Thermal fatigue of recovery boiler compound tubes

Abstract

Tässä työssä tutkittiin soodakattilan pohjan kompound-putkien vaurioitumista termisen kuormitussyklin vaikutuksesta. Soodakattilan toimintavarmuus on merkittävässä roolissa sulfaattipohjaisen sellunvalmistuksen kemikaalikierrossa sekä sellu- ja paperitehtaan energian huollossa. Soodakattilan tulipesässä vallitsee aggressiivinen korroosioympäristö, jonka vuoksi seinä- ja pohjaputkissa käytetään kompound- rakennetta, jossa kuumaluja hiiliteräs on pinnoitettu paremmin korroosiota kestävällä austeniittisella ruostumattomalla teräksellä (esimerkiksi AISI 304L) tai nikkeliseoksella. AISI 304L -pinnoitteessa on kuitenkin todettu säröytymisongelmia soodakattilan pohjassa sekä tulipesän alaosan aukoissa.

Työn teoriaosassa esitellään soodakattilan rakenne, toimintaperiaate sekä tulipesän vaihtoehtoiset materiaaliratkaisut. Esittelyn jälkeen käydään läpi nykyinen tietämys tulipesän kompound- pinnoitteiden vaurioitumisesta sekä siihen liittyvistä ilmiöistä, kuten tulipesässä vallitsevista olosuhteista. Tämän jälkeen kuvataan soodakattilan putkien vaurioitumiseen vaikuttavat materiaalitekniset mekanismit: väsyminen, terminen väsyminen, jännityskorroosio, korroosioväsyminen sekä jäännösjännitykset.

Kokeellisessa osuudessa verrattiin kahden yleisesti käytössä olevan soodakattilan tulipesän kompound- materiaalin (Sandvik 3R12 (AISI 304L) ja Sanicro 38 (modifioitu Alloy 825)), käyttäytymistä termisen kuormituksen alaisena. Tutkimuksia varten rakennettiin uusi koelaitteisto, jossa pyrittiin jäljittelemään pohjaputken jäähdytyskierron häiriötä. Testattavia materiaaleja kuormitettiin sekä tasa-amplitudisella että vaihtuva-amplitudisella termisellä vaihtokuormituksella. Materiaalien käyttäytymistä seurattiin kokeidenaikana jäännösjännitysmittauksin sekä pintaa tutkimalla. Kokeiden jälkeen näytteet analysoitiin metallografisin tutkimusmenetelmin.

Tuloksena havaittiin, että tulipesän pohjaputkien vaurioituminen ei todennäköisesti johdu puhtaasta termisestä väsymisestä. Sen sijaan pohjan syklinen ylikuumeneminen aiheuttaa muutoksia Sandvik 3R12 (AISI 304L) -pinnoitteen jäännösjännitystilaan ja altistaa kyseisen materiaalin korroosioilmiöille, erityisesti jännityskorroosiolle. Koetulosten perusteella vertailluista materiaaleista sopivampi valinta soodakattilan tulipesän pohjan materiaaliksi on Sanicro 38 (modifioitu Alloy 825).