Для инженеров-технологов, ответственных за электрические погружные нагреватели в варочных котлах целлюлозы и бумаги, сочетание гидроксида натрия и сульфида натрия при повышенных температурах создает среду, в которой коррозионное растрескивание под напряжением является доминирующим механизмом разрушения. В отличие от точечной или общей коррозии, каустическое растрескивание приводит к хрупким межкристаллитным трещинам, которые могут проникнуть через оболочку из 316 толщиной 1,2 мм за несколько недель с минимальным видимым предупреждением. В процессе крафт-варки целлюлозы используется белый щелок, содержащий 15–20 % NaOH и 5–10 % Na₂S, при температуре 150–170°C. Толщина стенок этих нагревателей обычно составляет 1,2 мм из-за нехватки места в резервуарах варочного котла. В этой статье определяется конкретное сочетание концентрации щелочи и температуры поверхности оболочки, при которой оболочка из стали 316 толщиной 1,2 мм подвергается коррозионному растрескиванию 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. Процесс обжатия, используемый для уплотнения изоляции MgO, создает значительные остаточные растягивающие напряжения на внутренней поверхности оболочки-обычно 150–250 МПа для стенки толщиной 1,2 мм. Эти остаточные напряжения обеспечивают необходимый компонент растяжения для растрескивания. Порог концентрации каустика для растрескивания 316 при 150°C составляет примерно 5% NaOH. При 10% NaOH пороговая температура падает до 130°C. При 15% NaOH растрескивание происходит при температуре выше 110°C. При 20% NaOH растрескивание происходит при температуре выше 100°C. В белом щелоке с 15–20 % NaOH при 150–170°С условия значительно превышают порог крекинга. Для оболочки из 316 толщиной 1,2 мм трещины обычно возникают в течение 100–500 часов после воздействия на внутренней поверхности, где остаточные напряжения наиболее высоки. После возникновения трещины распространяются со скоростью 0,1–1,0 мм в неделю, проникая в стенку толщиной 1,2 мм в течение 1–3 месяцев.
Критические пороги растрескивания для оболочки толщиной 1,2 мм
На основании лабораторных испытаний обжатых образцов оболочки 316 в имитаторе белого щелока и анализа отказов варочных котлов целлюлозного завода на местах, следующие комбинации концентрации каустика и температуры поверхности оболочки приводят к коррозионному растрескиванию под напряжением в течение 1000 часов.
| Концентрация гидроксида натрия (мас. %) | Концентрация сульфида натрия (мас. %) | Критическая температура начала растрескивания | Время возникновения трещин при температуре поверхности оболочки 150°C | Время прохождения-трещины в стенке (1,2 мм) при 150 °C |
|---|---|---|---|---|
| 5 – 8% | 2 – 4% | 140°С | 800 – 1200 часов | 1200 – 2000 часов |
| 8 – 10% | 4 – 6% | 130°С | 500 – 800 часов | 800 – 1500 часов |
| 10 – 12% | 5 – 7% | 120°С | 300 – 500 часов | 500 – 1000 часов |
| 12 – 15% | 6 – 8% | 115°С | 200 – 400 часов | 400 – 800 часов |
| 15 – 18% | 7 – 9% | 110°С | 150 – 300 часов | 300 – 600 часов |
| 18 – 20% | 8 – 10% | 100°С | 100 – 200 часов | 200 – 400 часов |
| Выше 20% | Выше 10% | Ниже 100°С | 50 – 150 часов | 100 – 300 часов |
Для крафт-варочного котла, работающего с 16% NaOH при объемной температуре 155°C, температура поверхности оболочки составляет примерно 155–160°C (при условии минимального повышения температуры из-за низкой удельной мощности в больших варочных котлах). Это превышает порог растрескивания при температуре 110°C, и трещины начнутся в течение 150–300 часов. Оболочка толщиной 1,2 мм, скорее всего, перфорируется в течение 1–2 месяцев непрерывной эксплуатации. Опыт эксплуатации подтверждает, что 316 оболочек при обслуживании белого щелока обычно выходят из строя в течение 3–6 месяцев, при этом основным видом отказа является растрескивание.
Безопасный рабочий диапазон для тубуса диаметром 1,2 мм при работе с щелочами
В следующей таблице представлена максимальная безопасная концентрация щелочи 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 наличие остаточных растягивающих напряжений от обжатия, которые невозможно устранить без отжига после обжима.
| Температура поверхности оболочки | Максимальная безопасная концентрация NaOH для предотвращения растрескивания (без сульфидов) | Максимальная безопасная концентрация NaOH с 5% Na₂S | Ожидаемое время крекинга при максимально безопасной концентрации | Рекомендуемое действие |
|---|---|---|---|---|
| 80°С | 20% | 15% | 2000 – 3000 часов | Маржа для непрерывного обслуживания |
| 90°С | 15% | 12% | 1500 – 2500 часов | Ограниченный срок службы |
| 100°С | 12% | 10% | 1000 – 2000 часов | 316 не рекомендуется |
| 110°С | 10% | 8% | 800 – 1500 часов | Используйте отожженный или улучшенный сплав |
| 120°С | 8% | 6% | 500 – 1000 часов | Требуется обновление сплава |
| 130°С | 6% | 4% | 300 – 800 часов | Обновление сплава обязательно |
| 140°С | 4% | 2% | 200 – 500 часов | 316 непригодный |
| Выше 150°С | Не безопасно | Не безопасно | Менее 200 часов | Используйте сплав-на основе никеля. |
Для варочного котла целлюлозно-бумажной промышленности с 16% NaOH при температуре 155°C не существует безопасного рабочего диапазона для оболочки из 316 толщиной 1,2 мм. Трещина неизбежна в течение нескольких недель или месяцев. Инженеры должны выбрать более прочный сплав.
Модификации конструкции для предотвращения щелочного растрескивания
Когда оболочка из 316 должна использоваться в щелочных условиях, три модификации конструкции могут продлить срок службы, хотя ни одна из них не делает кожух 316 надежным для условий крафт-варочного котла. Первый заключается в проведении отжига после-обжимки при температуре 1050°C для снятия остаточных растягивающих напряжений. Отжиг снижает остаточное напряжение внутренней поверхности со 150–250 МПа до менее 20 МПа, устраняя растягивающую составляющую, необходимую для растрескивания. Отожженная оболочка из 316 толщиной 1,2 мм в 16% NaOH при 150°C может сохраняться 3–6 месяцев вместо 1–2 месяцев. Вторая модификация заключается в применении компрессионной обработки поверхности, например дробеструйной обработки, к внешней поверхности. Сжимающий слой препятствует росту трещин, но не устраняет растягивающие напряжения на внутренней поверхности. Третья модификация заключается в работе при минимально возможной температуре поверхности оболочки за счет снижения удельной мощности и увеличения циркуляции. Снижение температуры поверхности на каждые 10°C удваивает время возникновения трещин. Для большинства применений целлюлозно-бумажной промышленности этих модификаций недостаточно. Стандартным материалом для оболочек нагревателя белого щелока является сплав 625 или сплав C-276. Эти сплавы на основе никеля-устойчивы к коррозионному растрескиванию под напряжением при всех концентрациях и температурах, встречающихся в варочных котлах. Оболочка из сплава 625 толщиной 1,6 мм обычно прослужит 5–10 лет при эксплуатации с белым щелоком по сравнению с 2–6 месяцами для модели 316. Более высокие первоначальные затраты быстро окупаются за счет сокращения времени простоя и затрат на замену. При выборе нагревателей для варочного котла инженеры не должны принимать 316 для любого применения, где концентрация каустика превышает 10% при температуре выше 100°C. Стоимость внезапного разрушения варочного котла под давлением,-включая потерю продукта, охлаждение резервуара и замену-намного превышает дополнительные затраты на сплав с высоким содержанием никеля. Производитель, который рекомендует 316 для работы с белым щелоком, не обсуждая коррозионное растрескивание под напряжением, не обеспечивает ответственного технического руководства. Трещины в оболочке толщиной 1,2 мм распространяются быстро и без видимых внешних признаков, пока оболочка не протечет. Единственной надежной стратегией является предотвращение за счет правильного выбора сплава.
