Fallstudie: Auswahl der Titansorte für ein chemisches Reaktorsystem

Einführung

Stanford Advanced Materials (SAM), ein weltweiter Anbieter von hochentwickelten Metallen und technischen Werkstoffen, arbeitete kürzlich mit einem Hersteller von Chemieanlagen in Houston, Texas, USA, zusammen. Das Unternehmen baute ein neues Reaktorsystem für die Essigsäureverarbeitung und wollte eine langfristige Haltbarkeit sicherstellen, ohne dabei die Budgetvorgaben zu überschreiten.

Die Herausforderung

Das Ziel war von Anfang an klar: einen Reaktor zu bauen, der für den Dauerbetrieb mit Essigsäure geeignet ist und gleichzeitig die technischen und sicherheitstechnischen Anforderungen erfüllt. Doch während der Überprüfung traten einige wichtige Probleme auf.

Erstens sah der ursprüngliche Plan die Verwendung von Titan Grade 5 für die Konstruktion von Schlüsselkomponenten vor. Grade 5 ist eine starke und beliebte Titanlegierung, da sie Aluminium und Vanadium enthält. Allerdings ist Grade 5 auch wesentlich teurer als andere handelsübliche Reintitanlegierungen. In vielen chemischen Verarbeitungsanwendungen wird Grade 5 oft als sichere Standardoption gewählt, wenn Korrosionsbeständigkeit ein Faktor ist - was jedoch nicht unbedingt bedeutet, dass Grade 5 in einer bestimmten Situation die beste Option ist.

Zweitens verschlangen die Materialkosten einen großen Teil der gesamten Projektausgaben. Die Sorte 5 ist teurer, da die Produktionskosten aufgrund der vorhandenen Legierungselemente, der strengeren mechanischen Eigenschaften und des höheren Verarbeitungsaufwands höher sind. Der Kunde wollte die Kosten senken, ohne Abstriche bei der Korrosionsbeständigkeit oder der Konformität zu machen.

Schließlich untersuchten wir die spezifischen Betriebsbedingungen des Reaktors. Der Reaktor sollte Essigsäure bei Temperaturen von nicht mehr als 120 °C, bei mäßigem Druck und im industriellen Dauerbetrieb verarbeiten. Dies warf eine kritische Frage auf: War Grade 5 für diese spezielle Anwendung erforderlich?

Die technische Prüfung

Das Ingenieurteam von SAM führte eine vollständige Bewertung der Materialeignung durch. Wir untersuchten das Korrosionsverhalten in Essigsäure, die Temperaturgrenzen, die Anforderungen an die mechanische Festigkeit und die Verarbeitungsaspekte, wie z. B. die Schweißbarkeit.

Korrosionsbeständigkeit

Kommerziell reines Titan Grade 2 ist bekannt für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in organischen Säuren, wie z. B. Essigsäure. In Umgebungen mit Temperaturen unter 120°C ist es vergleichbar mit Grade 5.

Die Erklärung dafür ist die passive Oxidschicht aus Titandioxid (TiO₂), die sich auf der Titanoberfläche natürlich bildet. Diese dünne Schicht ist sehr widerstandsfähig gegen chemische Angriffe. Unter den gegebenen Temperatur- und Prozessbedingungen bleibt diese Schicht erhalten und funktioniert sehr effektiv.

Nach Analyse der Daten über die Korrosionsbeständigkeit und der tatsächlichen Erfahrungen haben wir festgestellt, dass Grade 2 in diesem Fall das gleiche Maß an Korrosionsbeständigkeit bietet wie Grade 5.

Mechanische Festigkeit

Es stimmt jedoch, dass Grade 5 eine viel höhere Zugfestigkeit aufweist als Grade 2. Die Festigkeit muss jedoch mit den Konstruktionsanforderungen übereinstimmen und darf diese nicht unnötig übersteigen.

Im vorliegenden Fall waren die Druckwerte nicht extrem, die Wanddicke war bereits mit einer großzügigen Sicherheitsmarge ausgelegt, und die Temperatur lag in keinem kritischen Bereich. Die höhere Festigkeit der Güteklasse 5 führte einfach nicht zu einem spürbaren Vorteil.

Die Lösung und die Ergebnisse

Auf der Grundlage unserer Analyse empfahl SAM den Wechsel von Titan Grade 5 zu Titan Grade 2 für die primären Reaktorkomponenten.

Das Ergebnis? Gleiche Korrosionsleistung bei etwa 35 % niedrigeren Rohstoffkosten. Die Entscheidung war sowohl technisch fundiert als auch finanziell strategisch sinnvoll.

Die Auswirkungen waren in mehreren Bereichen erheblich:

Optimierung der Materialkosten
Durch den Ersatz von Grade 5 durch Grade 2 konnte der Kunde die gesamten Materialkosten für das Reaktorsystem um mehr als 25 % senken.

Beibehaltung der Korrosionsbeständigkeit
Die Korrosionsbeständigkeit blieb völlig intakt. Die stabile passive Oxidschicht der Sorte 2 bot zuverlässigen Schutz bei Essigsäureanwendungen unter 120 °C.

Einhaltung der Vorschriften und Gewährleistung der Sicherheit
Der Materialwechsel wurde im Rahmen einer formellen technischen Überprüfung mit aktualisierten Konstruktionsunterlagen, validierten Schweißverfahren und einer vollständigen Materialzertifizierung durchgeführt. Es gab keine Kompromisse bei der Sicherheit oder der Einhaltung von Vorschriften.

Stärkere Projektwirtschaftlichkeit
Niedrigere Materialkosten verbesserten die allgemeine Durchführbarkeit des Projekts und stärkten die Wettbewerbsfähigkeit des Kunden bei Ausschreibungen und Vertragsverhandlungen.

Was Sie mit den Titanprodukten von SAM erhalten

Wir bei Stanford Advanced Materials sehen uns nicht nur als Lieferant von Titanwerkstoffen, sondern auch als langfristiger technischer Partner.

Wir bieten eine umfassende Auswahl an Titanwerkstoffen, darunter Fittings, Flansche, Befestigungselemente, Draht, Stäbe, Bleche, Platten, Folien, Streifen, Rohre, Gewebe, Pulver und Schaumstoffe. Unsere Materialien haben einen Reinheitsgrad von 99 % und erfüllen Spezifikationen wie ASTM B265 und ASTM F67.

Titan Grade 1 (UNS R50250) und Grade 2 (UNS R50400) bieten zuverlässige mechanische Eigenschaften mit einer Zugfestigkeit von 240-345 MPa, einer Streckgrenze von 138-275 MPa und einer Dehnung von 20-24 %. Vor allem aber bieten sie aufgrund der stabilen passiven Oxidschicht des Titans eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit.

Neben der Lieferung von Werkstoffen bieten wir auch eine Analyse der Prozessbedingungen, eine Kompatibilitätsanalyse für die Herstellung sowie vollständige Zertifizierungs- und Konformitätsunterlagen.

Fazit

Durch eine sorgfältige Bewertung der tatsächlichen Betriebsumgebung - Essigsäure unter 120 °C - konnte SAM nachweisen, dass Titan Grade 2 Grade 5 sicher ersetzen kann. Das Ergebnis war eine Senkung der Materialkosten um mehr als 25 %, eine gleichbleibende Korrosionsbeständigkeit, validierte Herstellungsverfahren und eine vollständige Einhaltung der Vorschriften. Weitere Informationen finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).