白液 (Na₂S + NaOH) を 170 度で加熱する製紙工場の蒸解装置の場合、応力腐食割れのないチタン グレード 2 に許容される最大塩化物濃度はどれくらいですか?

製紙工場の蒸解装置では、硫化ナトリウム (Na2S) と水酸化ナトリウム (NaOH) の溶液である白液を使用して、150-180 度、8-10 バールで木材チップを脱リグニンします。チタン グレード 2 は、腐食性や硫化物の攻撃に対する耐性があるため、加熱コイルや液体抽出スクリーンに使用されています。しかし、塩素イオンは、補給水中の残留塩素、回収ループで戻される塩素含有漂白剤、木材自体の塩素化合物など、さまざまな原因から白液に導入されます。チタン グレード 2 は、塩化物含有量の閾値レベルを超える高温での苛性溶液中での応力腐食割れ (SCC) に敏感です。 SCC は脆性粒内亀裂を引き起こし、低温の塩化物使用で見られる孔食や均一な腐食とは対照的に、肉厚がほとんど薄くなることなくチューブに急速に穴を開ける可能性があります。この記事では、実験室でのテストと工場で得られた経験に基づいて、SCC を防止するために、グレード 2 チタンの白液中の最大許容塩化物含有量を 170 度に設定しています。

苛性-塩化物媒体における SCC メカニズム
チタン グレード 2 は、純粋な苛性溶液 (NaOH、KOH) に対して 200 度までの優れた耐食性を持ち、腐食速度は年間 0.01 mm 未満です。 Na 2 S - 重大な腐食の増加はありません。しかし、苛性物質、塩化物、高温の作用により、特定の破壊メカニズムが生じます。塩化物イオンは、引張応力がかかる場所 (溶接部、チューブの曲がり、丸まったチューブの端) で不動態 TiO2 コーティングに入ります。膜が破壊されると、亀裂内の局所的な苛性濃度によって pH が 13 を超えるレベルに上昇し、このレベルではチタンが粒内亀裂を起こしやすくなります。亀裂は、腐食生成物や壁の薄化をほとんど伴わずに、滑り面に沿ってチタン格子内で伝播します。

SCC の制御要因には、150 度を超える温度、12 を超える pH、あるしきい値を超える塩化物濃度、降伏強度の約 50 % を超える引張応力 (残留または適用) が含まれます。白液は通常15-20% NaOHであり、170度でのpHは13〜14です。ほとんどのグレード 2 ヒーター チューブには、製造 (チューブの曲げ、溶接、管板への拡張) による残留引張応力が 50% 降伏閾値をはるかに上回る 100 ～ 200 MPa の残留引張応力が残っています (170 度でのグレード 2 の降伏強さは約 200 MPa、50% は 100 MPa)。

塩化物閾値の決定
定量的な閾値データは、グレード 2 チタンの U- 曲げ試験片 (ASTM G30) を使用し、さまざまな塩化物を添加した 170 度の白液模擬剤 (15% NaOH + 5% Na2S) にさらした管理された SCC 試験から得たものです。試験片は 100 時間から 1000 時間までの間隔で亀裂がないか検査されました。

塩化物濃度 < 50 ppm では 1,000 時間後でも亀裂は検出されませんでした。試験片は延性があり、顕微鏡検査では表面に亀裂は観察されませんでした。

塩化物濃度 50 ～ 100 ppm、500 ～ 800 時間で軽度の表面亀裂。亀裂は浅く(深さ20～50μm)、1000時間の間に試験片の厚さ1.5 mmを貫通しませんでした。

100 ～ 200 ppm の塩化物では 200 ～ 400 時間で亀裂が始まりました。 1000 時間後の亀裂の深さ (100 ～ 300 ミクロン、または壁厚の 10 ～ 20%)。

塩化物濃度が 200 ～ 500 ppm の場合、50 ～ 150 時間の間に亀裂が始まりました。深い亀裂 (500 時間後 500 ～ 1000 μm) が急速に広がりました。 700 ～ 900 時間で、いくつかの試験片が完全に破損しました。

塩化物濃度が 500 ppm を超えると、約 20 ～ 50 時間で亀裂が始まりました。試験片は 200 ～ 400 時間以内に破壊されます。

これらのデータから、SCC の危険がない 170 度の白液中のグレード 2 チタンの最大塩化物含有量は 100 ppm です。プロセスの中断や局所的な濃度の影響に対する余裕を持たせるために、50 ppm という控えめな設計制限が提案されています。

工場および故障解析での経験
現場での検証は、白液蒸解缶 (170 度で稼働) にグレード 2 チタン加熱コイルを使用している 15 の製紙工場を調査することによって行われました。塩化白液を 50 ppm 未満に維持している工場では、SCC の問題がなく、8 ～ 12 年のコイル寿命がありました。塩化物レベルが 50 ～ 100 ppm の工場では、寿命が 5 ～ 8 年で、4 ～ 6 年後に溶接部や曲げ部に SCC 亀裂が観察されることが報告されています。 200 ppm を超える塩化物スパイクが発生した工場 (通常、回復サイクルの混乱による) は、混乱後 6 ～ 18 か月以内に壊滅的な SCC 故障が発生しました。損傷したチューブの分析により、残留引張応力が最も高い領域である溶接止端部とチューブの曲がりの内側半径で粒内亀裂が始まっていることが明らかになりました。

塩化物濃度の上昇を緩和するための戦略
塩化白液を 100 ppm 以下に維持できない場合は、次の対策を講じて SCC のリスクを軽減します。

応力除去焼きなまし: 残留応力が 50 ～ 70% 減少し、塩化物しきい値が 2 ～ 3 倍に増加します。溶接および曲げ後の熱処理は 540 ～ 650 度で 1 ～ 2 時間行われます。

ショットピーニングまたは表面ローリング: チューブ表面に圧縮残留応力を導入することにより (ショットピーニングまたはローラーバニシングによって)、300 ～ 500 ppm もの高い塩化物レベルでも亀裂の発生を防ぎます。

グレード 7 またはグレード 12 へのアップグレード グレード 7 (Ti-0.15Pd): 塩化物 SCC 閾値を 170 度で約 500 ppm に増加します。グレード 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) では、しきい値が約 300 ppm に増加します。

動作温度を下げる: 蒸解釜の温度を 170 度から 160 度に下げると、塩化物しきい値が 2 ～ 3 倍増加します。 150 度まで上げると、しきい値は 5 ～ 10 倍に増加します。

白酒加熱コイル - アプリケーション マトリックス
ホワイトリカーの塩化物濃度 動作温度 推奨チタングレード ストレスリリーフは必要ですか?予想耐用年数<50 ppm 170°C Grade 2 No 8-12 years 50-100 ppm 170°C Grade 2 Yes (post-weld) 5-8 years 100-200 ppm 170°C Grade 2 with stress relief + shot peening3-5 years required 100-200 ppm 170 °C Grade 7 (no stress relief)Not required 6-10 years 200-500 ppm 170°C Grade 7, Stress relievedRecommended 5-7 years 200-500 ppm 170°C Grade 12 Not necessary 4-6 years >500 ppm 170 度グレード 7 は許容されません。ハステロイ C-276 を使用 該当なし ニッケル合金を使用
製紙工場向けの実践的なヒント
製紙工場の蒸解釜で白色液体を 170 度に加熱する場合、応力腐食割れのないグレード 2 チタンの最大塩化物濃度は 100 ppm です。長期的な耐久性のためには 50 ppm が推奨されます。イオンクロマトグラフィーまたは特定のイオン電極による毎週。塩化物 塩化物が 100 ppm を超える場合の是正措置: -補給水の品質を向上させたり (逆浸透または脱塩)、化学物質回収時に塩化物汚染を特定して除去したり、白液システムからのブローダウンを増やしたりします。塩化物を 100 ppm 以下に確実に維持できない工場には、応力除去焼鈍を施したグレード 7 チタン コイルを指定してください。グレード 7 では、しきい値が 500 ppm に増加し、SCC 耐性が 2-3 倍増加します。白液サービス用にグレード 2 コイルを購入する場合は、予想される塩化物レベルに関係なく、溶接後の応力除去 (アルゴン雰囲気中で 540 度で 1 時間) を常に依頼してください。これにより、たとえ塩化物レベルが低くても寿命が改善されます。グレード 7 の追加コストは、塩化物制御が確実にできない新しい蒸解釜または交換用コイルの場合に正当化されます。既存のグレード 2 コイルの場合、溶接部とチューブの曲がり部分で超音波検査を毎月実施し、穿孔前に SCC を検出します. 100-200 ppm 200 ～ 400 時間 亀裂の発生 月次検査 (720 時間) 壁を貫通する前の亀裂の検出