Przy jakiej konkretnej kombinacji stężenia ługu i temperatury powierzchni osłony płaszcz ze stali nierdzewnej 316 o grubości 1,2 milimetra ulega pękaniu korozyjnemu naprężeniowemu w przemyśle celulozowo-papierniczym?

Zastosowanie inżynierów odpowiedzialnych za elektryczne grzejniki zanurzeniowe w komorach fermentacyjnych masy celulozowej i papieru, połączenie wodorotlenku sodu i siarczku sodu w podwyższonych temperaturach tworzy środowisko, w którym główną przyczyną awarii jest pękanie korozyjne naprężeniowe. Pękanie żrące powoduje kruche pękanie międzykrystaliczne, które może przeniknąć przez powłokę 316 o średnicy 1,2 mm w ciągu kilku tygodni bez wyraźnego ostrzeżenia, w przeciwieństwie do wżerów lub zwykłej korozji. W procesie roztwarzania siarczanowego stosuje się ług biały zawierający 15–20% NaOH i 5–10% Na₂S w temperaturze 150–170 stopni. Grzejniki te mają zazwyczaj grubość ścianki 1,2 mm ze względu na ograniczoną przestrzeń w zbiornikach fermentacyjnych. W artykule określono szczególną kombinację stężenia substancji żrącej i temperatury powierzchni osłony, przy której w osłonie ze stali 316 o grubości 1,2 mm nastąpi żrące pękanie korozyjne naprężeniowe w ciągu 1000 godzin ciągłej pracy.

Mechanizm pękania korozyjnego naprężeniowego w 316
Pękanie korozyjne naprężeniowe żrące stali nierdzewnej 316 wymaga trzech warunków: stężenia ługu powyżej wartości progowej, temperatury powyżej progu pękania i naprężenia rozciągającego. Metoda tłoczenia stosowana do zagęszczania izolacji MgO powoduje powstawanie dużych szczątkowych naprężeń rozciągających na wewnętrznej powierzchni osłony,-zazwyczaj 150–250 MPa dla ściany o grubości 1,2 mm. Te naprężenia szczątkowe są źródłem naprężeń rozciągających wymaganych do pękania. Stężenie żrącego do krakingu w 316 w temperaturze 150°C wynosi około 5% NaOH. Temperaturę progową obniża się do 130°C przy 10% NaOH. Kraking przy 15% NaOH przebiega w temperaturze powyżej 110 stopni. Kraking przy 20% NaOH w temperaturze powyżej 100°C. Warunki w ługu białym (15–20% NaOH, 150–170 stopni) są znacznie powyżej progu krakingu. Pęknięcia w osłonie ze stali 316 o grubości 1,2 mm zwykle rozpoczynają się na powierzchni wewnętrznej, gdzie naprężenia szczątkowe są najwyższe po 100–500 godzinach ekspozycji. Po utrwaleniu pęknięcia rozprzestrzeniają się z szybkością 0,1–1,0 mm na tydzień, penetrując ścianę o grubości 1,2 mm w ciągu 1–3 miesięcy.

Osłona 1.2 Krytyczne progi pęknięć dla 1.2
Na podstawie badań laboratoryjnych próbek osłony spęczanej 316 w płynie symulującym ług biały i analizy uszkodzeń w terenie z komór fermentacyjnych celulozowni, następujące kombinacje stężenia substancji żrącej i temperatury powierzchni osłony powodują pękanie korozyjne naprężeniowe w ciągu 1000 godzin.

Stężenie wodorotlenku sodu (wagowo) Stężenie siarczku sodu (wagowo) Temperatura krytyczna dla wystąpienia pęknięcia Czas do inicjacji pęknięcia w 150°C Czas do przejścia powierzchni osłony-Pęknięcie ściany (1,2 mm) w 150°C 5 – 8% 2 – 4% 140°C 800 – 1200 godzin 1200 – 2000 godzin 8 – 10% 4 – 6% 130°C 500 – 800 godzin 800 – 1500 godzin 10 – 12% 5 – 7% 120°C 300 – 500 godzin 500 – 1000 godzin
12 – 15% 6 – 8% 115 stopni 200 – 400 godzin 400 – 800 godzin 15 – 18% 7 – 9% 110 stopni 150 – 300 godzin 300 – 600 godzin
18 – 20% 8 – 10% 100 stopni 100 – 200 godzin 200 – 400 godzin
Ponad 20% Ponad 10% Mniej niż 100 stopni 50 – 150 godzin 100 – 300 godzin
W przypadku komory fermentacyjnej Krafta pracującej z 16% NaOH w temperaturze objętościowej 155 stopni, temperatura powierzchni płaszcza wynosi w przybliżeniu 155–160 stopni (zakładając niewielki wzrost temperatury ze względu na niską gęstość mocy w dużych komorach fermentacyjnych). Wartość ta przekracza próg pękania w temperaturze 110°C i powoduje powstawanie pęknięć w ciągu 150–300 godzin. Osłona o grubości 1,2 mm prawdopodobnie ulegnie perforacji po 1–2 miesiącach ciągłej pracy. Doświadczenie praktyczne pokazuje, że osłony do ługu białego zazwyczaj pękają w ciągu 3–6 miesięcy, a dominującym rodzajem awarii jest pękanie.

Bezpieczna koperta robocza dla osłony o grubości 1,2 mm w środowisku żrącym
Poniższa tabela przedstawia maksymalne bezpieczne stężenie substancji żrącej dla powłoki 316 o średnicy 1,2 mm przy różnych temperaturach powierzchni powłoki, aby uniknąć pęknięć korozyjnych naprężeniowych w ciągu 1000 godzin użytkowania. Wartości zakładają szczątkowe naprężenia rozciągające po zagęszczaniu, których nie można zmniejszyć bez wyżarzania końcowego.

Temperatura powierzchni osłony Maksymalne bezpieczne stężenie NaOH zapobiegające pękaniu (bez siarczków) Maksymalne bezpieczne stężenie NaOH przy 5% Na2S Oczekiwany czas do pęknięcia przy maksymalnym bezpiecznym stężeniu Zalecane działanie 80°C 20% 15% 2000 – 3000 godzin Marginalna dla pracy ciągłej 90°C 15% 12% 1500 – 2500 godzin Ograniczona żywotność 100°C 12% 10% 1000 – 2000 godzin 316 niezalecane 110°C 10% 8% 800 – 1500 godzin Użyj wyżarzonego lub ulepszonego stopu 120°C 8% 6% 500 – 1000 godzin Wymagane ulepszenie stopu 130°C 6% 4% 300 – 800 godzin Ulepszenie stopu obowiązkowo 140°C 4% 2% 200 – 500 godzin 316 nieodpowiednie
Powyżej 150°C Niebezpieczne Niebezpieczne Poniżej 200 godzinUżyj stopu niklu
Bezpieczna koperta robocza dla osłony 316 o średnicy 1,2 mm nie istnieje w przypadku pracy w komorze fermentacyjnej celulozy i papieru z 16% NaOH w temperaturze 155°C. Pęknięcie nastąpi z pewnością za tygodnie lub miesiące. Inżynierowie będą musieli wybrać trwalszy stop.

Zmiany konstrukcyjne mające na celu zapobieganie pękaniu żrącemu
Kiedy osłona 316 ma być używana w środowisku żrącym, trzy zmiany konstrukcyjne mogą przedłużyć żywotność, ale żadna nie gwarantuje niezawodności 316 w warunkach w komorze fermentacyjnej Krafta. Początkowym krokiem jest wyżarzanie-końcówki w temperaturze 1050 stopni w celu wyeliminowania resztkowych naprężeń rozciągających. Wyżarzanie zmniejsza naprężenia szczątkowe powierzchni wewnętrznej ze 150–250 MPa do poniżej 20 MPa, usuwając element rozciągający wymagany do pękania. Wyżarzanie osłony 316 o średnicy 1,2 mm w 16% NaOH w temperaturze 150°C może wydłużyć jej żywotność do 3–6 miesięcy, a nie 1–2 miesięcy. Drugą zmianą jest śrutowanie lub inna obróbka ściskająca powierzchni zewnętrznej. Warstwa ściskająca zapobiega rozprzestrzenianiu się pęknięć, ale nie łagodzi naprężeń rozciągających na powierzchni wewnętrznej. Ostatnią zmianą jest działanie przy najniższej możliwej temperaturze powierzchni powłoki poprzez zmniejszenie gęstości watów i zwiększenie cyrkulacji. Spadek temperatury powierzchni o 10 stopni podwaja czas do inicjacji pęknięć. Zmiany te nie są wystarczające w przypadku większości zastosowań celulozowo-papierniczych. Stop 625 lub stop C-276 to typowy materiał na osłony podgrzewacza ługu białego. Te stopy na bazie niklu są odporne na pękanie korozyjne naprężeniowe przy wszystkich stężeniach i temperaturach występujących w komorach fermentacyjnych. Osłona ze stopu 625 o grubości 1,6 mm wytrzymuje zwykle 5–10 lat w przypadku benzyny lakowej w porównaniu do 2–6 miesięcy w przypadku powłoki 316. Wyższy koszt początkowy jest rekompensowany oszczędnościami w zakresie przestojów i robocizny zastępczej. Inżynierowie wybierający grzejniki do pracy w komorze fermentacyjnej nie powinni akceptować 316 do jakichkolwiek zastosowań, w których stężenie ługu przekracza 10% w temperaturach przekraczających 100°C. Koszt awarii spowodowanej szybkim pękaniem w komorze fermentacyjnej ciśnieniowej, obejmujący utratę produktu, ochłodzenie zbiornika i wymianę, jest znacznie większy niż koszt przyrostowy stopu o wysokiej zawartości niklu. Jeśli producent zaleca 316 do benzyny lakowej i nie mówi o pękaniu korozyjnym pod wpływem naprężeń żrących, to nie zapewnia odpowiednich porad technicznych. Pęknięcia w osłonie o grubości 1,2 mm rozwijają się szybko i bez widocznych śladów, aż do momentu, gdy osłona zacznie przeciekać. Jedynym pewnym rozwiązaniem jest zapobieganie poprzez właściwy dobór stopu.