Per gli ingegneri di processo responsabili dei riscaldatori elettrici a immersione nei digestori di pasta di legno e carta, la combinazione di idrossido di sodio e solfuro di sodio a temperature elevate crea un ambiente in cui la fessurazione per corrosione da stress caustico è il meccanismo di guasto dominante. A differenza della vaiolatura o della corrosione generale, la fessurazione caustica produce crepe fragili e intergranulari che possono penetrare in una guaina 316 da 1,2 mm in settimane con un minimo preavviso visibile. Il processo di produzione della pasta kraft utilizza liquore bianco contenente il 15–20% di NaOH e il 5–10% di Na₂S a temperature di 150–170°C. Per questi riscaldatori è comune uno spessore di parete di 1,2 mm a causa dei limiti di spazio nei recipienti del digestore. Questo articolo identifica la combinazione specifica di concentrazione caustica e temperatura superficiale della guaina alla quale una guaina 316 da 1,2 mm subisce fessurazioni per corrosione da stress caustico entro 1.000 ore di servizio continuo.
Meccanismo di fessurazione per corrosione da stress caustico in 316
La fessurazione da tensocorrosione caustica dell'acciaio inossidabile 316 richiede tre condizioni: una concentrazione caustica superiore a un valore soglia, una temperatura superiore alla soglia di fessurazione e stress da trazione. Il processo di pressatura utilizzato per compattare l'isolamento in MgO introduce notevoli sollecitazioni di trazione residue sulla superficie interna della guaina-tipicamente 150–250 MPa per una parete da 1,2 mm. Queste tensioni residue forniscono la componente di trazione necessaria per la fessurazione. La soglia di concentrazione caustica per il cracking nel 316 a 150°C è circa il 5% di NaOH. Al 10% di NaOH la temperatura di soglia scende a 130°C. Al 15% di NaOH, il cracking avviene sopra i 110°C. Al 20% di NaOH, il cracking avviene sopra i 100°C. Nel liquore bianco con il 15–20% di NaOH a 150–170°C, le condizioni superano di gran lunga la soglia di cracking. Per una guaina 316 da 1,2 mm, le crepe generalmente iniziano entro 100–500 ore dall'esposizione sulla superficie interna dove le sollecitazioni residue sono maggiori. Una volta iniziate, le crepe si propagano a una velocità di 0,1–1,0 mm a settimana, penetrando nella parete di 1,2 mm entro 1–3 mesi.
Soglie critiche di fessurazione per guaina da 1,2 millimetri
Sulla base di test di laboratorio su campioni di guaina 316 pressati nel simulante del liquore bianco e sull'analisi dei guasti sul campo dai digestori di cartiere, le seguenti combinazioni di concentrazione caustica e temperatura superficiale della guaina producono fessurazioni per tensocorrosione caustica entro 1.000 ore.
| Concentrazione di idrossido di sodio (%) | Concentrazione di solfuro di sodio (%) | Temperatura critica per l'insorgenza di fessurazioni | Tempo di innesco della fessurazione a 150°C della superficie della guaina | Tempo di attraversamento della-crepa nel muro (1,2 mm) a 150°C |
|---|---|---|---|---|
| 5 – 8% | 2 – 4% | 140°C | 800 – 1.200 ore | 1.200 – 2.000 ore |
| 8 – 10% | 4 – 6% | 130°C | 500 – 800 ore | 800 – 1.500 ore |
| 10 – 12% | 5 – 7% | 120°C | 300 – 500 ore | 500 – 1.000 ore |
| 12 – 15% | 6 – 8% | 115°C | 200 – 400 ore | 400 – 800 ore |
| 15 – 18% | 7 – 9% | 110°C | 150 – 300 ore | 300 – 600 ore |
| 18 – 20% | 8 – 10% | 100°C | 100 – 200 ore | 200 – 400 ore |
| Superiore al 20% | Superiore al 10% | Sotto i 100°C | 50 – 150 ore | 100 – 300 ore |
Per un digestore Kraft che funziona con NaOH al 16% a una temperatura di massa di 155°C, la temperatura superficiale della guaina è di circa 155–160°C (assumendo un aumento minimo della temperatura dovuto alla bassa densità di watt nei digestori di grandi dimensioni). Questo supera la soglia di fessurazione di 110°C e le crepe inizierebbero entro 150-300 ore. Una guaina da 1,2 mm si perforerebbe probabilmente entro 1-2 mesi di funzionamento continuo. L'esperienza sul campo conferma che 316 guaine nel servizio di liquori bianchi tipicamente si guastano entro 3-6 mesi, con la fessurazione come modalità di guasto principale.
Involucro operativo sicuro per guaina da 1,2 millimetri in servizio caustico
La seguente tabella fornisce la concentrazione caustica massima sicura per una guaina 316 da 1,2 mm a varie temperature superficiali della guaina per evitare rotture per corrosione da stress caustico entro una durata di servizio di 1.000- ore. I valori presuppongono la presenza di tensioni di trazione residue derivanti dalla pressatura, che non possono essere eliminate senza la ricottura post-stampaggio.
| Temperatura superficiale della guaina | Massima concentrazione sicura di NaOH per evitare cracking (senza solfuri) | Concentrazione massima sicura di NaOH con il 5% di Na₂S | Tempo previsto per il cracking alla massima concentrazione sicura | Azione consigliata |
|---|---|---|---|---|
| 80°C | 20% | 15% | 2.000 – 3.000 ore | Marginale per il servizio continuo |
| 90°C | 15% | 12% | 1.500 – 2.500 ore | Vita utile limitata |
| 100°C | 12% | 10% | 1.000 – 2.000 ore | 316 non raccomandato |
| 110°C | 10% | 8% | 800 – 1.500 ore | Utilizzare l'aggiornamento ricotto o in lega |
| 120°C | 8% | 6% | 500 – 1.000 ore | È richiesto l'aggiornamento della lega |
| 130°C | 6% | 4% | 300 – 800 ore | Aggiornamento della lega obbligatorio |
| 140°C | 4% | 2% | 200 – 500 ore | 316 non idoneo |
| Oltre 150°C | Non sicuro | Non sicuro | Sotto le 200 ore | Utilizza una lega a base di nichel- |
Per il servizio di digestione di pasta di legno e carta con NaOH al 16% a 155°C, il campo operativo sicuro per una guaina 316 da 1,2 mm non esiste. La rottura è inevitabile nel giro di settimane o mesi. Gli ingegneri devono specificare una lega più resistente.
Modifiche progettuali per prevenire fessurazioni caustiche
Quando una guaina 316 deve essere utilizzata in un servizio caustico, tre modifiche progettuali possono prolungarne la durata, sebbene nessuna renda il 316 affidabile per le condizioni del digestore kraft. Il primo consiste nell'eseguire la ricottura post-stampaggio a 1.050°C per alleviare le tensioni di trazione residue. La ricottura riduce lo stress residuo della superficie interna da 150–250 MPa a meno di 20 MPa, eliminando la componente di trazione necessaria per la fessurazione. Una guaina ricotta di 316 da 1,2 mm in NaOH al 16% a 150°C può sopravvivere 3–6 mesi invece di 1–2 mesi. La seconda modifica consiste nell'applicare un trattamento superficiale di compressione come la pallinatura alla superficie esterna. Lo strato compressivo si oppone alla crescita delle crepe, ma non elimina le tensioni di trazione della superficie interna. La terza modifica consiste nel funzionare alla temperatura superficiale della guaina più bassa possibile riducendo la densità di watt e aumentando la circolazione. Ogni riduzione di 10°C della temperatura superficiale raddoppia il tempo necessario all'innesco della fessurazione. Per la maggior parte delle applicazioni nel settore della pasta e della carta, queste modifiche sono insufficienti. Il materiale standard per le guaine dei riscaldatori per liquori bianchi è la lega 625 o la lega C-276. Queste leghe a base di nichel-sono resistenti alla tensocorrosione caustica a tutte le concentrazioni e temperature incontrate nei digestori. Una guaina in lega 625 da 1,6 mm dura in genere 5–10 anni in servizio con liquore bianco, rispetto ai 2–6 mesi per 316. Il costo iniziale più elevato viene rapidamente recuperato grazie alla riduzione dei tempi di inattività e della manodopera sostitutiva. Quando si specificano i riscaldatori per il servizio del digestore, gli ingegneri non dovrebbero accettare il 316 per qualsiasi applicazione in cui la concentrazione di sostanze caustiche superi il 10% a temperature superiori a 100°C. Il costo di un improvviso guasto da cracking in un digestore pressurizzato-compresi la perdita di prodotto, il raffreddamento del recipiente e la sostituzione-supera di gran lunga il costo incrementale di una lega ad alto contenuto di nichel. Un produttore che consiglia il 316 per il servizio con liquori bianchi senza discutere della fessurazione per tensocorrosione caustica non fornisce una guida tecnica responsabile. Le crepe in una guaina da 1,2 mm si propagano rapidamente e senza segni esterni visibili fino alla perdita della guaina. La prevenzione attraverso un’adeguata selezione delle leghe è l’unica strategia affidabile.
