Em que combinação específica de concentração cáustica e temperatura da superfície da bainha uma bainha de aço inoxidável 316 de 1,2 milímetros sofre rachaduras por corrosão por tensão cáustica no serviço de aquecedor digestor da indústria de papel e celulose?

O uso de engenheiros de processo responsáveis ​​por aquecedores elétricos de imersão em digestores de celulose e papel, a combinação de hidróxido de sódio e sulfeto de sódio em temperaturas elevadas produz um ambiente no qual a corrosão sob tensão cáustica é a principal causa de falha. A fissuração cáustica cria fissuras intergranulares frágeis que podem permear uma bainha 316 de 1,2 mm em questão de semanas com pouco aviso óbvio, ao contrário da corrosão por corrosão ou corrosão comum. O processo de polpação kraft emprega licor branco com 15–20% de NaOH e 5–10% de Na₂S em temperaturas de 150–170 graus. Esses aquecedores geralmente têm uma espessura de parede de 1,2 mm devido ao espaço limitado nos vasos digestores. O artigo identifica a combinação específica de concentração cáustica e temperatura da superfície da bainha na qual uma bainha 316 de 1,2 mm desenvolverá trincas por corrosão sob tensão cáustica em 1.000 horas de serviço contínuo.

Mecanismo de fissuração por corrosão por tensão cáustica em 316
A corrosão sob tensão cáustica do aço inoxidável 316 requer três condições: uma concentração cáustica acima de um valor limite, temperatura acima do limite de fissuração e tensão de tração. O método de estampagem usado para compactar o isolamento de MgO cria grandes deformações de tração residuais na superfície interna da bainha-normalmente 150-250 MPa para uma parede de 1,2 mm. Essas tensões residuais são a fonte da tensão de tração necessária para a fissuração. A concentração cáustica para craqueamento em 316 a 150°C é de cerca de 5% de NaOH. A temperatura limite é diminuída para 130°C com NaOH a 10%. O craqueamento a 15% de NaOH está acima de 110 graus. Craqueamento a 20% de NaOH acima de 100°C. As condições no licor branco (15–20% NaOH, 150–170 graus) estão bem acima do limite de craqueamento. Rachaduras em uma bainha 316 de 1,2 mm normalmente iniciam na superfície interna, onde as tensões residuais são mais altas após 100–500 horas de exposição. Uma vez estabelecidas, as fissuras propagam-se a taxas de 0,1–1,0 mm por semana, penetrando a parede de 1,2 mm dentro de 1–3 meses.

Bainha 1.2 Limites de Rachadura Crítica para 1.2
Com base em testes de laboratório de amostras de bainha 316 estampadas em simulador de licor branco e análise de falhas de campo de digestores de fábricas de celulose, as seguintes combinações de concentração cáustica e temperatura da superfície da bainha resultam em rachaduras por corrosão sob tensão cáustica dentro de 1.000 horas.

Concentração de hidróxido de sódio (% em peso) Concentração de sulfeto de sódio (% em peso) Temperatura crítica para início de fissuração Tempo para início de fissura a 150°C Tempo de superfície da bainha até atravessar-Rachadura na parede (1,2 mm) a 150°C 5 – 8% 2 – 4% 140°C 800 – 1.200 horas 1.200 – 2.000 horas 8 – 10% 4 – 6% 130°C 500 – 800 horas 800 – 1.500 horas 10 – 12% 5 – 7% 120°C 300 – 500 horas 500 – 1.000 horas
12 – 15% 6 – 8% 115 graus 200 – 400 horas 400 – 800 horas 15 – 18% 7 – 9% 110 graus 150 – 300 horas 300 – 600 horas
18 – 20% 8 – 10% 100 graus 100 – 200 horas 200 – 400 horas
Mais de 20% Mais de 10% Menos de 100 graus 50 – 150 horas 100 – 300 horas
Para um digestor kraft trabalhando com 16% de NaOH a uma temperatura aparente de 155 graus, a temperatura da superfície da bainha é de aproximadamente 155-160 graus (assumindo um pequeno aumento de temperatura devido à baixa densidade de watts em grandes digestores). Isto está acima do limite de fissuração de 110°C e geraria fissuras em 150–300 horas. Uma bainha de 1,2 mm provavelmente perfuraria após 1-2 meses de operação contínua. A experiência de campo mostra que as bainhas de serviço de licor branco geralmente quebram em 3-6 meses, sendo a fissuração o modo de falha predominante.

Envelope de operação segura para bainha de 1,2 mm em serviço cáustico
A tabela abaixo lista a concentração cáustica máxima segura para uma bainha 316 de 1,2 mm em diferentes temperaturas de superfície da bainha para evitar trincas por corrosão sob tensão cáustica ao longo de uma vida útil de 1.000 horas. Os valores assumem tensões de tração residuais após a estampagem, que não podem ser reduzidas sem o recozimento pós{5}}estampagem.

Temperatura da superfície da bainha Concentração máxima segura de NaOH para evitar rachaduras (sem sulfeto) Concentração máxima segura de NaOH com 5% Na2S Tempo esperado para rachaduras na concentração máxima seguraAção recomendada 80°C 20% 15% 2.000 – 3.000 horas Marginal para serviço contínuo 90°C 15% 12% 1.500 – 2.500 horas Vida útil limitada 100°C 12% 10% 1.000 – 2.000 horas 316 não recomendado 110°C 10% 8% 800 – 1.500 horas Use atualização de liga recozida ou liga 120°C 8% 6% 500 – 1.000 horas Atualização de liga necessária 130°C 6% 4% 300 – 800 horas Atualização de liga obrigatória 140°C 4% 2% 200 – 500 horas 316 inadequado
Acima de 150°C Não é seguro Não é seguroMenos de 200 horasUsar liga de níquel
O envelope operacional seguro para uma bainha 316 de 1,2 mm não existe para serviço de digestor de celulose e papel com 16% de NaOH a 155°C. A rachadura ocorrerá em semanas ou meses, com certeza. Os engenheiros precisarão escolher uma liga mais durável.

Mudanças de projeto para evitar rachaduras cáusticas
Quando a bainha 316 for usada em serviço cáustico, três ajustes de projeto podem prolongar a vida útil, mas nenhum torna o 316 confiável para as condições do digestor kraft. A etapa inicial é recozer a pós--estampagem a 1050 graus para eliminar tensões de tração residuais. O recozimento reduz a tensão residual da superfície interna de 150-250 MPa para menos de 20 MPa, removendo o componente de tração necessário para a fissuração. O recozimento de uma bainha 316 de 1,2 mm em NaOH a 16% a 150°C pode prolongar sua vida útil para 3–6 meses, em vez de 1–2 meses. A segunda alteração é aplicar shot peen ou de outra forma tratar de forma compressiva a superfície externa. A camada compressiva resiste à propagação de fissuras, mas não alivia as tensões de tração na superfície interna. A mudança final é operar na temperatura mais baixa possível da superfície da bainha, reduzindo a densidade de watts e aumentando a circulação. Uma diminuição de 10 graus na temperatura da superfície dobra o tempo para o início da trinca. Essas mudanças não são suficientes para a maioria das aplicações de celulose e papel. A Liga 625 ou Liga C-276 é o material típico para bainhas de aquecedores de licor branco. Essas ligas à base de níquel resistem à corrosão sob tensão cáustica em todas as concentrações e temperaturas observadas nos digestores. Uma bainha de liga 625 de 1,6 mm normalmente resistirá de 5 a 10 anos em serviço de aguarrás, em comparação com 2 a 6 meses para 316. O custo inicial mais alto é compensado pela economia em tempo de inatividade e mão de obra de substituição. Os engenheiros que selecionam aquecedores para operação do digestor não devem aceitar o 316 para qualquer aplicação onde a concentração cáustica esteja acima de 10% em temperaturas superiores a 100°C. O custo de uma falha rápida de craqueamento em um digestor pressurizado, incluindo perda de produto, resfriamento do recipiente e substituição, é significativamente maior do que o custo incremental de uma liga com alto teor de níquel. Se um fabricante recomenda 316 para serviço com álcool branco e não fala sobre fissuração por corrosão sob tensão cáustica, ele não está fornecendo aconselhamento de engenharia adequado. As fissuras numa bainha de 1,2 mm desenvolvem-se rapidamente e sem qualquer evidência aparente até a bainha vazar. A única solução segura é a prevenção através da escolha correta da liga.