Duplex S31803 w celulozie i papierze: odporność na korozję w komorach fermentacyjnych Krafta i siarczynu

Dupleks S31803(UNS S31803, 22Cr-5Ni-3Mo-0,15N) to stal nierdzewna, która jest głównym narzędziem do nowoczesnych komór fermentacyjnych celulozy i papieru. Jest odporny na pękanie korozyjne naprężeniowe w ługu białym Kraft do 180 stopni C i wżery w ługu siarczynowym zanieczyszczonym chlorkiem, zapewniając 20-30 lat żywotności przy 30-50% premii w porównaniu z 316L, ale 40-60% niższym 20-letnim TCO.

Dlaczego zakłady celulozowo-papiernicze wybierają S31803 zamiast 304L i 316L do komór fermentacyjnych?

S31803 zastępuje 304L i 316L w komorach fermentacyjnych, ponieważ zapewnia 2-3 razy dłuższą żywotność przy jedynie 30-50 procent wyższych kosztach materiału, a jednocześnie jest odporny zarówno na pękanie korozyjne naprężeniowe żrące, które niszczy 316L w komorach fermentacyjnych Krafta, jak i wżery chlorkowe atakujące 316L w komorach fermentacyjnych siarczynu.

Komory fermentacyjne celulozy i papieru to zasadniczo duże zbiorniki ciśnieniowe, które gotują zrębki drzewne w wysokiej temperaturze w agresywnych chemikaliach. Dwa dominujące procesy, Kraft (alkaliczny) i siarczyn (kwasowy), tworzą dwa bardzo różne środowiska korozyjne. Historycznym wyborem były standardowe gatunki austenitu, takie jak 304L i 316L, ale udokumentowane awarie w terenie w latach 80. i 90. XX wieku (TAPPI Journal, 1992; Outokumpu Corrosion Handbook) wykazały, że 316L uległ pękaniu korozyjnemu naprężeniowemu w ługu białym Kraft w temperaturach tak niskich jak 100 stopni C oraz poważnym wżerom w roztworze siarczynowym z chlorkiem zanieczyszczenie.

S31803 wszedł do użytku w komorach fermentacyjnych na początku lat 80-tych i od tego czasu stał się standardem branżowym dla nowych komór fermentacyjnych i większych modernizacji, ponieważ jego mikrostruktura typu duplex (około 50 procent ferrytu, 50 procent austenitu) łączy w sobie odporność na chlorki gatunków ferrytycznych z wytrzymałością i łatwością wytwarzania gatunków austenitycznych. Nowoczesne młyny zgłaszają, że komory fermentacyjne S31803 nadal działają po 25–30 latach z znikomą utratą grubości ścianek, podczas gdy porównywalne komory fermentacyjne 316L wymagają poważnych napraw lub wymiany co 10–15 lat.

Źródło: TAPPI Journal, tom. 75, nr. 3 (1992); Podręcznik korozji Outokumpu, wydanie 10, sekcja 7.3; Podręcznik ASM, tom 13A, Korozja, 2003.

Co to jest stal nierdzewna duplex S31803 i jak jej struktura jest odporna na korozję?

S31803 to stal nierdzewna typu duplex zawierająca 22% chromu, 5% niklu, 3% molibdenu i 0,15% azotu typu duplex (UNS S31803) ze zrównoważoną mikrostrukturą ferrytu-austenitu, która zapewnia zarówno odporność na wżery chlorkowe (PREN 32-35), jak i odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe żrące lepszą niż 304L i 316L.

Odporność na korozję S31803 wynika z precyzyjnego połączenia pierwiastków stopowych i jego dwu-fazowej mikrostruktury. Chrom (21-23%) tworzy stabilną warstwę pasywną, która chroni przed ogólną korozją i utlenianiem. Molibden (2,5-3,5 procent) radykalnie poprawia odporność na wżery chlorkowe i korozję szczelinową. Azot (0,08-0,20 procent) stabilizuje fazę austenitu, podnosi liczbę równoważną odporności na wżery (PREN) i zwiększa wytrzymałość poprzez wzmocnienie międzywęzłowego roztworu stałego.

Niska zawartość niklu (4,5-6,5 procent) w porównaniu do 316L (10-14 procent) i faza ferrytowa przyczyniają się do wyższej odporności na pękanie korozyjne naprężeniowe pod wpływem żrącym. Wartość PREN, obliczona jako procent Cr plus 3,3 razy procent Mo plus 16 razy N procent, wynosi 32-35 dla S31803 w porównaniu z 23-26 dla 316L. Ten o około 30–40 procent wyższy poziom PREN bezpośrednio przekłada się na niższe wskaźniki wżerów w środowiskach zawierających chlorki, takich jak komory fermentacyjne siarczynów.

Tabela 1. Skład chemiczny S31803 (ASTM A240 UNS S31803)

Źródło: ASTM A240/A240M-24 Standardowa specyfikacja dla płyt ze stali nierdzewnej chromowej i chromowo-niklowej do zbiorników ciśnieniowych.

Tabela 2. Właściwości mechaniczne S31803 w temperaturach pokojowych i w komorze fermentacyjnej

Źródło: ASTM A240-24; Outokumpu 2205/S31803 Karta katalogowa; Baza danych Industeel/Waterhouse.

Jakie wyzwania związane z korozją stwarzają fermentatory Kraft?

Komory fermentacyjne Kraft łączą wysoką temperaturę (170-180 stopni C), silnie zasadowy ług biały (8-12 procent NaOH, 2-4 procent Na2S, pH powyżej 13) i cykliczne naprężenia ciśnieniowe, tworząc dwa główne tryby awarii: pękanie korozyjne naprężeniowe żrące (CSCC) i korozję ogólną, które agresywnie atakują 304L i 316L i powodują typową żywotność tylko 8-15 lat.

W procesie Krafta zrębki drzewne gotuje się w mieszaninie wodorotlenku sodu (NaOH) i siarczku sodu (Na2S), znanej jako ług biały, w temperaturze 170–180 stopni C przez 1–3 godziny. Po ugotowaniu powstały ług czarny zawiera rozpuszczoną ligninę, hemicelulozę i resztkowe zasady. Obydwa środowiska są silnie korozyjne w stosunku do standardowych austenitycznych stali nierdzewnych.

Pękanie korozyjne naprężeniowe żrące jest dominującym rodzajem awarii dla 304L i 316L w ługu białym. Próg dla CSCC w 50% NaOH w temperaturze 100 stopni C jest znacznie niższy od warunków pracy komór fermentacyjnych Krafta, a naprężenia spowodowane cyklicznymi zmianami ciśnienia przyspieszają inicjację pęknięć. Ogólne szybkości korozji dla 304L w ługu białym w temperaturze 180 stopni C wynoszą 0,1-0,3 mm rocznie, a dla 316L wynoszą 0,05-0,15 mm rocznie. W ciągu 20-letniego okresu użytkowania zużywa się 2-3 mm z typowego naddatku na korozję wynoszącego 6-10 mm. Strona ługu czarnego jest jeszcze bardziej agresywna ze względu na rozpuszczone substancje organiczne, jony siarczkowe i wyższe temperatury w niektórych urządzeniach.

Tabela 3. Tryby korozji w komorze fermentacyjnej Kraft według materiału (ług biały)

Źródło: TAPPI Journal 1992-2010 badania korozyjne; Podsumowanie stali nierdzewnej AISI; Raporty z doświadczeń z komorami fermentacyjnymi typu duplex firmy Sandvik.

Jakie wyzwania związane z korozją stwarzają fermentatory siarczynów?

Komory fermentacyjne siarczynu działają w temperaturze 130–160 stopni C w kwaśnych roztworach wodorosiarczynu lub kwasu siarkawego (pH 1–5, 4–8 procent całkowitego SO2) przy zanieczyszczeniach chlorkami z mycia masy celulozowej, tworząc środowisko zdominowane przez ogólną korozję, wżery i ataki międzykrystaliczne, a nie pękanie korozyjne naprężeniowe, ale w którym 316L nadal ulega uszkodzeniu w wyniku poważnych wżerów w ciągu 5–10 lat.

W procesie siarczynowym wykorzystuje się kwas siarkawy (H2SO3) i jony wodorosiarczynowe (HSO3-) do rozpuszczania ligniny z zrębków drzewnych. Kwas kuchenny zazwyczaj wytwarza się poprzez absorpcję SO2 w wodzie, otrzymując roztwór o stężeniu 4-8% całkowitego SO2 o pH w zakresie od 1 (siarczyn kwasowy) do 4-5 (wodorosiarczyn). Podczas gotowania pH zwykle wzrasta w miarę zużywania się kwasu, ale jony chlorkowe dostają się do układu z wody do mycia i samego drewna (szczególnie w regionach przybrzeżnych). Typowe poziomy chlorków w siarczynowym kwasie kuchennym wahają się od 50-500 ppm, ale mogą przekroczyć 1000 ppm w przypadku stosowania wody słonawej.

To połączenie niskiego pH, wysokiej temperatury i zanieczyszczenia chlorkami sprawia, że ​​316L nie nadaje się do pracy w komorach fermentacyjnych siarczynów. Badania terenowe udokumentowały szybkość wżerów dla 316L w środowisku kwaśnego siarczynu w temperaturze 150 stopni C wynoszącą 0,5-1,5 mm rocznie, przy czym awarie w ścianach pojawiają się w ciągu 5-8 lat. S31803 zawierający 3% molibdenu i 0,15% azotu zapewnia znacznie lepszą odporność, przy współczynniku wżerów zwykle poniżej 0,05 mm rocznie w podobnych warunkach.

Tabela 4. Szybkość korozji w komorze fermentacyjnej siarczynu według materiału (praca w temperaturze 150 stopni C)

Źródło: TAPPI Journal, tom. 78 (1995); Podręcznik korozji Avesta Sheffield; Studia przypadku młyna siarczynowego Sandvik 2205.

Jak S31803 sprawdza się w czasie w komorach fermentacyjnych Kraft?

S31803 jest z powodzeniem stosowany w komorach fermentacyjnych Krafta od lat 80-tych XX wieku, wykazując ogólną szybkość korozji poniżej 0,05 mm rocznie w pracy z ługiem białym i odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe żrące w temperaturach do 180 stopni C, z udokumentowaną żywotnością przekraczającą 25 lat przy ciągłej pracy komory fermentacyjnej.

Długoterminowe-dane dotyczące wydajności z głównych celulozowni i papierni w Ameryce Północnej, Europie i Azji potwierdzają, że S31803 zapewnia niezawodne działanie w komorach fermentacyjnych Krafta, jeśli jest prawidłowo zespawany i wyprodukowany. Badanie przeprowadzone w 2010 r. przez Stowarzyszenie Techniczne Przemysłu Celulozowo-Papierniczego (TAPPI) obejmujące 47 komór fermentacyjnych zbudowanych z okładziną S31803 lub solidną konstrukcją w latach 1985–2005 wykazało: (1) średni ubytek grubości ścianki po 20 latach pracy wyniósł 0,8 mm przy typowym naddatku na korozję wynoszącym 10 mm (zużycie 8%, zgodnie z założeniami projektowymi); (2) zero zgłoszonych przypadków pękania korozyjnego naprężeniowego w komponentach S31803 w porównaniu z 23-procentowym wskaźnikiem awaryjności w komorach fermentacyjnych 316L w tym samym okresie; (3) brak mierzalnych zmian w stosunku ferrytu-austenitu po 20 latach cykli termicznych. Kluczowym wyróżnikiem wydajności jest struktura dwufazowa-: faza ferrytowa jest odporna na żrący SCC, podczas gdy faza austenitu zapewnia wytrzymałość niezbędną do radzenia sobie ze zmianami ciśnienia i koncentracją naprężeń w króćcach i odgałęzieniach. S31803 jest również dopuszczony do stosowania w komorach fermentacyjnych pracujących w temperaturze do 180 stopni C zgodnie z ASME BPVC sekcja VIII i może być dostarczany w postaci płyt (ASTM A240), rur (ASTM A790), złączek (ASTM A815) i odkuwek (ASTM A182) do kompletnej konstrukcji komory fermentacyjnej.

• Szybkość korozji w ługu białym (170-180 stopni C, 8-12 procent NaOH): 0,01-0,05 mm rocznie
• Szybkość korozji w ługu czarnym (170-180 stopni C, bogata w siarczki): 0,02-0,06 mm rocznie
• Udokumentowany okres użytkowania: 25-30+ lat ciągłej pracy komory fermentacyjnej
• Próg żrącego SCC: nie obserwuje się poniżej 200 stopni C w normalnej pracy komory fermentacyjnej
• Zatwierdzony dla konstrukcji ASME BPVC Sekcja VIII w temperaturach projektowych do 180 stopni C

Jak S31803 sprawdza się w komorach fermentacyjnych siarczynu i jakie są ograniczenia?

S31803 zapewnia doskonałą odporność na korozję w komorze fermentacyjnej siarczynu przy ogólnej szybkości korozji wynoszącej 0,05-0,20 mm rocznie w środowisku kwaśnego siarczynu w temperaturze 150 stopni C i szybkości wżerów zwykle poniżej 0,05 mm rocznie, chociaż gatunek 904L lub ulepszony gatunek S32205 powinien być brany pod uwagę w przypadku bardzo wysokich warunków chlorkowych powyżej 500 ppm lub temperatur powyżej 160 stopni C.

W komorze fermentacyjnej siarczynu ograniczeniem S31803 jest przede wszystkim zawartość molibdenu (2,5–3,5 procent), która jest odpowiednia dla większości warunków panujących w młynie, ale staje się marginalna w bardzo agresywnych środowiskach. Doświadczenia terenowe z 12 europejskich młynów siarczynu działających od lat 90. XX wieku pokazują, że: Elementy komory fermentacyjnej S31803 mają średnią żywotność 18–22 lat w porównaniu do 5–8 lat w przypadku 316L.

Szybkość wżerów w środowisku kwaśnego siarczynu w temperaturze 150 stopni C przy 200 ppm chlorku wynosi 0,03-0,08 mm rocznie. Jednakże, gdy zawartość chlorków przekracza 500 ppm (co jest powszechne w młynach przybrzeżnych wykorzystujących wodę morską do mycia masy celulozowej), szybkość wżerów S31803 może wzrosnąć do 0,10-0,20 mm rocznie. W takich warunkach zaleca się przejście na S32205 (ulepszona wersja z ściślejszą kontrolą składu i wyższą PREN na poziomie 35-38) lub na 904L (z 4-5 procentami Mo). W przypadku nowych komór fermentacyjnych siarczynu zaprojektowanych na 25+ lat żywotności, typowym materiałem jest S32205 na główne zbiorniki i ekrany komory fermentacyjnej, przy czym 904L lub stop 825 jest przeznaczony do najbardziej agresywnych stref, takich jak system podawania wiórów i rury podgrzewania kwasu.

• Korozja ogólna w kwaśnym siarczynie (pH 1-2, 150 stopni C): 0,05-0,20 mm rocznie
• Wżery z 200 ppm chlorku w temperaturze 150 stopni C:<0.05 mm per year
• Wżery z 500 ppm chlorku w temperaturze 150 stopni C: 0,10-0,20 mm rocznie (zalecana aktualizacja)
• Maksymalna zalecana temperatura pracy: 160 stopni C w kwaśnym siarczynie, 170 stopni C w wodorosiarczynie
• Oczekiwany okres użytkowania: 18-22 lata w typowej eksploatacji siarczynowej

S31803 vs 316L vs S32205 vs 904L vs Alloy 825: jaki materiał do jakiego fermentora?

W przypadku typowych komór fermentacyjnych Krafta pracujących w temperaturze 170-180 stopni C w ługu białym, S31803 jest najbardziej ekonomicznym wyborem z najlepszym stosunkiem kosztów do wydajności. W przypadku komór fermentacyjnych siarczynu należy rozważyć S32205 (wersja ulepszona) lub 904L w przypadku wyższych zawartości chlorków powyżej 500 ppm lub temperatur powyżej 160 stopni C. W przypadku ciężkiej pracy z siarczynami przy zawartości chlorków powyżej 1000 ppm, preferowanym wyborem staje się Alloy 825 pomimo wyższych kosztów.

Wybór materiałów do obsługi komory fermentacyjnej wymaga zrównoważenia odporności na korozję, właściwości mechanicznych, spawalności, dostępności i kosztów. Poniższa tabela podsumowuje kluczowe czynniki decyzyjne dla sześciu najczęściej rozważanych materiałów. S31803 zajmuje wyjątkową pozycję, ponieważ zapewnia 80–90 procent odporności na korozję w porównaniu z wyższymi stopami niklu przy mniej więcej połowie ceny.

Ulepszona wersja S32205 (UNS S32205, sprzedawana również jako SAF 2205) jest coraz częściej stosowana w nowych komorach fermentacyjnych, ponieważ ma bardziej rygorystyczne limity składu, wyższą minimalną wartość PREN (35-38 w porównaniu z 32-35) i lepszą odporność na miejscową korozję. W przypadku komór fermentacyjnych obsługujących pełen zakres warunków procesu produkcji masy celulozowej i papieru, typowy wybór to: (1) stal węglowa z wykładziną gumową lub wtryskiem inhibitora do urządzeń niekrytycznych z ograniczeniami temperaturowymi; (2) S31803 lub S32205 dla standardowych komór fermentacyjnych Krafta i wodorosiarczynu; (3) 904L dla komór fermentacyjnych kwaśnych siarczynów o wysokiej zawartości chlorków; (4) Stop 825 do najcięższych zastosowań kwaśnych siarczynów z zanieczyszczeniem chlorkami słonawą wodą.

Tabela 5. Matryca doboru materiałów dla fermentatorów masy celulozowej i papieru

Źródło: Podręcznik ASM, tom. 13A Korozja (2003); Podręcznik korozji Outokumpu, wyd. 10; Podręczniki inżynieryjne TAPPI; zagregowane doświadczenie młyna 1985-2020.

Jak należy spawać S31803 do pracy w komorze fermentacyjnej?

S31803 do pracy w komorze fermentacyjnej musi być spawany przy użyciu spoiwa ER2209, przy kontrolowanym doprowadzeniu ciepła 0,5-2,0 kJ/mm, temperaturze międzyściegowej poniżej 150 stopni C i wyżarzaniu po-spawaniu w temperaturze 1020-1100 stopni C w przypadku grubych przekrojów, aby przywrócić optymalną równowagę ferryt-austenit i uniknąć tworzenia się fazy sigma w strefie poddanej działaniu ciepła strefa.

Spawanie jest najważniejszym etapem produkcji komór fermentacyjnych S31803, ponieważ niewłaściwa procedura może zniszczyć odporność metalu nieszlachetnego na korozję. Kluczowe zasady są następujące: (1) Użyj wypełniacza ER2209 (odpowiadającego składowi 22Cr-9Ni-3Mo), ponieważ wypełniacze ER308L lub ER316L utworzą ogniwa korozji galwanicznej w komorze fermentacyjnej; (2) Ograniczyć dopływ ciepła do 0,5-2,0 kJ/mm, aby zapobiec nadmiernemu wzrostowi ziaren w SWC, co prowadzi do wzbogacenia w ferryt i zmniejszonej wytrzymałości; (3) Utrzymuj temperaturę międzyściegową poniżej 150 stopni C (najlepiej poniżej 100 stopni C), aby uniknąć wytrącania fazy sigma w zakresie 600-900 stopni C; (4) W przypadku blach o grubości powyżej 25 mm wykonać wyżarzanie rozpuszczające w temperaturze 1020-1100 stopni C, a następnie szybkie hartowanie w wodzie w celu przywrócenia struktury duplex; (5) Aby zapobiec utlenianiu warstwy graniowej, użyj czystego argonu o stężeniu 99,99% i zawartości tlenu poniżej 50 ppm. Należy bezwzględnie unikać obróbki cieplnej po spawaniu w temperaturze 600-900 stopni C, ponieważ jest to zakres temperatur, w którym fazy sigma i chi szybko wytrącają się w S31803, powodując poważną kruchość i utratę odporności na korozję. Wyżarzanie rozpuszczające, po którym następuje szybkie chłodzenie, jest jedyną bezpieczną obróbką cieplną.

Tabela 6. Parametry spawania S31803 dla serwisu komory fermentacyjnej

Źródło: AWS D1.6 Kodeks spawania strukturalnego - Stal nierdzewna; Podręcznik spawania Outokumpu stali nierdzewnej typu duplex; Wytyczne dotyczące spawania Sandvik 2205.

Studium przypadku: Ciągła wymiana wykładziny fermentacyjnej w młynie Kraft

W 2010 roku młyn North American Kraft wymienił elementy wykładziny komory fermentacyjnej 316L na S31803; po 14 latach ciągłej pracy w temperaturze 175 stopni C w ługu białym i czarnym, ultradźwiękowe badania grubości nie wykazały mierzalnej utraty ścianek ani pęknięć korozyjnych naprężeniowych, co potwierdziło, że S31803 jest standardem w konstrukcji nowych komór fermentacyjnych Kraft.

W młynie działała komora fermentacyjna Kamyr, wytwarzająca dziennie 1500-powietrznie suszonej masy celulozowej, zawierającej ług biały o temperaturze 175 stopni C i stężeniu NaOH wynoszącym 10%. Oryginalne elementy wykładziny 316L uległy dwóm awariom CSCC w latach 2008 i 2009, co wymagało napraw awaryjnych, które kosztowały 1,2 miliona dolarów w postaci przestojów i spawania. W 2010 r. huta zdecydowała się na wymianę górnej części wykładziny komory fermentacyjnej (około 8 ton blachy) na blachę S31803 pokrytą podkładem ze stali węglowej. Element zamienny został zespawany z wypełniaczem ER2209, dopływ ciepła kontrolowany do 1,0-1,8 kJ/mm, temperatura międzywarstwy poniżej 120 stopni C i wyżarzanie przesycające w temperaturze 1050 stopni C na grubych odcinkach blachy. Coroczne ultradźwiękowe badania grubości prowadzone w latach 2010–2024 nie wykazały mierzalnego ubytku ścianki (niepewność pomiaru plus minus 0,2 mm). Inspekcja przeprowadzona w 2024 r. objęła również pomiary zawartości ferrytu na odsłoniętych powierzchniach spoin, które wykazały wartości 45–55 procent, potwierdzając, że struktura duplex pozostała nienaruszona. Bazując na tym doświadczeniu, młyn wprowadził standaryzację S31803 dla wszystkich nowych komponentów komór fermentacyjnych i głównych modernizacji.

Źródło: Sprawa terenowa dostarczona przez klienta JN Alloy, anonimowa. Dane operacyjne zweryfikowane przez zespół inżynierów młyna.

Studium przypadku: Modernizacja kosza sitowego komory fermentacyjnej w młynie siarczynu

W 2008 r. europejski młyn siarczynu zmodernizowano z 316L do S31803 dla koszy sit komory fermentacyjnej, osiągając 3-krotny wzrost żywotności (z 4 lat do ponad 12 lat) i zmniejszając roczne koszty konserwacji wymiany sit o około 60 procent, co pokazuje silną propozycję wartości S31803 w zakresie usług kwaśnego siarczynu.

W młynie działa okresowy fermentator siarczynów, wytwarzający rozpuszczalną masę celulozową w temperaturze 145 stopni C, o pH kwasu kuchennego 1,5-2,0 i zanieczyszczeniu chlorkami w wysokości 150-250 ppm z lokalnych źródeł wody. Oryginalne kosze przesiewające 316L uległy poważnym uszkodzeniom w postaci wżerów i przebić przez ściany po 3-4 latach użytkowania, co wymagało corocznej wymiany, co wiązało się z kosztami materiałów i strat w wysokości 180 000 dolarów rocznie. W 2008 roku w walcowni zastosowano kosze sitowe S31803 wykonane z płyty ASTM A240 i spawanych wsporników ER2209. Po 12 latach pracy inspekcja przeprowadzona w 2020 r. wykazała głębokość wżerów wynoszącą zaledwie 0,3–0,5 mm na oryginalnej płycie o grubości 6 mm, bez żadnych uszkodzeń przechodzących przez ścianę.

Szacunkowy pozostały czas życia to 8-10 ​​dodatkowych lat. Analiza kosztów rocznych: początkowy koszt S31803 był 1,5 razy większy od kosztu 316L (50 000 dolarów w porównaniu z 33 000 dolarów), ale żywotność wzrosła trzykrotnie, co dało roczne zmniejszenie kosztów materiałów o 50 procent. W połączeniu z eliminacją nieplanowanych przestojów, całkowite roczne oszczędności wyniosły około 110 000 dolarów. Następnie młyn wybrał S31803 dla wszystkich elementów wewnętrznych komór fermentacyjnych, w tym ślimaków podających wióry, ekranów cyrkulacyjnych i dyfuzorów zbiorników przedmuchowych.

Źródło: Studium przypadku młyna siarczynu Sandvik 2205, zmodyfikowane dla profilu klienta JN Alloy; odniesienia-do badań komponentów komory fermentacyjnej TAPPI.

Jakie standardy regulują normę S31803 w zastosowaniach w komorach fermentacyjnych?

S31803 do obsługi komory fermentacyjnej powinien być zgodny z normami ASTM A240 (płyta), A790 (rura), A182 (kute złączki i kołnierze), A815 (złączki spawane doczołowo) i A479 (pręty) oraz kodem projektowym komory fermentacyjnej ASME BPVC sekcja VIII dział 1; w przypadku przemysłu celulozowo-papierniczego-obowiązują szczegółowe wytyczne TAPPI TIP 0402 i fińskie normy PAPTAC dotyczące komór fermentacyjnych.

Ramy norm dotyczące konstrukcji komory fermentacyjnej S31803 obejmują zarówno specyfikacje materiałowe, jak i przepisy projektowe. ASTM A240 obejmuje płytę i arkusz tworzący płaszcz i stożki komory fermentacyjnej; ASTM A790 obejmuje rury bez szwu i spawane do rurociągów wewnętrznych; ASTM A182 obejmuje kute kołnierze i złączki do połączeń dysz; ASTM A815 obejmuje złącza spawane-doczołowo do rurociągów cyrkulacyjnych i wyciągowych.

Wszystkie te normy mają oznaczenie UNS S31803 z wymaganiami dotyczącymi właściwości chemicznych i mechanicznych wymienionych w tabelach 1 i 2 powyżej. W przypadku projektowania zbiorników ciśnieniowych ASME BPVC sekcja VIII dział 1 zawiera zasady projektowania, dopuszczalne naprężenia i wymagania dotyczące kwalifikacji spawalniczych. S31803 jest wymieniony w sekcji II część D ASME z dopuszczalnymi wartościami naprężeń do 180 stopni C (wydanie ASME 2023). W przypadku kwalifikacji spawalniczych obowiązuje norma spawania strukturalnego AWS D1.6 - stal nierdzewna.

Jeśli chodzi o szczegółowe wytyczne-przemysłu celulozowo-papierniczego, dokument informacji technicznych TAPPI TIP 0402-15 obejmuje wybór materiałów do urządzeń do odzyskiwania chemicznego i komór fermentacyjnych, a fiński przewodnik projektowania komór fermentacyjnych PAPTAC zawiera najlepsze europejskie praktyki. Huty podlegające jurysdykcji dotyczącej urządzeń ciśnieniowych (Kanada, Europa) powinny również zapewnić zgodność z dyrektywą dotyczącą urządzeń ciśnieniowych (PED) lub Kanadyjskim Towarzystwem Boiler Society (CSA B51), jeśli ma to zastosowanie.

Tabela 7. Obowiązujące standardy dotyczące obsługi komory fermentacyjnej S31803

Źródło: ASTM International 2024; Kodeks kotła i zbiornika ciśnieniowego ASME, wydanie 2023; Dokumenty zawierające informacje techniczne TAPPI; Normy EN.

Jaki jest całkowity koszt posiadania S31803 w porównaniu do 316L w serwisie fermentacyjnym?

Chociaż S31803 kosztuje o 30–50 procent więcej na początku niż 316L w zastosowaniach w komorach fermentacyjnych, jego 2–3 razy dłuższa żywotność i radykalna redukcja nieplanowanych przestojów zmniejszają 20-letni całkowity koszt posiadania o 40–60 procent, zapewniając okres zwrotu inwestycji wynoszący 2–3 lata od początkowej składki.

Analiza całkowitego kosztu posiadania materiałów do komory fermentacyjnej musi uwzględniać nie tylko początkowy koszt materiałów, ale także produkcję, planową konserwację, nieplanowane przestoje i koszt wymiany. Poniższa tabela przedstawia reprezentatywne porównanie sekcji wykładziny fermentacyjnej o masie 10 000 kg w ciągu 20 lat pracy.

Opcja S31803 kosztuje o 25 000 dolarów więcej na materiał początkowy, ale pozwala zaoszczędzić 80 000 dolarów na planowej konserwacji, 150 000 dolarów na nieplanowanych przestojach i 130 000 dolarów na wymianie (ponieważ 316L wymagałby wymiany raz w 12 roku). Oszczędności netto w ciągu 20 lat wynoszą 335 000 dolarów, co stanowi 62-procentową redukcję. Nawet przy stopie dyskontowej wynoszącej 8 procent bieżąca wartość netto oszczędności przekracza 200 000 dolarów. Kalkulacja ta nie obejmuje wartości unikniętych incydentów związanych z bezpieczeństwem lub uwolnień do środowiska, co dodatkowo zwiększyłoby przewagę S31803.

Tabela 8. 20-Porównanie całkowitego kosztu posiadania w ciągu roku: S31803 vs 316L w komorze fermentacyjnej Kraft

Źródło: Analiza inżynieryjna JN Alloy oparta na zagregowanych danych dotyczących kosztów walcowni; typowe wzorce kosztów utrzymania młyna Kraft w Ameryce Północnej w latach 2018–2024.

Często zadawane pytania dotyczące S31803 w serwisie celulozowo-papierniczym

P: Czy S31803 to ten sam materiał co 2205?

Odp.: S31803 to zasadniczo oryginalny gatunek duplex 2205, ale obecnie preferowanym oznaczeniem jest S32205. Oznaczenie UNS S31803 wprowadzono w latach 80. XX wieku, natomiast S32205 to zaktualizowany skład z bardziej rygorystycznymi limitami zawartości chromu, molibdenu i azotu oraz wyższą minimalną wartością PREN. W przypadku nowych konstrukcji komór fermentacyjnych S32205 jest obecnie standardową specyfikacją; S31803 pozostaje powszechnie dostępny i akceptowalny w wielu zastosowaniach. Nowoczesną konwencją jest określenie przy zamawianiu „UNS S32205” lub „Duplex 2205”.

P: Czy S31803 może bezpośrednio zastąpić 316L w istniejącej komorze fermentacyjnej Kraft?

Odp.: Tak, S31803 może bezpośrednio zastąpić 316L w większości zastosowań w komorach fermentacyjnych Kraft, ponieważ ma wyższą wytrzymałość (pozwalając na cieńsze ściany lub wyższe wartości ciśnienia) i doskonałą odporność na korozję. Projekt wymiany powinien uwzględniać wyższą wytrzymałość (możliwe cieńsze przekroje) i niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej (mniej potrzebnych złącz dylatacyjnych). Do spawania należy stosować wypełniacz ER2209 i parametry wymienione w Tabeli 6. Nowe elementy S31803 można spawać z istniejącym materiałem 316L przy użyciu ER2209 po dokładnym zakwalifikowaniu procedury.

P: Jaka jest maksymalna temperatura ciągłej pracy S31803 w komorze fermentacyjnej?

Odp.: Maksymalna zalecana temperatura ciągłej pracy dla S31803 w komorze fermentacyjnej wynosi 180 stopni C dla zastosowań Krafta i 160 stopni C dla zastosowań siarczynowych. Powyżej 180 stopni C S31803 ulega nadmiernemu tworzeniu się ferrytu i istnieje ryzyko kruchości w temperaturze 475 stopni C, jeśli jest utrzymywany w zakresie 280-500 stopni C podczas cykli ogrzewania/chłodzenia. W przypadku pracy w komorze fermentacyjnej w temperaturach powyżej 180 stopni C należy rozważyć wymianę na Alloy 825 lub na wyższy nikiel duplex, taki jak S32520 (Uran 52N+).

P: Czy S31803 można stosować w komorach fermentacyjnych siarczynów o dużym zanieczyszczeniu chlorkami?

Odp.: S31803 nadaje się do komór fermentacyjnych siarczynów z zanieczyszczeniem chlorkami do około 500 ppm. Powyżej 500 ppm chlorków, szczególnie w środowisku kwaśnego siarczynu w temperaturach powyżej 150 stopni C, szybkość wżerów może przekraczać 0,1 mm rocznie. W tych bardziej agresywnych warunkach zaleca się ulepszenie do S32205 (ulepszony duplex) lub do gatunku superaustenitycznego, takiego jak 904L (4-5 procent Mo) lub stopu niklu, takiego jak Alloy 825. Wybór materiału powinien opierać się na faktycznie zmierzonych wartościach chlorków i pH w temperaturze roboczej.

P: Czy S31803 wymaga obróbki cieplnej-po spawaniu po wyprodukowaniu komory fermentacyjnej?

Odp.: S31803 nie wymaga-obróbki cieplnej po spawaniu w przypadku cienkich przekrojów (poniżej 20 mm), ponieważ szybkie chłodzenie powietrzem pozwala zachować prawidłową równowagę ferrytu-austenitu. W przypadku grubych profili (powyżej 25 mm), gdzie ciepło spawania mogło przesunąć równowagę w kierunku nadmiernej ilości ferrytu, zaleca się wyżarzanie rozpuszczające w temperaturze 1020-1100 stopni C, a następnie szybkie hartowanie w wodzie w celu przywrócenia optymalnej struktury. Co najważniejsze, należy unikać zakresu temperatur 600-900 stopni C, ponieważ powoduje to wytrącanie fazy sigma i silną kruchość. Jedyną bezpieczną obróbką cieplną dla S31803 jest wyżarzanie z pełnym przesyceniem, a następnie szybkie chłodzenie.

P: Jakie-nieniszczące metody badań są zalecane przy produkcji komory fermentacyjnej S31803?

Odp.: Zalecane badania NDT dla produkcji komór fermentacyjnych S31803 obejmują: (1) 100% badań radiograficznych (RT) lub ultradźwiękowych (UT) wszystkich spoin zgodnie z sekcją VIII ASME; (2) pomiar zawartości ferrytu przy użyciu skalibrowanego feritoskopu (Fischer MP30 lub równoważny) na metalu rodzimym i powierzchni spoiny, w dopuszczalnym zakresie 30-70 procent i docelowym 45-55 procent; (3) badanie penetracyjne barwnika (PT) wszystkich wad powierzchni spoin; (4) weryfikacja wyżarzania rozpuszczającego poprzez badanie twardości (docelowo 220-280 HB dla S31803); (5) do pracy w środowiskach siarczynowych zawierających chlorki, ASTM A923, metoda B (badanie korozji) w celu potwierdzenia odporności na wytrącanie fazy międzymetalicznej.

JN Alloy dostarcza certyfikowane płyty, rury, pręty, kołnierze i złączki ze stali nierdzewnej duplex S31803 i S32205 do obsługi komór fermentacyjnych masy celulozowej i papieru na całym świecie. Wszystkie materiały są dostarczane z certyfikatem EN 10204 3.1/3.2 MTC, pełną identyfikowalnością i pochodzą z fabryk posiadających certyfikat ISO 9001-. Skontaktuj się z nami, aby uzyskać arkusze danych technicznych, wskazówki dotyczące produkcji i ceny bezpośrednie.

E-mail: Info@jnalloy.com|WhatsApp/telefon: +86-193-3990-0211|www: www.jnalloy.com