A quina combinació específica de concentració càustica i temperatura de la superfície de la funda experimenta una funda d'acer inoxidable 316 d'1,2 mil·límetres d'esquerda per corrosió per estrès càustic al servei d'escalfadors de digestors de la indústria de la pasta i del paper?

L'ús d'enginyers de processos responsables d'escalfadors elèctrics d'immersió en digestors de pasta i paper, la combinació d'hidròxid de sodi i sulfur de sodi a temperatures elevades produeix un entorn en el qual l'esquerda per corrosió per estrès càustic és la principal causa de fallada. L'esquerda càustica crea un trencament intergranular trencadís que pot impregnar una beina 316 d'1,2 mm en qüestió de setmanes amb poca advertència òbvia, a diferència del picat o la corrosió ordinària. El procés de pasta kraft utilitza licor blanc amb un 15-20% de NaOH i un 5-10% de Na₂S a temperatures de 150-170 graus. Aquests escalfadors generalment tenen un gruix de paret d'1,2 mm a causa de l'espai limitat als recipients del digestor. L'article identifica la combinació particular de concentració càustica i temperatura de la superfície de la funda a la qual una funda 316 d'1,2 mm desenvoluparà esquerdes per corrosió per tensió càustica en 1000 hores de servei continu.

Mecanisme d'esquerdes per corrosió per esforç càustic l'any 316
El trencament per corrosió per tensió càustica de l'acer inoxidable 316 requereix tres condicions: una concentració càustica per sobre d'un valor llindar, temperatura per sobre del llindar de fissuració i esforç de tracció. El mètode d'estampació utilitzat per compactar l'aïllament de MgO crea grans tensions de tracció residuals a la superfície interior de la funda-normalment 150-250 MPa per a una paret d'1,2 mm. Aquestes tensions residuals són la font de la tensió de tracció necessària per a l'esquerdament. La concentració càustica per a craquejar en 316 a 150 °C és d'aproximadament un 5% de NaOH. La temperatura llindar es redueix a 130 °C al 10% de NaOH. El craqueig al 15% de NaOH està per sobre dels 110 graus. Craqueig al 20% de NaOH a 100 °C. Les condicions del licor blanc (15-20% NaOH, 150-170 graus) estan molt per sobre del llindar de craqueig. Les esquerdes en una funda 316 d'1,2 mm normalment s'inicien a la superfície interior on les tensions residuals són més altes després d'una exposició de 100 a 500 h. Un cop establertes, les esquerdes es propaguen a velocitats de 0,1-1,0 mm per setmana, penetrant la paret d'1,2 mm en 1-3 mesos.

Beina 1.2 Llindars crítics de cracking per a 1.2
A partir de proves de laboratori de 316 mostres de beina estampades en simulant de licor blanc i anàlisis de fallades de camp dels digestors de fàbrica de pasta de pasta, les següents combinacions de concentració càustica i temperatura de la superfície de la coberta donen lloc a esquerdes per corrosió per estrès càustic en 1.000 hores.

Concentració d'hidròxid de sodi (% en pes) Concentració de sulfur de sodi (%) Temperatura crítica per a l'inici de l'esquerda Temps fins a l'inici de l'esquerda a 150 °C Temps per a la superfície de la funda-Fissura de la paret (1,2 mm) a 150 °C 5 – 8% 2 – 4% 120 °C, 800 °C 1.200 – 2.000 hores 8 – 10% 4 – 6% 130 °C 500 – 800 hores 800 – 1.500 hores 10 – 12% 5 – 7% 120 °C 300 – 500 hores 500 – 1.000 hores
12 – 15% 6 – 8% 115 graus 200 – 400 hores 400 – 800 hores 15 – 18% 7 – 9% 110 graus 150 – 300 hores 300 – 600 hores
18 – 20% 8 – 10% 100 graus 100 – 200 hores 200 – 400 hores
Més del 20% Més del 10% Menys de 100 graus 50 – 150 hores 100 – 300 hores
Per a un digestor kraft que treballa amb un 16% de NaOH a una temperatura a granel de 155 graus, la temperatura de la superfície de la funda és d'aproximadament 155-160 graus (suposant un petit augment de temperatura a causa de la baixa densitat de watts en els grans digestors). Això supera el llindar d'esquerdes de 110 °C i generaria esquerdes en 150-300 hores. Una funda d'1,2 mm probablement es perforaria després d'1-2 mesos d'operació contínua. L'experiència de camp mostra que les beines de servei de licor blanc generalment es trenquen en 3-6 mesos amb el trencament del mode de fallada predominant.

Sobre de funcionament segur per a funda d'1,2 mm en servei càustic
La taula següent enumera la concentració càustica màxima segura per a una funda 316 d'1,2 mm a diferents temperatures de la superfície de la funda per evitar l'esquerda per corrosió per esforç càustic durant una vida útil de 1.000 hores. Els valors assumeixen esforços de tracció residuals després de l'estampació, que no es poden reduir sense el recuit posterior a l'embotit.

Temperatura de la superfície de la coberta Concentració màxima segura de NaOH per evitar l'esquerda (sense sulfur) Concentració màxima segura de NaOH amb un 5% de Na2S Temps esperat per trencar-se a la màxima concentració segura Acció recomanada 80 °C 20% 15% 2.000 – 3.000 hores Marginal per a servei continu 15%, 10 °C 0% – 2.500 hores Vida útil limitada 100 °C 12% 10% 1.000 – 2.000 hores 316 no recomanat 110 °C 10% 8% 800 – 1.500 hores Utilitzeu una millora recoberta o d'aliatge 120 °C 8% 6% 6% 5000 hores Actualització necessària 6 °C 4% 300 – 800 hores Actualització d'aliatge obligatòria 140 °C 4% 2% 200 – 500 hores 316 inadequat
Per sobre de 150 °C No segur No segur Menys de 200 hores Utilitzeu aliatge de níquel
L'embolcall de funcionament segur per a una funda 316 d'1,2 mm no existeix per al servei de digestor de pasta i paper amb un 16% de NaOH a 155 °C. El craqueig arribarà d'aquí a setmanes o mesos segur. Els enginyers hauran de triar un aliatge més durador.

Canvis de disseny per evitar esquerdes càustiques
Quan s'ha d'utilitzar la funda 316 en servei càustic, tres ajustos de disseny poden allargar la vida útil, però cap fa que el 316 sigui fiable per a les condicions del digestor kraft. El pas inicial és recuit post-a 1050 graus per eliminar les tensions de tracció residuals. El recuit redueix la tensió residual de la superfície interna de 150 a 250 MPa a menys de 20 MPa, eliminant el component de tracció necessari per a l'esquerdament. El recuit d'una funda 316 d'1,2 mm en NaOH al 16% a 150 °C pot allargar la seva vida útil fins a 3-6 mesos, en lloc d'1-2 mesos. La segona alteració és fer granallada o tractar de manera compressiva la superfície exterior. La capa de compressió resisteix la propagació d'esquerdes però no alleuja les tensions de tracció a la superfície interior. El canvi final és operar a la temperatura superficial de la coberta més baixa possible reduint la densitat de watts i augmentant la circulació. Una disminució de 10 graus en la temperatura superficial duplica el temps per a l'inici de l'esquerda. Aquests canvis no són suficients per a la majoria de les aplicacions de pasta i paper. L'aliatge 625 o l'aliatge C-276 és el material típic per a les beines d'escalfador de licor blanc. Aquests aliatges a base de níquel resisteixen l'esquerdament per corrosió per tensió càustica a totes les concentracions i temperatures observades als digestors. Una funda d'aliatge 625 d'1,6 mm normalment aguantarà entre 5 i 10 anys en servei de begudes alcohòliques, en comparació amb 2-6 mesos per a la 316. El cost inicial més elevat es compensa amb l'estalvi en temps d'inactivitat i mà d'obra de substitució. Els enginyers que seleccionen escalfadors per al funcionament del digestor no haurien d'acceptar 316 per a cap aplicació on la concentració càustica sigui superior al 10% a temperatures superiors als 100 °C. El cost d'una fallada ràpida d'esquerdament en un digestor a pressió, inclosa la pèrdua de producte, el refredament del recipient i la substitució, és significativament més gran que el cost incremental d'un aliatge alt de níquel. Si un fabricant recomana el 316 per al servei de begudes alcohòliques i no parla d'esquerdes per corrosió per estrès càustic, no ofereix l'assessorament d'enginyeria adequat. Les esquerdes en una funda d'1,2 mm es desenvolupen ràpidament i sense cap evidència aparent fins que la funda es filtra. L'única solució segura és la prevenció mitjançant l'elecció correcta de l'aliatge.