При каком конкретном сочетании концентрации каустика и температуры поверхности оболочки оболочка из нержавеющей стали 316 толщиной 1,2 миллиметра подвергается коррозионному растрескиванию под напряжением при эксплуатации нагревателя варочного котла в целлюлозно-бумажной промышленности?

Использование инженерами-технологами, ответственными за электрические погружные нагреватели в варочных котлах для целлюлозы и бумаги, сочетание гидроксида натрия и сульфида натрия при повышенных температурах создает среду, в которой коррозионное растрескивание под напряжением является основной причиной отказов. Каустическое растрескивание приводит к хрупкому межкристаллитному растрескиванию, которое может проникнуть в оболочку из 316 толщиной 1,2 мм за несколько недель без видимого предупреждения, в отличие от точечной коррозии или обычной коррозии. В процессе крафт-варки целлюлозы используется белый щелок с содержанием 15–20 % NaOH и 5–10 % Na₂S при температуре 150–170 градусов. Эти нагреватели обычно имеют толщину стенок 1,2 мм из-за ограниченного пространства в резервуарах варочного котла. В статье определяется конкретное сочетание концентрации щелочи и температуры поверхности оболочки, при которой в оболочке из стали 316 толщиной 1,2 мм образуется коррозионное растрескивание под напряжением в течение 1000 часов непрерывной эксплуатации.

Механизм каустического коррозионного растрескивания под напряжением в 316
Коррозионное растрескивание под напряжением нержавеющей стали 316 требует трех условий: концентрация каустика выше порогового значения, температура выше порога растрескивания и растягивающее напряжение. Метод обжатия, используемый для уплотнения изоляции MgO, создает большие остаточные напряжения растяжения на внутренней поверхности оболочки-обычно 150–250 МПа для стенки толщиной 1,2 мм. Эти остаточные напряжения являются источником растягивающих напряжений, необходимых для образования трещин. Концентрация каустика для крекинга 316 при 150°C составляет около 5% NaOH. Пороговая температура снижается до 130°С при 10% NaOH. Крекинг при 15% NaOH превышает 110 градусов. Крекинг при 20% NaOH при температуре выше 100°C. Условия в белом щелоке (15–20% NaOH, 150–170 градусов) значительно превышают порог растрескивания. Трещины в оболочке из 316 толщиной 1,2 мм обычно возникают на внутренней поверхности, где остаточные напряжения максимальны после 100–500 часов выдержки. После появления трещины распространяются со скоростью 0,1–1,0 мм в неделю, проникая в стенку толщиной 1,2 мм в течение 1–3 месяцев.

Оболочка 1.2 Критические пороги растрескивания для 1.2
На основе лабораторных испытаний обжатых образцов оболочки 316 в имитаторе белого щелока и анализа отказов в варочных котлах целлюлозного завода следующие комбинации концентрации каустика и температуры поверхности оболочки приводят к коррозионному растрескиванию под напряжением в течение 1000 часов.

Концентрация гидроксида натрия (весовые %) Концентрация сульфида натрия (весовые %) Критическая температура начала растрескивания Время возникновения трещины при 150°C Время до появления сквозной -стеночной трещины (1,2 мм) при 150°C 5 – 8 % 2 – 4 % 140°C 800 – 1200 часов 1200 – 2000 часов 8–10% 4–6% 130°C 500–800 часов 800–1500 часов 10–12% 5–7% 120°C 300–500 часов 500–1000 часов
12–15% 6–8% 115 градусов 200–400 часов 400–800 часов 15–18% 7–9% 110 градусов 150–300 часов 300–600 часов
18 – 20% 8 – 10% 100 градусов 100 – 200 часов 200 – 400 часов
Более 20% Более 10% Менее 100 градусов 50–150 часов 100–300 часов
Для крафт-варочного котла, работающего с 16% NaOH при объемной температуре 155 градусов, температура поверхности оболочки составляет примерно 155–160 градусов (при условии небольшого повышения температуры из-за низкой удельной мощности в больших варочных котлах). Это превышает порог растрескивания 110 ° C и приведет к образованию трещин через 150–300 часов. Оболочка толщиной 1,2 мм, скорее всего, перфорируется через 1–2 месяца непрерывной эксплуатации. Практический опыт показывает, что сервисные оболочки для белого щелока обычно ломаются через 3-6 месяцев, причем преобладающим типом отказа является растрескивание.

Безопасный рабочий диапазон для оболочки толщиной 1,2 мм при работе с щелочами
В таблице ниже указана максимально безопасная концентрация каустика для оболочки из стали 316 толщиной 1,2 мм при различных температурах поверхности оболочки, позволяющая избежать коррозионного растрескивания под напряжением в течение 1000 часов срока службы. Значения предполагают остаточные растягивающие напряжения после обжатия, которые невозможно уменьшить без отжига после-обжатия.

Температура поверхности оболочки Максимальная безопасная концентрация NaOH для предотвращения растрескивания (без сульфида) Максимальная безопасная концентрация NaOH с 5 % Na2S Ожидаемое время до растрескивания при максимальной безопасной концентрации Рекомендуемое действие 80°C 20% 15% 2000–3000 часов Предел для непрерывной эксплуатации 90°C 15% 12% 1500–2500 часов Ограниченное обслуживание Срок службы 100°C 12% 10% 1000–2000 часов 316 не рекомендуется 110°C 10% 8% 800–1500 часов Использовать отжиг или модернизацию сплава 120°C 8% 6% 500–1000 часов Требуется обновление сплава 130°C 6% 4% 300–800 часов Обновление сплава обязательно 140°C 4% 2% 200 – 500 часов 316 не подходит
Выше 150°C Небезопасно Небезопасно Менее 200 часов Используйте никелевый сплав
Безопасный рабочий диапазон для оболочки из 316 толщиной 1,2 мм не существует для варочного котла целлюлозно-бумажной промышленности с 16% NaOH при 155°C. Трещина наверняка наступит через недели или месяцы. Инженерам придется выбрать более прочный сплав.

Изменения конструкции для предотвращения щелочного растрескивания
Если оболочка из 316 используется в щелочной среде, три конструктивные изменения могут продлить срок службы, но ни одна из них не делает кожух 316 надежным в условиях крафт-варочного котла. Первым шагом является отжиг после-обжимки при температуре 1050 градусов для устранения остаточных растягивающих напряжений. Отжиг снижает остаточное напряжение внутренней поверхности со 150–250 МПа до менее 20 МПа, удаляя растягивающую составляющую, необходимую для растрескивания. Отжиг оболочки из 316 толщиной 1,2 мм в 16% NaOH при 150°C может продлить срок ее службы до 3–6 месяцев, а не до 1–2 месяцев. Второе изменение заключается в дробеструйной обработке или иной компрессионной обработке внешней поверхности. Сжимающий слой препятствует распространению трещин, но не снимает растягивающие напряжения на внутренней поверхности. Последнее изменение заключается в том, чтобы работать при минимально возможной температуре поверхности оболочки за счет снижения удельной мощности и усиления циркуляции. Снижение температуры поверхности на 10 градусов удваивает время возникновения трещин. Этих изменений недостаточно для большинства видов целлюлозно-бумажной промышленности. Сплав 625 или сплав C-276 является типичным материалом для оболочек нагревателей белого щелока. Эти сплавы на основе никеля устойчивы к коррозионному растрескиванию под напряжением при всех концентрациях и температурах, наблюдаемых в варочных котлах. Оболочка из сплава 625 толщиной 1,6 мм обычно прослужит 5–10 лет при эксплуатации уайт-спирита по сравнению с 2–6 месяцами для модели 316. Более высокая первоначальная стоимость компенсируется экономией времени простоя и затрат на замену. Инженеры, выбирающие нагреватели для работы варочного котла, не должны использовать 316 для любого применения, где концентрация каустика превышает 10% при температурах, превышающих 100°C. Стоимость быстрого разрушения крекинга в автоклаве под давлением, включая потерю продукта, охлаждение резервуара и замену, значительно превышает дополнительные затраты на сплав с высоким содержанием никеля. Если производитель рекомендует 316 для работы с уайт-спиритом и не говорит о коррозионном растрескивании под напряжением, он не предоставляет надлежащей инженерной консультации. Трещины в оболочке толщиной 1,2 мм развиваются быстро и без каких-либо видимых признаков, вплоть до протечки оболочки. Единственное верное решение – профилактика путем правильного выбора сплава.