Pada Kombinasi Spesifik Konsentrasi Kaustik dan Suhu Permukaan Selubung Apa Selubung Baja Tahan Karat 1,2 Milimeter 316 Mengalami Retak Korosi Stres Kaustik pada Layanan Pemanas Digester Industri Pulp dan Kertas?

Penggunaan insinyur proses yang bertanggung jawab atas pemanas perendaman listrik dalam pencerna pulp dan kertas, kombinasi natrium hidroksida dan natrium sulfida pada suhu tinggi menghasilkan lingkungan di mana retakan korosi akibat tegangan kaustik merupakan penyebab kegagalan utama. Retakan kaustik menciptakan retakan intergranular rapuh yang dapat menembus selubung 1,2 mm 316 dalam hitungan minggu tanpa peringatan yang jelas, tidak seperti korosi pitting atau korosi biasa. Proses pembuatan pulp kraft menggunakan cairan putih dengan 15–20 % NaOH dan 5–10 % Na₂S pada suhu 150–170 derajat. Pemanas ini umumnya mempunyai ketebalan dinding 1,2 mm karena terbatasnya ruang dalam bejana pencernaan. Artikel ini mengidentifikasi kombinasi tertentu dari konsentrasi kaustik dan suhu permukaan selubung di mana selubung 1,2 mm 316 akan menimbulkan retak korosi akibat tegangan kaustik dalam 1000 jam penggunaan terus menerus.

Mekanisme Retak Korosi Stres Kaustik pada 316
Retak korosi tegangan kaustik pada baja tahan karat 316 memerlukan tiga kondisi: konsentrasi kaustik melebihi nilai ambang batas, suhu di atas ambang retak, dan tegangan tarik. Metode swaging yang digunakan untuk memadatkan insulasi MgO menciptakan regangan tarik sisa yang besar pada permukaan bagian dalam selubung-biasanya 150-250 MPa untuk dinding 1,2 mm. Tegangan sisa ini merupakan sumber tegangan tarik yang diperlukan untuk terjadinya keretakan. Konsentrasi kaustik untuk cracking di 316 pada 150°C adalah sekitar 5% NaOH. Suhu ambang batas diturunkan menjadi 130°C pada NaOH 10%. Retak pada NaOH 15% berada di atas 110 derajat. Retak pada NaOH 20% pada suhu 100°C. Kondisi dalam cairan putih (15–20% NaOH, 150–170 derajat ) jauh di atas ambang batas retak. Retakan pada selubung 316 1,2 mm biasanya dimulai pada permukaan bagian dalam dimana tegangan sisa paling tinggi setelah pemaparan 100–500 jam. Setelah terbentuk, retakan menyebar dengan kecepatan 0,1–1,0 mm per minggu, menembus dinding 1,2 mm dalam waktu 1–3 bulan.

Selubung 1.2 Ambang Batas Retak Kritis untuk 1.2
Berdasarkan pengujian laboratorium terhadap 316 sampel selubung dalam simulasi cairan putih dan analisis kegagalan lapangan dari reaktor pabrik pulp, kombinasi konsentrasi kaustik dan suhu permukaan selubung berikut menghasilkan retak korosi tegangan kaustik dalam waktu 1.000 jam.

Konsentrasi Natrium Hidroksida (Berat %) Konsentrasi Natrium Sulfida (Berat %) Temperatur Kritis untuk Waktu Permulaan Retak hingga Inisiasi Retakan pada 150°C Waktu Permukaan Selubung untuk Melewati-Retak Dinding (1,2 mm) pada 150°C 5 – 8% 2 – 4% 140°C 800 – 1.200 jam 1.200 – 2.000 jam 8 – 10% 4 – 6% 130°C 500 – 800 jam 800 – 1.500 jam 10 – 12% 5 – 7% 120°C 300 – 500 jam 500 – 1.000 jam
12 – 15% 6 – 8% 115 derajat 200 – 400 jam 400 – 800 jam 15 – 18% 7 – 9% 110 derajat 150 – 300 jam 300 – 600 jam
18 – 20% 8 – 10% 100 derajat 100 – 200 jam 200 – 400 jam
Lebih dari 20% Lebih dari 10% Kurang dari 100 derajat 50 – 150 jam 100 – 300 jam
Untuk pencerna kraft yang bekerja dengan NaOH 16% pada suhu curah 155 derajat, suhu permukaan selubung kira-kira 155–160 derajat (dengan asumsi kenaikan suhu kecil karena kepadatan watt rendah dalam pencerna besar). Suhu ini melebihi ambang batas retak 110°C dan akan menimbulkan retakan dalam waktu 150–300 jam. Selubung 1,2 mm kemungkinan akan berlubang setelah 1-2 bulan digunakan terus menerus. Pengalaman lapangan menunjukkan bahwa selubung layanan minuman keras putih umumnya pecah dalam waktu 3-6 bulan dengan modus kegagalan utama retak.

Amplop Pengoperasian Aman untuk Selubung 1,2 mm dalam Layanan Kaustik
Tabel di bawah mencantumkan konsentrasi kaustik maksimum yang aman untuk selubung 1,2 mm 316 pada suhu permukaan selubung yang berbeda untuk menghindari retak korosi akibat tegangan kaustik sepanjang masa pakai 1.000 jam. Nilai mengasumsikan tegangan tarik sisa setelah swaging, yang tidak dapat dikurangi tanpa pasca-swage annealing.

Temperatur Permukaan Selubung Konsentrasi NaOH Aman Maksimum untuk Mencegah Retak (Tanpa Sulfida) Konsentrasi NaOH Aman Maksimum dengan 5% Na2S Waktu yang Diharapkan untuk Retak pada Konsentrasi Aman Maksimum Tindakan yang Direkomendasikan 80°C 20% 15% 2.000 – 3.000 jam Marginal untuk servis berkelanjutan 90°C 15% 12% 1.500 – 2.500 jam Masa pakai terbatas 100°C 12% 10% 1.000 – 2.000 jam 316 tidak direkomendasikan 110°C 10% 8% 800 – 1.500 jam Gunakan anil atau peningkatan paduan 120°C 8% 6% 500 – 1.000 jam Perlu peningkatan paduan 130°C 6% 4% 300 – 800 jam Peningkatan paduan wajib 140°C 4% 2% 200 – 500 jam 316 tidak sesuai
Di atas 150°C Tidak aman Tidak amanDi bawah 200 jamGunakan Paduan Nikel
Selubung pengoperasian yang aman untuk selubung 1,2 mm 316 tidak tersedia untuk layanan pencerna pulp dan kertas dengan NaOH 16% pada suhu 155°C. Retakan pasti akan terjadi dalam beberapa minggu atau bulan. Insinyur harus memilih paduan yang lebih tahan lama.

Perubahan desain untuk mencegah retak kaustik
Ketika selubung 316 akan digunakan dalam layanan kaustik, tiga penyesuaian desain dapat memperpanjang masa pakai, namun tidak ada yang menjadikan 316 dapat diandalkan untuk kondisi pencernaan kraft. Langkah awal adalah melakukan anneal post-swage pada 1050 derajat untuk menghilangkan sisa tegangan tarik. Annealing mengurangi tegangan sisa permukaan bagian dalam dari 150–250 MPa menjadi di bawah 20 MPa, menghilangkan komponen tarik yang diperlukan untuk retak. Annealing selubung 1,2 mm 316 dalam NaOH 16% pada suhu 150°C dapat memperpanjang masa pakainya hingga 3–6 bulan, dibandingkan 1–2 bulan. Perubahan kedua adalah dengan shot peen atau perlakuan tekan pada permukaan luar. Lapisan tekan menahan perambatan retak tetapi tidak mengurangi tegangan tarik pada permukaan bagian dalam. Perubahan terakhir adalah beroperasi pada suhu permukaan selubung serendah mungkin dengan mengurangi kepadatan watt dan meningkatkan sirkulasi. Penurunan suhu permukaan sebesar 10 derajat menggandakan waktu terjadinya retak. Perubahan ini tidak cukup untuk sebagian besar aplikasi pulp dan kertas. Paduan 625 atau Paduan C-276 adalah bahan khas untuk selubung pemanas cairan putih. Paduan berbahan dasar nikel ini tahan terhadap retak korosi akibat tegangan kaustik pada semua konsentrasi dan suhu yang terlihat di dalam reaktor. Selubung Alloy 625 1,6 mm biasanya akan bertahan 5-10 tahun dalam layanan white spirit dibandingkan 2-6 bulan untuk 316. Biaya awal yang lebih tinggi dikompensasi oleh penghematan waktu henti dan tenaga kerja pengganti. Insinyur yang memilih pemanas untuk pengoperasian reaktor tidak boleh menerima 316 untuk aplikasi apa pun yang konsentrasi kaustiknya di atas 10% pada suhu melebihi 100°C. Biaya yang diakibatkan oleh kegagalan perengkahan yang cepat pada reaktor bertekanan termasuk kehilangan produk, pendinginan wadah, dan penggantian secara signifikan lebih besar dibandingkan biaya tambahan pada paduan nikel tinggi. Jika pabrikan merekomendasikan 316 untuk layanan white spirit dan tidak berbicara tentang retak korosi akibat tegangan kaustik, mereka tidak memberikan nasihat teknis yang tepat. Retakan pada selubung 1,2 mm terjadi dengan cepat dan tanpa bukti nyata hingga selubungnya bocor. Satu-satunya solusi yang pasti adalah pencegahan dengan pemilihan paduan yang tepat.