¿En qué combinación específica de concentración cáustica y temperatura de la superficie de la vaina una vaina de acero inoxidable 316 de 1,2 milímetros experimenta agrietamiento por corrosión bajo tensión cáustica en el servicio de calentador de digestor de la industria de pulpa y papel?

El uso de ingenieros de procesos responsables de calentadores eléctricos de inmersión en digestores de pulpa y papel, la combinación de hidróxido de sodio y sulfuro de sodio a temperaturas elevadas produce un ambiente en el que el agrietamiento por corrosión bajo tensión cáustica es la principal causa de falla. El agrietamiento cáustico crea un agrietamiento intergranular frágil que puede penetrar una vaina 316 de 1,2 mm en cuestión de semanas sin previo aviso, a diferencia de las picaduras o la corrosión ordinaria. El proceso de fabricación de pulpa kraft emplea licor blanco con 15 a 20 % de NaOH y 5 a 10 % de Na₂S a temperaturas de 150 a 170 grados. Estos calentadores tienen generalmente un espesor de pared de 1,2 mm debido al espacio limitado en los recipientes del digestor. El artículo identifica la combinación particular de concentración cáustica y temperatura de la superficie de la vaina a la cual una vaina 316 de 1,2 mm desarrollará grietas por corrosión bajo tensión cáustica en 1000 horas de servicio continuo.

Mecanismo de agrietamiento por corrosión bajo tensión cáustica en 316
El agrietamiento por corrosión bajo tensión cáustica del acero inoxidable 316 requiere tres condiciones: una concentración cáustica superior a un valor umbral, una temperatura superior al umbral de agrietamiento y una tensión de tracción. El método de estampado utilizado para compactar el aislamiento de MgO crea grandes tensiones de tracción residuales en la superficie interna de la funda-normalmente de 150 a 250 MPa para una pared de 1,2 mm. Estas tensiones residuales son la fuente de la tensión de tracción necesaria para el agrietamiento. La concentración cáustica para el craqueo en 316 a 150°C es aproximadamente 5% de NaOH. La temperatura umbral se reduce a 130°C con NaOH al 10%. El craqueo con NaOH al 15% está por encima de los 110 grados. Craqueo con NaOH al 20 % a más de 100 °C. Las condiciones del licor blanco (15 a 20 % de NaOH, 150 a 170 grados) están muy por encima del umbral de craqueo. Las grietas en una vaina 316 de 1,2 mm normalmente se inician en la superficie interna donde las tensiones residuales son mayores después de 100 a 500 h de exposición. Una vez establecidas, las grietas se propagan a un ritmo de 0,1 a 1,0 mm por semana y penetran la pared de 1,2 mm en 1 a 3 meses.

Funda 1.2 Umbrales críticos de agrietamiento para 1.2
Según las pruebas de laboratorio de muestras de vaina 316 estampadas en un simulador de licor blanco y análisis de fallas en campo de digestores de plantas de pulpa, las siguientes combinaciones de concentración cáustica y temperatura de la superficie de la vaina dan como resultado agrietamiento por corrosión bajo tensión cáustica dentro de 1000 horas.

Concentración de hidróxido de sodio (% en peso) Concentración de sulfuro de sodio (% en peso) Temperatura crítica para el inicio del agrietamiento Tiempo hasta el inicio del agrietamiento a 150 °C Tiempo en la superficie de la vaina hasta la grieta a través de la pared (1,2 mm) a 150 °C 5 – 8 % 2 – 4 % 140 °C 800 – 1200 horas 1200 – 2000 horas 8 – 10% 4 – 6% 130°C 500 – 800 horas 800 – 1.500 horas 10 – 12% 5 – 7% 120°C 300 – 500 horas 500 – 1.000 horas
12 – 15 % 6 – 8 % 115 grados 200 – 400 horas 400 – 800 horas 15 – 18 % 7 – 9 % 110 grados 150 – 300 horas 300 – 600 horas
18 – 20 % 8 – 10 % 100 grados 100 – 200 horas 200 – 400 horas
Más del 20 % Más del 10 % Menos de 100 grados 50 – 150 horas 100 – 300 horas
Para un digestor kraft que trabaja con NaOH al 16% a una temperatura total de 155 grados, la temperatura de la superficie de la vaina es aproximadamente de 155 a 160 grados (suponiendo un pequeño aumento de temperatura debido a la baja densidad de vatios en digestores grandes). Esto está por encima del umbral de agrietamiento de 110 °C y generaría grietas en 150 a 300 horas. Una vaina de 1,2 mm probablemente se perforaría después de 1 a 2 meses de funcionamiento continuo. La experiencia de campo muestra que las fundas de servicio de licor blanco generalmente se rompen en 3 a 6 meses, siendo el agrietamiento el modo predominante de falla.

Entorno operativo seguro para vaina de 1,2 mm en servicio cáustico
La siguiente tabla enumera la concentración cáustica máxima segura para una vaina 316 de 1,2 mm a diferentes temperaturas de la superficie de la vaina para evitar el agrietamiento por corrosión bajo tensión cáustica durante una vida útil de 1000 horas. Los valores suponen tensiones de tracción residuales después del estampado, que no se pueden reducir sin el recocido posterior-al estampado.

Temperatura de la superficie de la funda Concentración máxima segura de NaOH para evitar el agrietamiento (sin sulfuro) Concentración máxima segura de NaOH con 5 % de Na2S Tiempo esperado para el agrietamiento a la concentración máxima segura Acción recomendada 80 °C 20 % 15 % 2000 – 3000 horas Marginal para servicio continuo 90 °C 15 % 12 % 1500 – 2500 horas Vida útil limitada 100°C 12% 10% 1000 – 2000 horas 316 no recomendado 110°C 10% 8% 800 – 1500 horas Usar recocido o mejora de aleación 120°C 8% 6% 500 – 1000 horas Se requiere actualización de aleación 130°C 6% 4% 300 – 800 horas Actualización de aleación obligatoria 140°C 4% 2% 200 – 500 horas 316 inadecuado
Por encima de 150 °C No es seguro No es seguro Menos de 200 horas Usar aleación de níquel
El entorno operativo seguro para una vaina 316 de 1,2 mm no existe para el servicio de digestor de pulpa y papel con NaOH al 16 % a 155 °C. Seguramente el cracking llegará en semanas o meses. Los ingenieros deberán elegir una aleación más duradera.

Cambios de diseño para evitar grietas cáusticas
Cuando se va a utilizar la funda 316 en servicio cáustico, tres ajustes de diseño pueden prolongar la vida útil, pero ninguno hace que el 316 sea confiable para las condiciones del digestor kraft. El paso inicial es recocer el post-estampación a 1050 grados para eliminar las tensiones de tracción residuales. El recocido reduce la tensión residual de la superficie interna de 150 a 250 MPa a menos de 20 MPa, eliminando el componente de tracción necesario para el agrietamiento. El recocido de una vaina de 316 de 1,2 mm en NaOH al 16 % a 150 °C puede prolongar su vida útil de 3 a 6 meses, en lugar de 1 a 2 meses. La segunda alteración es aplicar granallado o tratar de otro modo la superficie exterior mediante compresión. La capa de compresión resiste la propagación de grietas pero no alivia las tensiones de tracción en la superficie interior. El cambio final es operar a la temperatura superficial de la vaina más baja posible reduciendo la densidad de vatios y aumentando la circulación. Una disminución de 10 grados en la temperatura de la superficie duplica el tiempo hasta la iniciación del crack. Estos cambios no son suficientes para la mayoría de las aplicaciones de pulpa y papel. La aleación 625 o la aleación C-276 es el material típico para las fundas de los calentadores de licor blanco. Estas aleaciones a base de níquel resisten el agrietamiento por corrosión bajo tensión cáustica en todas las concentraciones y temperaturas observadas en los digestores. Una funda de aleación 625 de 1,6 mm normalmente resistirá de 5 a 10 años en servicio con aguarrás, frente a 2 a 6 meses para la 316. El mayor costo inicial se compensa con el ahorro en tiempo de inactividad y mano de obra de reemplazo. Los ingenieros que seleccionan calentadores para la operación del digestor no deben aceptar 316 para ninguna aplicación donde la concentración cáustica sea superior al 10 % a temperaturas superiores a 100 °C. El costo de una falla de craqueo rápido en un digestor presurizado, incluida la pérdida de producto, el enfriamiento del recipiente y el reemplazo, es significativamente mayor que el costo incremental de una aleación con alto contenido de níquel. Si un fabricante recomienda el 316 para el servicio de aguarrás y no habla sobre el agrietamiento por corrosión bajo tensión cáustica, no está brindando el asesoramiento de ingeniería adecuado. Las grietas en una vaina de 1,2 mm se desarrollan rápidamente y sin evidencia aparente hasta que la vaina gotea. La única solución segura es la prevención mediante la elección correcta de la aleación.