À quelle combinaison spécifique de concentration caustique et de température de surface de la gaine une gaine en acier inoxydable 316 de 1,2 millimètre subit-elle une fissuration par corrosion sous contrainte caustique dans le service de chauffage du digesteur de l'industrie des pâtes et papiers ?

Le recours à des ingénieurs de procédés responsables des thermoplongeurs électriques dans les digesteurs de pâtes et papiers, la combinaison d'hydroxyde de sodium et de sulfure de sodium à des températures élevées produit un environnement dans lequel la fissuration par corrosion sous contrainte caustique est la principale cause de défaillance. La fissuration caustique crée des fissures intergranulaires fragiles qui peuvent pénétrer dans une gaine de 316 de 1,2 mm en quelques semaines avec peu d'avertissements évidents, contrairement aux piqûres ou à la corrosion ordinaire. Le processus de pâte kraft utilise une liqueur blanche contenant 15 à 20 % de NaOH et 5 à 10 % de Na₂S à des températures de 150 à 170 degrés. Ces réchauffeurs ont généralement une épaisseur de paroi de 1,2 mm en raison de l'espace limité dans les cuves du digesteur. L'article identifie la combinaison particulière de concentration caustique et de température de surface de la gaine à laquelle une gaine 316 de 1,2 mm développera une fissuration par corrosion sous contrainte caustique en 1 000 heures de service continu.

Mécanisme de fissuration par corrosion sous contrainte caustique dans 316
La fissuration par corrosion sous contrainte caustique de l'acier inoxydable 316 nécessite trois conditions : une concentration caustique supérieure à une valeur seuil, une température supérieure au seuil de fissuration et une contrainte de traction. La méthode de sertissage utilisée pour compacter l'isolant MgO crée d'importantes contraintes de traction résiduelles sur la surface intérieure de la gaine-généralement 150-250 MPa pour un mur de 1,2 mm. Ces contraintes résiduelles sont à l'origine des contraintes de traction nécessaires à la fissuration. La concentration caustique pour le craquage du 316 à 150°C est d'environ 5 % de NaOH. La température seuil est abaissée à 130 °C à 10 % de NaOH. La fissuration à 15 % de NaOH est supérieure à 110 degrés. Craquage à 20% NaOH sur 100°C. Les conditions dans la liqueur blanche (15 à 20 % de NaOH, 150 à 170 degrés) sont bien supérieures au seuil de craquage. Les fissures dans une gaine 316 de 1,2 mm débutent normalement au niveau de la surface interne, là où les contraintes résiduelles sont les plus élevées après 100 à 500 h d'exposition. Une fois établies, les fissures se propagent à un rythme de 0,1 à 1,0 mm par semaine, pénétrant dans la paroi de 1,2 mm en 1 à 3 mois.

Gaine 1.2 Seuils critiques de fissuration pour 1.2
D'après des tests en laboratoire de 316 échantillons de gaine emboutis dans un simulant de liqueur blanche et une analyse de défaillance sur le terrain dans les digesteurs d'usines de pâte à papier, les combinaisons suivantes de concentration caustique et de température de surface de la gaine entraînent une fissuration par corrosion sous contrainte caustique dans un délai de 1 000 heures.

Concentration d'hydroxyde de sodium (% en poids) Concentration de sulfure de sodium (% en poids) Température critique d'apparition de la fissuration Délai d'apparition de la fissure à 150 °C Temps de surface de la gaine jusqu'à la fissure à travers-Fissure de la paroi (1,2 mm) à 150 °C 5 – 8 % 2 – 4 % 140 °C 800 – 1 200 heures 1 200 – 2 000 heures 8 – 10 % 4 – 6 % 130 °C 500 – 800 heures 800 – 1 500 heures 10 – 12 % 5 – 7 % 120 °C 300 – 500 heures 500 – 1 000 heures
12 – 15 % 6 – 8 % 115 degrés 200 – 400 heures 400 – 800 heures 15 – 18 % 7 – 9 % 110 degrés 150 – 300 heures 300 – 600 heures
18 – 20 % 8 – 10 % 100 degrés 100 – 200 heures 200 – 400 heures
Plus de 20 % Plus de 10 % Moins de 100 degrés 50 – 150 heures 100 – 300 heures
Pour un digesteur kraft fonctionnant avec 16 % de NaOH à une température globale de 155 degrés, la température de la surface de la gaine est d'environ 155 à 160 degrés (en supposant une légère augmentation de température due à la faible densité de puissance dans les grands digesteurs). Cela dépasse le seuil de fissuration de 110°C et générerait des fissures en 150 à 300 heures. Une gaine de 1,2 mm se perforerait probablement après 1 à 2 mois de fonctionnement continu. L'expérience sur le terrain montre que les gaines des services de liqueur blanche se brisent généralement en 3 à 6 mois, la fissuration étant le mode de défaillance prédominant.

Enveloppe de fonctionnement sûre pour gaine de 1,2 mm en service caustique
Le tableau ci-dessous répertorie la concentration caustique maximale sûre pour une gaine 316 de 1,2 mm à différentes températures de surface de la gaine afin d'éviter la fissuration par corrosion sous contrainte caustique tout au long d'une durée de vie de 1 000 heures. Les valeurs supposent des contraintes de traction résiduelles après le sertissage, qui ne peuvent pas être réduites sans un recuit post--estampage.

Température de surface de la gaine Concentration maximale sûre de NaOH pour éviter la fissuration (sans sulfure) Concentration maximale sûre de NaOH avec 5 % de Na2S Temps prévu jusqu'à la fissuration à la concentration maximale sûre Action recommandée 80 °C 20 % 15 % 2 000 – 3 000 heures Marginal pour un service continu 90 °C 15 % 12 % 1 500 – 2 500 heures Durée de vie limitée 100 °C 12 % 10 % 1 000 – 2 000 heures 316 non recommandé 110 °C 10 % 8 % 800 – 1 500 heures Utiliser un recuit ou une amélioration de l'alliage 120 °C 8 % 6 % 500 – 1 000 heures Amélioration de l'alliage requise 130 °C 6 % 4 % 300 – 800 heures Amélioration de l'alliage obligatoire 140°C 4% 2% 200 – 500 heures 316 inadapté
Au-dessus de 150°C Non sûr Non sûrMoins de 200 heuresUtiliser un alliage de nickel
L’enveloppe de fonctionnement sûre pour une gaine 316 de 1,2 mm n’existe pas pour le service de digesteur de pâtes et papiers avec 16 % de NaOH à 155°C. La fissuration viendra certainement dans des semaines ou des mois. Les ingénieurs devront choisir un alliage plus durable.

Modifications de conception pour éviter les fissures caustiques
Lorsque la gaine du 316 doit être utilisée en service caustique, trois ajustements de conception peuvent prolonger la durée de vie, mais aucun ne rend le 316 fiable pour les conditions du digesteur kraft. L'étape initiale consiste à recuire après-emboutissage à 1 050 degrés pour éliminer les tensions de traction résiduelles. Le recuit réduit la contrainte résiduelle de la surface interne de 150 à 250 MPa à moins de 20 MPa, éliminant ainsi le composant de traction nécessaire à la fissuration. Le recuit d'une gaine 316 de 1,2 mm dans 16 % de NaOH à 150 °C peut prolonger sa durée de vie jusqu'à 3 à 6 mois, au lieu de 1 à 2 mois. La deuxième modification consiste à grenailler ou à traiter de manière compressive la surface extérieure. La couche de compression résiste à la propagation des fissures mais n'atténue pas les contraintes de traction sur la surface interne. Le dernier changement consiste à fonctionner à la température de surface de la gaine la plus basse possible en réduisant la densité en watts et en augmentant la circulation. Une diminution de 10 degrés de la température de surface double le temps nécessaire à l’initiation d’une fissure. Ces changements ne suffisent pas pour la plupart des applications de pâtes et papiers. L'alliage 625 ou l'alliage C-276 est le matériau typique pour les gaines de réchauffeurs de liqueur blanche. Ces alliages à base de nickel résistent à la fissuration par corrosion sous contrainte caustique à toutes les concentrations et températures observées dans les digesteurs. Une gaine en alliage 625 de 1,6 mm durera normalement 5 à 10 ans en service avec du white spirit, contre 2 à 6 mois pour 316. Le coût initial plus élevé est compensé par les économies de temps d'arrêt et de main d'œuvre de remplacement. Les ingénieurs sélectionnant des réchauffeurs pour le fonctionnement du digesteur ne doivent pas accepter le 316 pour toute application où la concentration caustique est supérieure à 10 % à des températures supérieures à 100 °C. Le coût d'une défaillance rapide par fissuration dans un digesteur sous pression, y compris la perte de produit, le refroidissement de la cuve et le remplacement, est nettement supérieur au coût supplémentaire d'un alliage à haute teneur en nickel. Si un fabricant recommande le 316 pour l'entretien avec du white spirit et ne parle pas de fissuration par corrosion sous contrainte caustique, il ne fournit pas de conseils d'ingénierie appropriés. Des fissures dans une gaine de 1,2 mm se développent rapidement et sans aucune trace apparente jusqu'à ce que la gaine fuie. La seule solution sûre est la prévention par le bon choix de l’alliage.