostfreien Stahlplatte gemäß Schritt (i) ist bevorzugt
gleichförmig,
obwohl dieses Erfordernis nicht wesentlich für den Zweck der vorliegenden
Erfindung ist. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass die Platte flach
ist, weil dies die Verteilung der durch das Schweißgut in
Schritt (iii) produzierten Wärme
vereinfacht und ferner die Befestigung auf der Platte auf dem Träger gemäß Schritt
(ii) erleichtert. Die Dicke des auf der Platte gemäß Schritt
(iii) des vorliegenden Verfahrens abgeschiedenen Schweißgutes wird
vorzugsweise bei einem Wert gehalten, der mehr oder weniger gleich
auf der gesamten Oberfläche
des Gutes ist, um eine gleichförmige Leistungsfähigkeit
des auf diese Weise erhaltenen Endprodukts zu garantieren. Qualitativ
ausgedrückt kann
diese Dicke maximal eine Abweichung von ±20%, bevorzugt ±10%, vom
durchschnittlichen Wert haben.
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Im
nachfolgenden Schritt (iv) wird das gemäß Schritt (iii) erhaltene zweilagige
laminare Element vom Träger,
auf welchem es befestigt wurde, unter Verwendung üblicher
Arbeitsabläufe
entfernt. Wenn die Befestigung durch Schweißen bewirkt wurde, muss das
Entfernen mit größter Vorsicht
ausgeführt
werden, um eine Verformung der Platte zu vermeiden.
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Es
wird ein zweilagiges laminares Element erhalten, welches im Wesentlichen
deformationslos ist und welches zur Herstellung von antikorrosiven Auskleidungen
von Einrichtungen verwendet werden kann, die in Anlagen zur Herstellung
von Karbamid verwendet werden, umfassend eine erste Schicht, die
aus einer rostfreien Stahlmetallplatte mit einer Dicke im Bereich
von 2 bis 30 mm, bevorzugt zwischen 2 und 15 mm, und einer Oberflächenausdehnung zwischen
0,5 und 5 m2 besteht, dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite, aus Schweißgut
erhaltene Schicht eine nahezu gleichförmige Dicke im Bereich von
0,5 bis 6 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 4 mm hat, gleichförmig auf
die erste Schicht geschweißt
ist und aus einem rostfreien Stahl des mit "Karbamid-Güteklasse" bezeichneten Typs besteht.
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Diese
zweite Schicht besteht bevorzugt aus einem Schweißgut eines
rostfreien Stahls mit geringem Eisenoxid Gehalt der Karbamid-Güteklasse ausgewählt aus
AISI 316L (Karbamid-Güteklasse) Stählen, INOX
25/22/2 Cr/Ni/Mo Stählen,
speziellen austhenitischen-ferretischen Stählen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Schutz von
hochdruckresistenten Einrichtungen oder Elementen einer Anlage zur
Produktion von Karbamid, insbesondere im Syntheseabschnitt, vor
Korrosion durch Prozessfluide gemäß Anspruch 12.
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Die
Auswahl der geeignetsten Konstruktionstechnologie unter den zahlreichen
vorhandenen Verfahren zur Herstellung der schützenden erfindungsgemäßen Auskleidungen,
umfassend Schneiden und Schweißmethoden,
als auch jene für
den Erhalt von Weep-Holes an den geeignetsten Punkten, das Ausheilen
der Schweißungen
auf dem druckresistenten Körper,
die Aufbringung von Schweißgut unter
den Schweißlinien
und auch für
zusätzlichen Schutz
im Fall von unbeabsichtigtem Schwund, die Bildung von Kommunikationspunkten
oder -Schlitzen zwischen den verschiedenen Zwischenzonen unter der
Auskleidung und unter diesen Weep-Holes, die Formgebungsverfahren
des laminaren Element wie z. B. Prägen oder Form pressen und alle
anderen bekannten Techniken, welche für diesen Zweck verwendet werden
können,
wird Fachleuten des Gebiets überlassen.
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Das
obige erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht,
dass die Korrosionsresistenz der in dem Syntheseverfahren von Karbamid
involvierten Einrichtung verbessert wird, wobei all die Elemente,
welche für
die Garantie der Sicherheit der Anlage notwendig sind, beibehalten
werden. Und das obige erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch,
dass unbeabsichtigter Schwund aufgedeckt wird. Tatsächlich wird
diese Auskleidung mit den bekannten, für traditionelle Auskleidungen
verwendeten Techniken hergestellt, d. h. durch Platzierung des zweilagigen laminaren
Elements auf dem darunter liegenden druckresistenten Körper ohne
umfangreiches Schweißen,
sondern nur durch Aneinanderschweißen der Kanten und an dem darunter
liegenden druckresistenten Körpers,
um somit Zwischenräume zwischen
Auskleidung und druckresistentem Körper zu schaffen, welche miteinander
und mit einem System von Weep-Holes
kommunizieren, um jegliche möglichen
Schwund offen zu legen.
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Im
Gegenteil würde
es ein großflächiges Schweißgut direkt
auf dem druckresistenten Körper nicht
möglich
machen, eine ausreichende, auf Weep-Holes basierende Systemsicherheit
aufrecht zu erhalten, weil dann keine Zwischenräume als geeignete Auslässe für korrosive
Flüssigkeiten
im Fall von Schwunden der Auskleidung vorhanden wären. In
diesen Fällen
würden
das korrosive Prozessfluid nicht offen hervortreten und würde mit
dem Kohlenstoffstahl des druckresistenten Körpers, unter Bewirkung von
Korrosion und in Gefahrbringung der Struktur, in Kontakt bleiben.
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Gemäß einem
besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nicht die ganze
Oberfläche der
Einrichtung mit dem obigen zweilagigen laminaren Elementen mit verbesserter
Korrosionsresistenz ausgekleidet, sondern optional nur der Teil,
welchem zugeschrieben wird, am meisten der Korrosion ausgesetzt
zu sein. Im Fall von Abscheide-Einrichtungen zum Beispiel kann eine
Auskleidung mit zweilagigen laminaren Elementen im unteren Bereich
ausgebildet werden, wo die Verfahrenstemperatur höher ist,
wobei eine sicherlich weniger teuere Auskleidung vom traditionellen
Typ in dem oberen, weniger einem korrosiven Angriff ausgesetztem
Bereich, vorgesehen wird.
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Wie
vorhin angegeben, kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere in
Hoch- oder Mitteldruckbereichen
einer Syntheseanlage von Karbamid angewendet werden. Dies bezieht
sich im Wesentlichen auf Synthesereaktoren von Karbamid, Einrichtungen
für die
Zersetzung von nicht umgeformtem Karbamat (insbesondere Abscheider)
und Behälter
zur Kondensation von Ammoniak und CO2 unter
der Bildung von Karbamatlösungen.
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Diese
Einrichtungen werden bei Temperaturen normalerweise im Bereich von
10 bis 50 MPa und Temperaturen im Bereich von 70 bis 300°C in der
Anwesenheit von Mischungen enthaltend Wasser, Ammoniak, Kohlendioxid
und Ammoniumkarbamat betrieben, welches das Kondensationsprodukt
dieser Verbindungen gemäß folgender
Reaktion ist: [2NH3 +
CO2 + nH2O → NH4OCONH2 × nH2O]
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Die
Betriebsbedingungen sind vorzugsweise ein Druck von 12 bis 25 MPa
und eine Temperatur von 120 bis 240°C.
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In
gewöhnlichen
Industrieanlagen zur Herstellung von Karbamid, auf die sich die
vorliegende Erfindung speziell bezieht, enthalten die obigen, in den
Hoch- oder Mitteldruckbereichen enthaltenen Einrichtungen normalerweise
Volumina im Bereich von 2000 bis 400000 Liter.
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Die
Herstellung der antikorrosiven erfindungsgemäßen Auskleidung umfasst das
Positionieren der obigen zweilagigen laminaren Elemente auf der
Oberfläche
des druckresistenten Körpers,
wobei sie geeignet geschnitten und geformt sind, um sich selbst
der Krümmung
der auszukleidenden Oberfläche
anzupassen. Weil sie jedoch leicht verformt werden können, können geeignete
Krümmungen
mit normalen, Fachleuten des Gebiets verfügbaren Geräten erhalten werden.
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Die
zweilagigen laminaren Elemente werden Seite an Seite angeordnet,
um ihr anschließendes Verschweißen zu erleichtern.
Schlitze, Träger,
verbindende Elemente und andere Unterbrechungen oder Produkte werden
insbesondere entlang den zu schweißenden Kanten gemäß üblicher,
den Fachleuten des Gebiets bekannter Arbeitstechniken angeordnet.
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Das
Schweißen
der wie oben beschrieben angeordneten, zweilagigen laminaren Elemente
wird normalerweise mit einer der vorher aufgeführten Methoden hinsichtlich
des Schweißgut-Vorgangs
ausgeführt.
Die Herstellung des Weep-Hole-Systems wird ebenfalls Fachleuten
auf dem Gebiet überlassen.
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Die
verbesserte antikorrosive erfindungsgemäße Auskleidung ist auch für die funktionale
Wiederherstellung von bereits existierenden Einrichtungen geeignet,
deren ursprüngliche
Auskleidung einen Austausch oder eine Reparatur aufgrund des Vorhandenseins
von erheblichen, ihre Funktionalität und Sicherheit in Frage stellenden
Korrosionszonen benötigt.
Insbesondere ist es auf diese Art und Weise möglich, die ursprüngliche
Funktionalität
der Einrichtung wiederherzustellen und, dank der verbesserten Leistungsfähigkeit
der neuen Auskleidung, eine längere
Haltbarkeit und Betriebsicherheit als das Original zu garantieren.
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Die
verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden des Weiteren
durch Bezug auf die Zeichnung der 1 im
Anhang illustriert, die schematisch eine perspektivische Sicht des
längsgerichteten
Bereichs der Wand eines Hochdruckabscheiders in einer Anlage für die Synthese
von Karbamid zeigt, und auch durch das unten stehende Beispiel, wobei
der erfindungsgemäße Schutzbereichs
in keiner Weise limitiert oder begrenzt wird.
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1 illustriert im Wesentlichen
den Bereich des druckresistenten, aus rostfreiem Stahl hergestellten
Körpers 1,
auf dessen Oberfläche
die Auskleidung 2 platziert ist, die aus einer unteren,
in direktem Kontakt mit dem druckresistenten Körper befindlichen und aus einer
traditionellen rostfreien Stahlplatte aufgebauten Schicht 3 und
einer oberen, auf die vorherige Schicht aufgeschweißten und
aus einem erfindungsgemäßen Schweißgut bestehenden Schicht 4 besteht.
Es ist auch möglich,
die Weep-Holes 5 unterhalb
der Schweißung 6 zwischen
zwei zweischichtig laminierten Elementen 7a und 7b,
die lokal die obige Auskleidung bilden, zu erkennen.
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Die
Weep-Holes sind unter der Auskleidung 2, nahe bei der Schweißnaht 6 gelegen,
unterhalb welcher sich ein Schweißgut 8 ebenfalls aus
rostfreiem Stahl befindet, welches den Zweck von Stabilität und gleichförmiger Verankerung
der Verschweißung auf
dem druckresistenten Körper
hat, um den Letzteren davor zu schützen, durch mögliche Schwunde (gewöhnlicherweise
aufgrund unbeabsichtigter Schäden
in der Verschweißung
selbst) beschädigt
zu werden. Die 1 repräsentiert
ebenfalls schematisch mit der gestrichelten Linie den Fluss der
von einem möglichem
Schwund aufgrund eines Schweißdefekts
herrührenden
Prozessfluide, welcher oberhalb des Gutes 8 strömt, bis
er das nächstgelegene Weep-Hole 5 erreichen.
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Die
obige allgemeine und detaillierte Beschreibung der vorliegenden
Erfindung wird nun gefolgt von einem praktischem Beispiel ihrer
Anwendung.
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Beispiel
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Der
untere Kopf eines im Hochdrucksynthesezyklus einer Anlage für die Herstellung
von Karbamid verwendeten Abscheiders wurde mit einer antikorrosiven
erfindungsgemäßen Auskleidung
ausgestattet, wohingegen der verbleibende Teil der Einrichtung mit
einer traditionellen aus 25/22/2 Cr/Ni/Mo Stahl hergestellten Auskleidung
ausgestattet wurde.
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Der
Kopf, bestehend aus einem zylindrischen rostfreien Stahlkörper mit
einem Durchmesser 840 mm und einer Länge von 2000 mm und mit einem
Schacht von 600 mm im Durchmesser wurde komplett mit der neuen zweilagigen
laminierten Auskleidung gemäß dem folgenden
Verfahren ausgekleidet.
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Eine
geeignete Anzahl von rechteckigen Stahlplatten aus 25/22/2 Cr/Ni/Mo
mit einer Dicke von 6 mm und Dimensionen von etwa 600 mm × 1200 mm
wurden vorbereitet. Jede Platte wurde auf einem Träger bestehend
aus einer 80 mm dicken und mit einem Hohlraum für die kontinuierliche Zirkulation von
Kühlwasser
ausgestatteten Kohlenstoffstahlplatte mittels Schweißpunkten
auf der Kante mit einem Abstand von etwa 100 mm voneinander befestigt.
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Ein
Schweißgut
mit einer Dicke von etwa 3 mm wurde dann auf der exponierten Seite
der Platte mittels eines gebogenen Bogens und einem automatischen
Vorgang unter Verwendung eines "25/22/2 LM
N" (® SANDVICK)
Bands 30 mm breit und 0,5 mm dick, mit einem "Rekord 13 BLFT (® SOUDUMETALL) Flussmittel
mit einer Geschwindigkeit (shift) von 180 mm/min und einem thermischen
Fluss von 38000 J/cm (12670 J/cm2) fixiert.
Benachbarte Bänder
mit einer Breite von etwa 30 mm wurden, bis die gesamte Platte bedeckt
war, aufgebracht. Wasser wurde im Hohlraum des Trägers während des
gesamten Vorgangs zirkuliert, so dass die Temperatur der darunter liegenden
Oberfläche
der Platte unterhalb 350°C
gehalten wurde.
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Mit
Bezug auf den in 1 dargestellten
Bereich wurde der druckresistente Körper 2 des Kopfes für die Auskleidung
mit der üblichen
Methode, durch Herstellung von Schlitzen mit einer Breite von etwa 60
mm und einer Tiefe von etwa 4 mm in Übereinstimmung mit den geschätzten Schweißlinien
der Auskleidung, und dann Füllung
dieser mit dem aus 25/22/2 Cr/Ni/Mo Stahl hergestellten Schweißgut 8 vorbereitet.
Weep-holes 5 wurden dann durch das Schweißgut und
den druckresistenten Körper
in einer ausreichenden Qualität
und Position hergestellt, um die Offenlegung jedes möglichen
Schwundes an jedem möglichen
Punkt der Einrichtung zu garantieren. Jedes Weep-Hole ist mit 25/22/2
Cr/Ni/Mo Stahl ausgekleidet, und die Kante ist hermetisch mit dem
obigen Schweißgut 8 versiegelt.
Die wie oben beschrieben erhaltenen zweilagigen laminaren Elemente
wurde einem Prägen
unterworfen, um eine Krümmung
in Übereinstimmung
mit der Kopfgeometrie zur Verfügung
zu stellen. Dann wurden sie auf dem druckresistenten Körper positioniert
und mit Schweißlinien 6 aneinander
und am darunter liegenden Gut 8 befestigt, um damit die
gewünschte
Auskleidung (7a und 7b) zu bilden. Das Schweißen wurde
mit dem T. I. G-Verfahren mit "Thermanit
25/22/H" (®,
Thyssen)-Stäben
ausgeführt.
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Am
Ende der Arbeitsabläufe
wurde der Abscheider den üblichen Überprüfungen unterworfen, um
eine ausreichende Funktion sicher zu stellen. Insbesondere wurden
die folgenden Tests ausgeführt:
- – Schweißkontrolle
mit durchdringenden Flüssigkeiten
gemäß der Bestimmung "ASME VIII, Div. 1 Anhang
8";
- – Gasdichtetests
gemäß der Bestimmung "ASME V Artikel 10", ausgeführt mit
Helium;
- – Druckdichtetests,
ausgeführt
durch Erhöhen
des internen Drucks des Reaktors auf den spezifizierten Druck gemäß den Projektbestimmungen
(320 bar).
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Alle
obigen Tests ergaben zufriedenstellende Resultate.
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Der
somit erhaltene Abscheider wurde sodann bei Anlagenbedingungen in
Betrieb genommen und für
wenigstens zwei Jahre, abgesehen von Unterbrechungsperioden der
normalen Wartung, seiner Funktion überlassen, ohne dass es, bei
einer genauen Überprüfung, irgendeinen
spezifischen Schwund oder eine wesentliche Dünnung aufgrund von Korrosion
der Auskleidung gab. Analoge, unter den gleichen Bedingungen betriebene
und mit einer traditionellen Auskleidung ausgestattete Einrichtungen
zeigten nach dem gleichen Zeitraum signifikante Zerstörungszonen
und Dünnungen
der Auskleidung im unteren Kopf.
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Ein
weiterer Test, durchgeführt
ohne Injektion von passivierender Luft, zeigte auch sehr niedrige oder
gar keine Korrosion des gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgekleideten Abscheiders.