Ved hvilken spesifikk kombinasjon av kaustisk konsentrasjon og kappeoverflatetemperatur opplever en 1,2 millimeter 316 rustfritt stålhylster kaustisk spenningskorrosjon i masse- og papirindustriens kokervarmer?
Legg igjen en beskjed
Bruken av prosessingeniører som er ansvarlige for elektriske varmeovner i masse- og papirkokere, kombinasjonen av natriumhydroksid og natriumsulfid ved høye temperaturer produserer et miljø der kaustisk spenningskorrosjon er den viktigste årsaken til feil. Kaustisk sprekkdannelse skaper sprø intergranulær sprekkdannelse som kan trenge gjennom en 1,2 mm 316 kappe i løpet av noen uker med liten åpenbar advarsel, i motsetning til gropdannelse eller vanlig korrosjon. Kraftmasseprosessen bruker hvitlut med 15–20 % NaOH og 5–10 % Na₂S ved temperaturer på 150–170 grader. Disse varmeovnene har generelt en veggtykkelse på 1,2 mm på grunn av begrenset plass i kokekar. Artikkelen identifiserer den spesielle kombinasjonen av kaustisk konsentrasjon og mantelens overflatetemperatur der en 1,2 mm 316 kappe vil utvikle kaustisk spenningskorrosjon i løpet av 1000 timers kontinuerlig drift.
Mekanisme for kaustisk spenningskorrosjon i 316
Kaustisk spenningskorrosjonssprekker av 316 rustfritt stål krever tre betingelser: en kaustisk konsentrasjon over en terskelverdi, temperatur over sprekketerskelen og strekkspenning. Swaging-metoden som brukes til å komprimere MgO-isolasjon skaper store gjenværende strekkbelastninger på den indre overflaten av kappen -typisk 150-250 MPa for en 1,2 mm vegg. Disse restspenningene er kilden til strekkspenningen som kreves for sprekkdannelse. Den kaustiske konsentrasjonen for cracking i 316 ved 150°C er ca. 5 % NaOH. Terskeltemperaturen reduseres til 130°C ved 10 % NaOH. Sprekking ved 15 % NaOH er over 110 grader. Sprekking ved 20% NaOH over 100°C. Forholdene i hvitlut (15–20 % NaOH, 150–170 grader ) ligger godt over sprekkingsterskelen. Sprekker i en 1,2 mm 316 kappe starter normalt på den indre overflaten hvor restspenningene er høyest etter 100–500 timers eksponering. Når de først er etablert, forplanter sprekker seg med hastigheter på 0,1–1,0 mm per uke, og trenger gjennom 1,2 mm veggen i løpet av 1–3 måneder.
Skjede 1.2 Kritiske cracking-terskler for 1.2
Basert på laboratorietesting av smykkede 316 kappeprøver i hvitlutssimulator og feltfeilanalyse fra råtnetanker i massefabrikken, resulterer følgende kombinasjoner av kaustisk konsentrasjon og manteloverflatetemperatur i sprekkdannelse av kaustisk spenningskorrosjon innen 1000 timer.
Natriumhydroksidkonsentrasjon (vekt %) Natriumsulfidkonsentrasjon (vekt %) Kritisk temperatur for sprekkstart Tid til sprekkinitiering ved 150°C Manteloverflatetid til gjennom-Veggsprekk (1,2 mm) ved 150°C 5 – 8 % 2 – 4 % 820 – 140 – 140 timer, 140 timer 2000 timer 8 – 10 % 4 – 6 % 130°C 500 – 800 timer 800 – 1500 timer 10 – 12 % 5 – 7 % 120°C 300 – 500 timer 500 – 1000 timer
12 – 15 % 6 – 8 % 115 grader 200 – 400 timer 400 – 800 timer 15 – 18 % 7 – 9 % 110 grader 150 – 300 timer 300 – 600 timer
18 – 20 % 8 – 10 % 100 grader 100 – 200 timer 200 – 400 timer
Mer enn 20 % Mer enn 10 % Mindre enn 100 grader 50 – 150 timer 100 – 300 timer
For en kraftkoker som arbeider med 16 % NaOH ved 155 graders bulktemperatur, er mantelens overflatetemperatur omtrent 155–160 grader (forutsatt en liten temperaturøkning på grunn av lav watttetthet i store kokere). Dette er over 110°C sprekketerskel og vil generere sprekker i løpet av 150–300 timer. En 1,2 mm kappe vil sannsynligvis perforere etter 1-2 måneders kontinuerlig drift. Felterfaring viser at hvitlutshylser generelt går i stykker i løpet av 3-6 måneder med sprekker i den dominerende modusen for svikt.
Sikker driftskonvolutt for 1,2 mm kappe i kaustisk service
Tabellen nedenfor viser maksimal sikker kaustisk konsentrasjon for en 1,2 mm 316 kappe ved forskjellige manteloverflatetemperaturer for å unngå sprekkdannelse av kaustisk spenning gjennom en levetid på 1000 timer. Verdier forutsetter gjenværende strekkspenninger etter strekking, som ikke kan reduseres uten etter-swaggløding.
Manteloverflatetemperatur Maksimal sikker NaOH-konsentrasjon for å forhindre sprekkdannelse (ingen sulfid) Maksimal sikker NaOH-konsentrasjon med 5 % Na2S Forventet tid til sprekkdannelse ved maksimal sikker konsentrasjon Anbefalt handling 80°C 20 % 15 % 2000 – 3000 timer Marginal for kontinuerlig drift 1 % – 5 % 0°C 1 % 0 % 2500 timer Begrenset levetid 100°C 12% 10% 1000 – 2000 timer 316 anbefales ikke 110°C 10% 8% 800 – 1500 timer Bruk glødet eller legeringsoppgradering 120°C 8% 6% 5000 – 30% oppgradering nødvendig 5000 – 14% 300 – 800 timer Legeringsoppgradering obligatorisk 140°C 4 % 2 % 200 – 500 timer 316 uegnet
Over 150°C Ikke trygt Ikke trygtUnder 200 timer Bruk nikkellegering
Den sikre driftskonvolutten for en 1,2 mm 316 kappe finnes ikke for tremasse- og papirkokerservice med 16 % NaOH ved 155°C. Sprekkingen kommer garantert om uker eller måneder. Ingeniører må velge en mer holdbar legering.
Designendringer for å forhindre etsende sprekker
Når 316 kappe skal brukes i kaustisk bruk, kan tre designjusteringer forlenge levetiden, men ingen gjør 316 pålitelig for kraftkokerforhold. Det første trinnet er å gløde post-swaging ved 1050 grader for å eliminere gjenværende strekkspenninger. Gløding reduserer restspenningen på den indre overflaten fra 150–250 MPa til under 20 MPa, og fjerner strekkkomponenten som kreves for sprekkdannelse. Gløding av en 1,2 mm 316 kappe i 16 % NaOH ved 150 °C kan forlenge levetiden til 3–6 måneder, i stedet for 1–2 måneder. Den andre endringen er å ha kulepenn eller på annen måte komprimerende behandle utsiden. Det komprimerende laget motstår sprekkforplantning, men lindrer ikke strekkspenningene på den indre overflaten. Den siste endringen er å operere ved lavest mulig manteloverflatetemperatur ved å redusere watt-tettheten og øke sirkulasjonen. En 10 graders reduksjon i overflatetemperatur dobler tiden før sprekkinitiering. Disse endringene er ikke nok for de fleste tremasse- og papirapplikasjoner. Alloy 625 eller Alloy C-276 er det typiske materialet for hvitlutsvarmekapper. Disse nikkelbaserte legeringene motstår korrosjon av kaustiske spenninger ved alle konsentrasjoner og temperaturer sett i kokere. En 1,6 mm Alloy 625-kappe vil normalt tåle 5-10 år i white spirit-service, sammenlignet med 2-6 måneder for 316. Den høyere startkostnaden kompenseres for av besparelser i nedetid og erstatningsarbeid. Ingeniører som velger varmeovner for kokerdrift bør ikke akseptere 316 for bruk der kaustisk konsentrasjon er over 10 % ved temperaturer over 100°C. Kostnaden for en rask sprekksvikt i en koker under trykk, inkludert produkttap, nedkjøling av beholderen og utskifting, er betydelig høyere enn den ekstra kostnaden for en legering med høy nikkel. Hvis en produsent anbefaler 316 for white spirit service og ikke snakker om sprekker ved kaustisk spenningskorrosjon, gir de ikke skikkelig ingeniørrådgivning. Sprekker i en 1,2 mm kappe utvikles raskt og uten noen synlige bevis før kappen lekker. Den eneste sikre løsningen er forebygging ved riktig valg av legering.
