Pri kateri specifični kombinaciji kavstične koncentracije in površinske temperature plašča pride do 1,2-milimetrskega plašča iz nerjavečega jekla 316 do razpok zaradi jedke napetostne korozije pri servisiranju grelnika digestorja v celulozni in papirni industriji?

Uporaba procesnih inženirjev, odgovornih za električne potopne grelnike v digestorjih celuloze in papirja, kombinacija natrijevega hidroksida in natrijevega sulfida pri povišanih temperaturah ustvarja okolje, v katerem je kavstična napetostna korozijska razpoka glavni vzrok okvare. Kavstično pokanje povzroči krhke medkristalne razpoke, ki lahko prežemajo 1,2 mm 316 ovoj v nekaj tednih z malo očitnega opozorila, za razliko od luknjičaste ali navadne korozije. Postopek kraft celuloze uporablja belo lužnico s 15–20 % NaOH in 5–10 % Na₂S pri temperaturah 150–170 stopinj. Ti grelniki imajo običajno debelino stene 1,2 mm zaradi omejenega prostora v posodah digestorja. Članek identificira posebno kombinacijo kavstične koncentracije in temperature površine plašča, pri kateri bo 1,2-mm plašč iz 316 razvil razpoke zaradi jedke napetostne korozije v 1000 urah neprekinjenega delovanja.

Mehanizem kavstičnega napetostnega korozijskega razpokanja v 316
Kavstično napetostno korozijsko razpokanje nerjavečega jekla 316 zahteva tri pogoje: koncentracijo jedke snovi nad mejno vrednostjo, temperaturo nad pragom razpok in natezno napetost. Metoda stiskanja, ki se uporablja za stiskanje izolacije MgO, ustvarja velike preostale natezne obremenitve na notranji površini plašča-običajno 150–250 MPa za steno debeline 1,2 mm. Te zaostale napetosti so vir natezne napetosti, potrebne za pokanje. Kavstična koncentracija za krekiranje v 316 pri 150 °C je približno 5 % NaOH. Temperatura praga se zniža na 130 °C pri 10 % NaOH. Krekiranje pri 15% NaOH je nad 110 stopinj. Krekiranje pri 20 % NaOH nad 100 °C. Pogoji v beli lužnici (15–20 % NaOH, 150–170 stopinj) so precej nad pragom krekinga. Razpoke v 1,2 mm ovoju iz 316 se običajno začnejo na notranji površini, kjer so preostale napetosti najvišje po 100–500 h izpostavljenosti. Ko nastanejo, se razpoke širijo s hitrostjo 0,1–1,0 mm na teden in prodrejo skozi 1,2 mm steno v 1–3 mesecih.

Plašč 1.2 Kritični pragovi razpok za 1.2
Na podlagi laboratorijskega testiranja zmečkanih vzorcev plašča 316 v simulantu bele lužnice in analize napak na terenu iz digestorjev v mlinu, naslednje kombinacije koncentracije jedke in površinske temperature plašča povzročijo razpoke zaradi jedke napetosti v 1000 urah.

Koncentracija natrijevega hidroksida (utežni %) Koncentracija natrijevega sulfida (masni %) Kritična temperatura za začetek razpok Čas do začetka razpok pri 150 °C Čas do razpoke skozi-steno (1,2 mm) pri 150 °C 5 – 8 % 2 – 4 % 140 °C 800 – 1200 ur 1.200 – 2.000 ur 8 – 10 % 4 – 6 % 130 °C 500 – 800 ur 800 – 1.500 ur 10 – 12 % 5 – 7 % 120 °C 300 – 500 ur 500 – 1.000 ur
12 – 15 % 6 – 8 % 115 stopinj 200 – 400 ur 400 – 800 ur 15 – 18 % 7 – 9 % 110 stopinj 150 – 300 ur 300 – 600 ur
18 – 20 % 8 – 10 % 100 stopinj 100 – 200 ur 200 – 400 ur
Več kot 20 % Več kot 10 % Manj kot 100 stopinj 50 – 150 ur 100 – 300 ur
Za kraft digestor, ki dela s 16 % NaOH pri 155 stopinjah skupne temperature, je temperatura površine ovoja približno 155–160 stopinj (ob predpostavki majhnega dviga temperature zaradi nizke gostote v vatih v velikih digestorjih). To je nad pragom razpok pri 110 °C in bi povzročilo razpoke v 150–300 urah. 1,2-milimetrski ovoj bi se verjetno perforiral po 1-2 mesecih neprekinjenega delovanja. Izkušnje s terena kažejo, da se ovoji za belo lužnico običajno zlomijo v 3-6 mesecih, pri čemer je glavni način okvare pokanje.

Varna delovna ovojnica za 1,2 mm ovoj v kavstični uporabi
Spodnja tabela navaja najvišjo varno jedko koncentracijo za 1,2 mm ovoj 316 pri različnih temperaturah površine plašča, da se prepreči razpokanje zaradi jedke napetostne korozije v 1000-urni življenjski dobi. Vrednosti predvidevajo preostale natezne napetosti po stiskanju, ki jih ni mogoče zmanjšati brez post-žarjenja stiskanja.

Temperatura površine plašča Največja varna koncentracija NaOH za preprečevanje razpok (brez sulfida) Največja varna koncentracija NaOH s 5 % Na2S Pričakovan čas do razpok pri največji varni koncentraciji Priporočeno ukrepanje 80 °C 20 % 15 % 2.000 – 3.000 ur Mejna vrednost za neprekinjeno delovanje 90 °C 15 % 12 % 1.500 – 2.500 ur Omejena življenjska doba 100 °C 12 % 10 % 1.000 – 2.000 ur 316 ni priporočljivo 110 °C 10 % 8 % 800 – 1.500 ur Uporabite žarjeno ali zlitinsko nadgradnjo 120 °C 8 % 6 % 500 – 1.000 ur Potrebna je nadgradnja zlitine 130 °C 6 % 4 % 300 – 800 ur Obvezna nadgradnja zlitine 140 °C 4 % 2 % 200 – 500 ur 316 neprimerno
Nad 150 °C Ni varno Ni varno Pod 200 ur Uporabite nikljevo zlitino
Varna delovna ovojnica za 1,2 mm ovoj 316 ne obstaja za uporabo v digestorju celuloze in papirja s 16 % NaOH pri 155 °C. Pokanje bo zagotovo prišlo v tednih ali mesecih. Inženirji bodo morali izbrati bolj trpežno zlitino.

Spremembe konstrukcije za preprečevanje jedkih razpok
Ko naj bi se ovoj 316 uporabljal v kavstični uporabi, lahko tri prilagoditve zasnove podaljšajo življenjsko dobo, vendar nobena ne naredi 316 zanesljivega v pogojih digestorja kraft. Začetni korak je žarjenje post{3}}obžinka pri 1050 stopinjah, da se odpravijo preostale natezne napetosti. Žarjenje zmanjša preostalo napetost notranje površine s 150–250 MPa na manj kot 20 MPa, s čimer se odstrani natezna komponenta, ki je potrebna za razpoke. Žarjenje 1,2 mm ovoja iz 316 v 16 % NaOH pri 150 °C lahko podaljša njegovo življenjsko dobo na 3–6 mesecev namesto na 1–2 meseca. Druga sprememba je shot peen ali druga kompresijska obdelava zunanje površine. Tlačna plast se upira širjenju razpok, vendar ne ublaži nateznih napetosti na notranji površini. Končna sprememba je delovanje pri najnižji možni površinski temperaturi plašča z zmanjšanjem gostote vatov in povečanjem cirkulacije. Znižanje površinske temperature za 10 stopinj podvoji čas do nastanka razpok. Te spremembe niso dovolj za večino aplikacij za celulozo in papir. Zlitina 625 ali zlitina C-276 je tipičen material za ovoje grelnikov bele lužnice. Te zlitine na osnovi niklja so odporne na jedko napetostno korozijsko pokanje pri vseh koncentracijah in temperaturah, ki jih opazimo v digestorjih. 1,6-milimetrski ovoj iz zlitine 625 bo običajno zdržal 5–10 let v uporabi žganih pijač v primerjavi z 2–6 meseci za 316. Višje začetne stroške kompenzirajo prihranki pri izpadih in nadomestnem delu. Inženirji, ki izbirajo grelnike za delovanje digestorja, ne bi smeli sprejeti 316 za nobeno aplikacijo, kjer je koncentracija kavstika nad 10 % pri temperaturah nad 100 °C. Stroški hitre okvare krekinga v digestorju pod tlakom, vključno z izgubo produkta, ohlajanjem posode in zamenjavo, so znatno višji od inkrementalnih stroškov zlitine z visoko vsebnostjo niklja. Če proizvajalec priporoča 316 za belo žganje in ne govori o razpokanju zaradi jedke napetostne korozije, ne zagotavlja ustreznega inženirskega svetovanja. Razpoke v 1,2 mm ovoju nastanejo hitro in brez očitnih znakov, dokler plašč ne pušča. Edina zanesljiva rešitev je preventiva s pravilno izbiro zlitine.