في أي مجموعة محددة من تركيز المادة الكاوية ودرجة حرارة سطح الغلاف التي يتعرض لها غمد من الفولاذ المقاوم للصدأ مقاس 1.2 ملم 316 يتشقق بسبب الإجهاد الكاوي والتآكل في خدمة سخان هضم صناعة اللب والورق؟

إن استخدام مهندسي العمليات المسؤولين عن السخانات الغاطسة الكهربائية في هاضمات اللب والورق، ومزيج هيدروكسيد الصوديوم وكبريتيد الصوديوم في درجات حرارة مرتفعة ينتج بيئة يكون فيها تكسير التآكل بالإجهاد الكاوي هو السبب الرئيسي للفشل. يؤدي التكسير الكاوي إلى حدوث تشقق حبيبي هش يمكن أن يتخلل غمد 316 مقاس 1.2 مم في غضون أسابيع مع القليل من التحذير الواضح، على عكس التنقر أو التآكل العادي. تستخدم عملية طحن ورق الكرافت سائل أبيض يحتوي على 15-20% NaOH و5-10% Na2S عند درجات حرارة تتراوح بين 150-170 درجة. يبلغ سمك جدار هذه السخانات عمومًا 1.2 مم بسبب المساحة المحدودة في أوعية الهاضم. تحدد المقالة التركيبة الخاصة لتركيز المادة الكاوية ودرجة حرارة سطح الغلاف التي عندها سيتطور غمد 316 بقطر 1.2 مم إلى تشقق بسبب التآكل الناتج عن الإجهاد الكاوي خلال 1000 ساعة من الخدمة المستمرة.

آلية تكسير التآكل بالإجهاد الكاوي في 316
يتطلب تكسير التآكل بالإجهاد الكاوي للفولاذ المقاوم للصدأ 316 ثلاثة شروط: تركيز المادة الكاوية فوق قيمة العتبة، ودرجة الحرارة أعلى من عتبة التكسير، وإجهاد الشد. تؤدي طريقة التأرجح المستخدمة لضغط عزل MgO إلى إنشاء إجهادات شد متبقية كبيرة على السطح الداخلي للغلاف -عادةً 150-250 ميجا باسكال لجدار 1.2 مم. هذه الضغوط المتبقية هي مصدر إجهاد الشد المطلوب للتشقق. يبلغ تركيز المادة الكاوية للتكسير في 316 عند 150 درجة مئوية حوالي 5% NaOH. تنخفض درجة حرارة العتبة إلى 130 درجة مئوية عند 10% NaOH. التكسير عند 15% NaOH أعلى من 110 درجة. تكسير عند 20% NaOH فوق 100 درجة مئوية. الظروف في السائل الأبيض (15-20% هيدروكسيد الصوديوم، 150-170 درجة) أعلى بكثير من عتبة التكسير. تبدأ التشققات الموجودة في غلاف 316 مقاس 1.2 مم عادةً على السطح الداخلي حيث تكون الضغوط المتبقية في أعلى مستوياتها بعد التعرض لمدة 100-500 ساعة. بمجرد إنشائها، تنتشر الشقوق بمعدل 0.1-1.0 ملم أسبوعيًا، وتخترق الجدار الذي يبلغ سمكه 1.2 ملم خلال 1-3 أشهر.

غمد 1.2 عتبات التشقق الحرجة لـ 1.2
استنادًا إلى الاختبارات المعملية لعينات غمد 316 مقسمة في محاكاة السائل الأبيض وتحليل الفشل الميداني من هاضمات مطحنة اللب، فإن التركيبات التالية من تركيز المادة الكاوية ودرجة حرارة سطح الغمد تؤدي إلى تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد الكاوي خلال 1000 ساعة.

تركيز هيدروكسيد الصوديوم (الوزن٪) تركيز كبريتيد الصوديوم (الوزن٪) درجة الحرارة الحرجة للتكسير وقت بداية التشقق عند 150 درجة مئوية وقت سطح الغلاف حتى النهاية -تشقق الجدار (1.2 مم) عند 150 درجة مئوية 5 – 8% 2 – 4% 140 درجة مئوية 800 – 1200 ساعة 1200 – 2,000 ساعة 8 – 10% 4 – 6% 130 درجة مئوية 500 – 800 ساعة 800 – 1,500 ساعة 10 – 12% 5 – 7% 120 درجة مئوية 300 – 500 ساعة 500 – 1,000 ساعة
12 – 15% 6 – 8% 115 درجة 200 – 400 ساعة 400 – 800 ساعة 15 – 18% 7 – 9% 110 درجة 150 – 300 ساعة 300 – 600 ساعة
18 – 20% 8 – 10% 100 درجة 100 – 200 ساعة 200 – 400 ساعة
أكثر من 20% أكثر من 10% أقل من 100 درجة 50 – 150 ساعة 100 – 300 ساعة
بالنسبة لهضم كرافت الذي يعمل بـ 16% من NaOH عند درجة حرارة كتلة تبلغ 155 درجة، تكون درجة حرارة سطح الغلاف تقريبًا 155-160 درجة (بافتراض ارتفاع طفيف في درجة الحرارة بسبب انخفاض كثافة الواط في الهاضمات الكبيرة). هذا يتجاوز عتبة التشقق البالغة 110 درجة مئوية وسيولد تشققات خلال 150-300 ساعة. من المحتمل أن ينثقب غمد 1.2 ملم بعد 1-2 أشهر من التشغيل المستمر. تظهر الخبرة الميدانية أن أغلفة خدمة السائل الأبيض تنكسر بشكل عام خلال 3-6 أشهر مع كسر نمط الفشل السائد.

مظروف التشغيل الآمن للغلاف مقاس 1.2 مم في خدمة المواد الكاوية
يسرد الجدول أدناه الحد الأقصى لتركيز المادة الكاوية الآمنة لغلاف 316 مقاس 1.2 مم عند درجات حرارة سطح الغلاف المختلفة لتجنب التشقق الناتج عن التآكل الناتج عن الإجهاد الكاوي طوال فترة الخدمة البالغة 1000 ساعة. تفترض القيم ضغوط الشد المتبقية بعد التطريق، والتي لا يمكن تقليلها بدون تلدين ما بعد التطريق.

درجة حرارة سطح الغلاف الحد الأقصى الآمن لتركيز NaOH لمنع التشقق (بدون كبريتيد) الحد الأقصى الآمن لتركيز NaOH مع 5% Na2S الوقت المتوقع للتشقق عند الحد الأقصى للتركيز الآمن الإجراء الموصى به 80 درجة مئوية 20% 15% 2000 – 3000 ساعة هامشية للخدمة المستمرة 90 درجة مئوية 15% 12% 1500 – 2500 ساعة عمر خدمة محدود 100 درجة مئوية 12% 10% 1000 – 2000 ساعة 316 غير مستحسن 110 درجة مئوية 10% 8% 800 – 1500 ساعة استخدام ترقية ملدنة أو سبيكة 120 درجة مئوية 8% 6% 500 – 1000 ساعة مطلوب ترقية السبائك 130 درجة مئوية 6% 4% 300 – 800 ساعة ترقية السبائك إلزامية 140 درجة مئوية 4% 2% 200 – 500 ساعة 316 غير مناسبة
فوق 150 درجة مئوية غير آمن غير آمن أقل من 200 ساعة استخدم سبائك النيكل
غلاف التشغيل الآمن للغلاف 316 مقاس 1.2 مم غير موجود لخدمة هضم اللب والورق مع 16% NaOH عند 155 درجة مئوية. سيأتي التشقق خلال أسابيع أو أشهر بالتأكيد. سيحتاج المهندسون إلى اختيار سبيكة أكثر متانة.

تغييرات التصميم لمنع تكسير المواد الكاوية
عندما يتم استخدام غمد 316 في خدمة المواد الكاوية، يمكن أن تؤدي ثلاثة تعديلات في التصميم إلى إطالة العمر، ولكن لا شيء يجعل 316 يمكن الاعتماد عليه في ظروف هضم كرافت. الخطوة الأولى هي تلدين التأرجح اللاحق-عند درجة 1050 لإزالة توترات الشد المتبقية. التلدين يقلل من الضغط المتبقي على السطح الداخلي من 150-250 ميجا باسكال إلى أقل من 20 ميجا باسكال، مما يزيل مكون الشد المطلوب للتكسير. يمكن أن يؤدي تلدين غلاف 316 مقاس 1.2 مم في 16% من هيدروكسيد الصوديوم عند 150 درجة مئوية إلى إطالة عمره إلى 3-6 أشهر، بدلاً من 1-2 شهر. التغيير الثاني هو إطلاق الرصاص أو معالجة السطح الخارجي بطريقة ضاغطة. تقاوم الطبقة المضغوطة انتشار الشقوق ولكنها لا تخفف من ضغوط الشد على السطح الداخلي. التغيير النهائي هو العمل عند أدنى درجة حرارة ممكنة لسطح الغلاف عن طريق تقليل كثافة الواط وتعزيز الدورة الدموية. يؤدي انخفاض درجة حرارة السطح بمقدار 10 درجات إلى مضاعفة الوقت اللازم لبدء التشقق. هذه التغييرات ليست كافية لمعظم تطبيقات اللب والورق. تعتبر السبائك 625 أو السبائك C-276 المادة النموذجية لأغلفة سخان المشروبات الكحولية البيضاء. تقاوم هذه السبائك القائمة على النيكل التشقق الناتج عن الإجهاد الكاوي والتآكل عند جميع التركيزات ودرجات الحرارة التي تظهر في أجهزة الهضم. عادة ما يتحمل غمد السبائك 625 مقاس 1.6 مم 5-10 سنوات في خدمة المشروبات الروحية البيضاء مقابل 2-6 أشهر لـ 316. ويتم تعويض التكلفة الأولية الأعلى من خلال التوفير في وقت التوقف عن العمل واستبدال العمالة. يجب على المهندسين الذين يختارون السخانات لتشغيل الهاضم ألا يقبلوا 316 لأي تطبيق يكون فيه تركيز المادة الكاوية أعلى من 10% عند درجات حرارة تزيد عن 100 درجة مئوية. إن تكلفة فشل التكسير السريع في الهاضم المضغوط بما في ذلك فقدان المنتج وتبريد الوعاء والاستبدال أكبر بكثير من التكلفة الإضافية لسبائك النيكل العالية. إذا كانت الشركة المصنعة توصي بـ 316 لخدمة المشروبات الروحية البيضاء ولا تتحدث عن تكسير التآكل الناتج عن الإجهاد الكاوي، فإنها لا تقدم المشورة الهندسية المناسبة. تتطور الشقوق في الغلاف الذي يبلغ قطره 1.2 ملم بسرعة ودون أي دليل واضح حتى يتسرب الغلاف. الحل الوحيد المؤكد هو الوقاية عن طريق الاختيار الصحيح للسبائك.