La ce combinație specifică de concentrație caustică și temperatura suprafeței învelișului o învelișă din oțel inoxidabil 316 de 1,2 milimetri experimentează fisurarea coroziunii cauzate de efort caustic în industria celulozei și hârtiei cu digestor de încălzire?

Folosirea inginerilor de proces responsabili pentru încălzitoarele electrice cu imersie în digestoarele de celuloză și hârtie, combinația de hidroxid de sodiu și sulfură de sodiu la temperaturi ridicate produce un mediu în care fisurarea prin coroziune prin efort caustic este cauza majoră a defecțiunii. Fisurarea caustică creează fisurare intergranulară fragilă, care poate pătrunde într-o înveliș de 1,2 mm 316 în câteva săptămâni, cu puține avertismente evidente, spre deosebire de pipături sau coroziune obișnuită. Procesul de prelucrare a pastei kraft folosește lichior alb cu 15–20% NaOH și 5–10% Na₂S la temperaturi de 150–170 de grade. Aceste încălzitoare au în general o grosime a peretelui de 1,2 mm din cauza spațiului limitat din vasele digestorului. Articolul identifică combinația particulară de concentrație caustică și temperatura suprafeței învelișului la care o înveliș 316 de 1,2 mm va dezvolta fisurare prin coroziune caustică în 1000 de ore de funcționare continuă.

Mecanismul de fisurare prin coroziune prin efort caustic în 316
Fisurarea prin coroziune prin efort caustic a oțelului inoxidabil 316 necesită trei condiții: o concentrație caustică peste o valoare de prag, temperatură peste pragul de fisurare și efort de tracțiune. Metoda de strângere utilizată pentru compactarea izolației cu MgO creează tensiuni mari de tracțiune reziduale pe suprafața interioară a mantalei-de obicei 150-250 MPa pentru un perete de 1,2 mm. Aceste tensiuni reziduale sunt sursa tensiunii de tracțiune necesare pentru fisurare. Concentrația caustică pentru cracare în 316 la 150°C este de aproximativ 5% NaOH. Temperatura de prag este scăzută la 130°C la 10% NaOH. Cracarea la 15% NaOH este peste 110 grade. Cracare la 20% NaOH peste 100°C. Condițiile în lichidul alb (15–20% NaOH, 150–170 grade) sunt mult peste pragul de cracare. Fisurile într-o teacă de 1,2 mm 316 inițiază în mod normal la suprafața interioară, unde tensiunile reziduale sunt cele mai mari după 100-500 de ore de expunere. Odată stabilite, fisurile se propagă cu o viteză de 0,1–1,0 mm pe săptămână, penetrând peretele de 1,2 mm în decurs de 1–3 luni.

Teaca 1.2 Praguri critice de fisurare pentru 1.2
Pe baza testării de laborator a probelor de 316 teaca prelevate în simulant de lichid alb și a analizei de defecțiuni în câmp de la digestoarele fabricii de celuloză, următoarele combinații de concentrație caustică și temperatură a suprafeței învelișului au ca rezultat fisurarea prin coroziune prin efort caustic în decurs de 1.000 de ore.

Concentrația hidroxidului de sodiu (% în greutate) Concentrația sulfurei de sodiu (%) Temperatura critică pentru fisurare Timpul de debut până la inițierea fisurii la 150°C Timpul suprafeței învelișului până la traversarea-crapatura peretelui (1,2 mm) la 150°C 5 – 8% 2 – °C 4%, 800 °C 1.200 – 2.000 ore 8 – 10% 4 – 6% 130°C 500 – 800 ore 800 – 1.500 ore 10 – 12% 5 – 7% 120°C 300 – 500 ore 500 – 1.000 ore
12 – 15% 6 – 8% 115 grade 200 – 400 ore 400 – 800 ore 15 – 18% 7 – 9% 110 grade 150 – 300 ore 300 – 600 ore
18 – 20% 8 – 10% 100 grade 100 – 200 ore 200 – 400 ore
Mai mult de 20% Mai mult de 10% Mai puțin de 100 de grade 50 – 150 de ore 100 – 300 de ore
Pentru un digestor kraft care funcționează cu 16% NaOH la o temperatură în vrac de 155 de grade, temperatura suprafeței învelișului este de aproximativ 155-160 de grade (presupunând o creștere mică a temperaturii din cauza densității scăzute de wați în digestoarele mari). Aceasta este peste pragul de fisurare de 110°C și ar genera fisuri în 150-300 de ore. O teacă de 1,2 mm s-ar perfora probabil după 1-2 luni de funcționare continuă. Experiența de teren arată că învelișurile de serviciu cu lichid alb se sparg în general în 3-6 luni, cu crăparea modul predominant de defecțiune.

Plic de funcționare sigur pentru manta de 1,2 mm în service caustic
Tabelul de mai jos enumeră concentrația maximă sigură de caustică pentru o manta 316 de 1,2 mm la diferite temperaturi ale suprafeței mantalei, pentru a evita fisurarea prin coroziune prin efort caustic pe o durată de viață de 1.000 de ore. Valorile presupun tensiuni de întindere reziduale după presărare, care nu pot fi reduse fără recoacerea post-recoace.

Temperatura suprafeței învelișului Concentrație maximă sigură de NaOH pentru a preveni fisurarea (fără sulfuri) Concentrație maximă sigură de NaOH cu 5% Na2S Timpul estimat până la crăpare la concentrația maximă sigură Acțiune recomandată 80°C 20% 15% 2.000 – 3.000 ore Marginal pentru serviciu continuu 15%, 15% 15% – 2.500 de ore Durată de viață limitată 100°C 12% 10% 1.000 – 2.000 ore 316 nerecomandat 110°C 10% 8% 800 – 1.500 ore Utilizați recoacere sau îmbunătățire din aliaj 120°C 8% 6% 5000% necesară upgrade 6°C 4% 300 – 800 ore Îmbunătățirea aliajului obligatorie 140°C 4% 2% 200 – 500 ore 316 nepotrivit
Peste 150°C Nesigur Nesigur Sub 200 de ore Utilizați aliaj de nichel
Învelișul de funcționare sigur pentru o manta 316 de 1,2 mm nu există pentru serviciul de digestor de celuloză și hârtie cu 16% NaOH la 155°C. Crăpătura va veni cu siguranță în săptămâni sau luni. Inginerii vor trebui să aleagă un aliaj mai durabil.

Modificări de proiectare pentru a preveni fisurarea caustică
Când învelișul 316 urmează să fie utilizat în serviciul caustic, trei ajustări de proiectare pot prelungi durata de viață, dar niciuna nu face ca 316 să fie fiabil pentru condițiile de digestor kraft. Pasul inițial este recoacerea stâlpului-la 1050 de grade pentru a elimina tensiunile de tracțiune reziduale. Recoacerea reduce stresul rezidual al suprafeței interioare de la 150–250 MPa la sub 20 MPa, eliminând componenta de tracțiune necesară pentru fisurare. Recoacerea unei învelișuri 316 de 1,2 mm în NaOH 16% la 150°C poate prelungi durata de viață a acesteia la 3-6 luni, mai degrabă decât 1-2 luni. A doua modificare este de a trata suprafața exterioară în mod compresiv. Stratul de compresiune rezistă la propagarea fisurilor, dar nu atenuează tensiunile de tracțiune pe suprafața interioară. Modificarea finală este să funcționeze la cea mai scăzută temperatură posibilă a suprafeței învelișului prin reducerea densității de wați și creșterea circulației. O scădere cu 10 grade a temperaturii suprafeței dublează timpul de inițiere a fisurii. Aceste modificări nu sunt suficiente pentru majoritatea aplicațiilor pentru celuloză și hârtie. Aliajul 625 sau aliajul C-276 este materialul tipic pentru învelișurile de încălzire cu lichid alb. Aceste aliaje pe bază de nichel rezistă la fisurarea prin coroziune caustică la toate concentrațiile și temperaturile observate în digestoare. O înveliș de 1,6 mm din aliaj 625 va rezista în mod normal 5-10 ani în serviciul de băuturi spirtoase, comparativ cu 2-6 luni pentru 316. Costul inițial mai mare este compensat de economiile de timp de nefuncționare și de forță de muncă de înlocuire. Inginerii care selectează încălzitoare pentru funcționarea digestorului nu ar trebui să accepte 316 pentru nicio aplicație în care concentrația caustică este peste 10% la temperaturi care depășesc 100°C. Costul unei defecțiuni rapide de fisurare într-un digestor presurizat, inclusiv pierderea produsului, răcirea vasului și înlocuirea, este semnificativ mai mare decât costul incremental al unui aliaj de nichel bogat. Dacă un producător recomandă 316 pentru serviciul de băuturi spirtoase și nu vorbește despre fisurarea coroziunii prin stres caustic, nu oferă consiliere inginerească adecvată. Fisurile într-o teacă de 1,2 mm se dezvoltă rapid și fără nicio dovadă aparentă până când teaca se scurge. Singura soluție sigură este prevenirea prin alegerea corectă a aliajului.