Duplex S31803 dans le secteur des pâtes et papiers : résistance à la corrosion dans les digesteurs kraft et sulfite

Recto-verso S31803(UNS S31803, 22Cr-5Ni-3Mo-0.15N) est l'acier inoxydable de référence pour les digesteurs modernes de pâtes et papiers. Il résiste à la fissuration par corrosion caustique dans la liqueur blanche Kraft jusqu'à 180 degrés C et aux piqûres dans la liqueur au sulfite avec contamination par le chlorure, offrant une durée de vie de 20 à 30 ans avec une prime de 30 à 50 % par rapport au 316L, mais un coût total de possession de 40 à 60 % inférieur sur 20 ans.

Pourquoi les usines de pâtes et papiers choisissent-elles le S31803 plutôt que le 304L et le 316L pour les digesteurs ?

Le S31803 remplace le 304L et le 316L dans les digesteurs car il offre une durée de vie 2 à 3 fois plus longue pour un coût de matériau seulement 30 à 50 % plus élevé, tout en résistant à la fois à la fissuration par corrosion sous contrainte caustique qui détruit le 316L dans les digesteurs Kraft et aux piqûres de chlorure qui attaquent le 316L dans les digesteurs au sulfite.

Les digesteurs de pâtes et papiers sont essentiellement de grands récipients sous pression qui cuisent des copeaux de bois à haute température dans des produits chimiques agressifs. Les deux procédés dominants, Kraft (alcalin) et Sulfite (acide), créent deux environnements de corrosion très différents. Les qualités austénitiques standards telles que 304L et 316L étaient les choix historiques, mais des échecs documentés sur le terrain dans les années 1980 et 1990 (TAPPI Journal, 1992; Outokumpu Corrosion Handbook) ont montré que le 316L souffrait de fissuration par corrosion sous contrainte caustique dans la liqueur blanche Kraft à des températures aussi basses que 100 degrés C et de graves piqûres dans la liqueur au sulfite avec contamination par le chlorure.

Le S31803 est entré en service dans les digesteurs au début des années 1980 et est depuis devenu la norme industrielle pour les nouveaux digesteurs et les rénovations majeures, car sa microstructure duplex (environ 50 pour cent de ferrite, 50 pour cent d'austénite) combine la résistance aux chlorures des qualités ferritiques avec la ténacité et la facilité de fabrication des qualités austénitiques. Les usines modernes signalent que les digesteurs S31803 sont toujours en service après 25 à 30 ans avec une perte d'épaisseur de paroi négligeable, tandis que les digesteurs 316L comparables nécessitent des réparations majeures ou un remplacement tous les 10 à 15 ans.

Source : TAPPI Journal Vol. 75, No. 3 (1992) ; Manuel de corrosion d'Outokumpu, 10e édition, section 7.3 ; Manuel ASM Volume 13A, Corrosion, 2003.

Qu'est-ce que l'acier inoxydable duplex S31803 et comment sa structure résiste-t-elle à la corrosion ?

Le S31803 est un acier inoxydable duplex à 22 % de chrome, 5 % de nickel, 3 % de molybdène et 0,15 % d'azote (UNS S31803) avec une microstructure équilibrée en ferrite-austénite qui offre à la fois une résistance aux piqûres de chlorure (PREN 32-35) et une résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte caustique supérieure à 304L et 316L.

La résistance à la corrosion du S31803 provient d'une combinaison précise d'éléments d'alliage et de sa microstructure biphasée-. Le chrome (21 à 23 %) forme un film passif stable qui protège contre la corrosion et l'oxydation générales. Le molybdène (2,5 à 3,5 %) améliore considérablement la résistance aux piqûres de chlorure et à la corrosion caverneuse. L'azote (0,08 à 0,20 %) stabilise la phase austénitique, augmente l'indice équivalent de résistance aux piqûres (PREN) et augmente la résistance grâce au renforcement de la solution solide interstitielle.

La faible teneur en nickel (4,5-6,5 %) par rapport au 316L (10-14 %) et la phase ferrite contribuent toutes deux à une résistance plus élevée à la fissuration par corrosion sous contrainte caustique. La valeur PREN, calculée en pourcentage de Cr plus 3,3 fois le pourcentage de Mo plus 16 fois le pourcentage de N, est de 32 à 35 pour le S31803, contre 23 à 26 pour le 316L. Ce PREN environ 30 à 40 pour cent plus élevé se traduit directement par des taux de piqûres plus faibles dans les environnements contenant des chlorures tels que les digesteurs au sulfite.

Tableau 1. Composition chimique du S31803 (ASTM A240 UNS S31803)

Source : ASTM A240/A240M-24 Spécification standard pour les plaques d'acier inoxydable au chrome et au chrome-nickel pour les appareils sous pression.

Tableau 2. S31803 Propriétés mécaniques à température ambiante et à température du digesteur

Source : ASTM A240-24 ; Fiche technique Outokumpu 2205/S31803 ; Base de données Industeel/Waterhouse.

Quels problèmes de corrosion les digesteurs Kraft créent-ils ?

Les digesteurs Kraft combinent une température élevée (170-180 degrés C), une liqueur blanche fortement alcaline (8-12 pour cent de NaOH, 2-4 pour cent de Na2S, pH supérieur à 13) et une contrainte de pression cyclique pour créer deux modes de défaillance principaux : la fissuration par corrosion sous contrainte caustique (CSCC) et la corrosion générale, qui attaquent toutes deux de manière agressive le 304L et le 316L et entraînent une durée de vie typique de seulement 8 à 15 ans.

Le procédé Kraft cuit les copeaux de bois dans un mélange d'hydroxyde de sodium (NaOH) et de sulfure de sodium (Na2S), appelé liqueur blanche, à 170-180 degrés C pendant 1 à 3 heures. Après cuisson, la liqueur noire obtenue contient de la lignine dissoute, de l'hémicellulose et des alcalis résiduels. Les deux environnements sont très corrosifs pour les aciers inoxydables austénitiques standards.

La fissuration par corrosion sous contrainte caustique est le mode de défaillance dominant du 304L et du 316L dans la liqueur blanche. Le seuil de CSCC dans 50 % de NaOH à 100 °C est bien inférieur aux conditions de fonctionnement des digesteurs Kraft, et les contraintes dues aux cycles de pression accélèrent l'initiation des fissures. Les taux de corrosion généraux pour le 304L dans la liqueur blanche à 180 degrés C sont de 0,1 à 0,3 mm par an, et pour le 316L, ils sont de 0,05 à 0,15 mm par an. Sur une durée de vie nominale de 20 ans, cela consomme 2 à 3 mm de la marge de corrosion typique de 6 à 10 mm. La liqueur noire est encore plus agressive en raison des matières organiques dissoutes, des ions sulfure et des températures plus élevées dans certains équipements.

Tableau 3. Modes de corrosion du digesteur Kraft par matériau (service de liqueur blanche)

Source : Études de corrosion du TAPPI Journal 1992-2010 ; Résumé de l'acier inoxydable AISI ; Rapports d'expérience sur les digesteurs duplex Sandvik.

Quels problèmes de corrosion les digesteurs au sulfite créent-ils ?

Les digesteurs au sulfite fonctionnent à 130-160 degrés C dans des solutions acides de bisulfite ou d'acide sulfureux (pH 1-5, 4-8 pour cent de SO2 total) avec une contamination par le chlorure provenant du lavage de la pâte, créant un environnement dominé par la corrosion générale, les piqûres et les attaques intergranulaires plutôt que par la fissuration par corrosion sous contrainte, mais où le 316L échoue toujours à cause de graves piqûres dans les 5 à 10 ans.

Le procédé au sulfite utilise de l'acide sulfureux (H2SO3) et des ions bisulfite (HSO3-) pour dissoudre la lignine des copeaux de bois. L'acide de cuisson est généralement préparé en absorbant le SO2 dans l'eau, ce qui donne une solution de 4 à 8 % de SO2 total avec un pH allant de 1 (sulfite acide) à 4-5 (bisulfite). Pendant la cuisson, le pH augmente généralement à mesure que l'acide est consommé, mais les ions chlorure pénètrent dans le système à partir de l'eau de lavage et du bois lui-même (en particulier dans les régions côtières). Les niveaux typiques de chlorure dans l'acide de cuisson au sulfite varient de 50 à 500 ppm, mais peuvent dépasser 1 000 ppm lors de l'utilisation d'eau saumâtre.

Cette combinaison de pH faible, de température élevée et de contamination par les chlorures rend le 316L impropre au service de digesteur au sulfite. Des études sur le terrain ont documenté des taux de piqûres pour le 316L en service au sulfite acide à 150 degrés C de 0,5-1,5 mm par an, avec des ruptures à travers les parois se produisant au bout de 5 à 8 ans. Le S31803, avec ses 3 pour cent de molybdène et 0,15 pour cent d'azote, offre une résistance nettement meilleure, avec des taux de piqûres généralement inférieurs à 0,05 mm par an dans des conditions similaires.

Tableau 4. Taux de corrosion du digesteur de sulfite par matériau (service à 150 °C)

Source : TAPPI Journal Vol. 78 (1995) ; Manuel sur la corrosion d'Avesta Sheffield ; Études de cas sur l'usine de sulfite Sandvik 2205.

Comment le S31803 fonctionne-t-il dans les digesteurs Kraft au fil du temps ?

Le S31803 est utilisé avec succès dans les digesteurs Kraft depuis les années 1980, démontrant des taux de corrosion généraux inférieurs à 0,05 mm par an en service de liqueur blanche et une résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte caustique à des températures allant jusqu'à 180 degrés C, avec une durée de vie documentée supérieure à 25 ans en fonctionnement continu du digesteur.

Les données de performances à long terme provenant des principales usines de pâtes et papiers d'Amérique du Nord, d'Europe et d'Asie confirment que le S31803 fournit un service fiable dans les digesteurs Kraft lorsqu'il est correctement soudé et fabriqué. Une enquête réalisée en 2010 par l'Association technique de l'industrie des pâtes et papiers (TAPPI) sur 47 digesteurs construits avec un revêtement S31803 ou une construction solide entre 1985 et 2005 a montré : (1) la perte moyenne d'épaisseur de paroi après 20 ans de service était de 0,8 mm sur une tolérance de corrosion typique de 10 mm (consommation de 8 %, bien dans les limites de la conception) ; (2) aucun incident signalé de fissuration par corrosion caustique dans les composants S31803, contre un taux de défaillance de 23 pour cent dans les digesteurs 316L au cours de la même période ; (3) aucun changement mesurable du rapport ferrite -austénite après 20 ans de cycle thermique. Le principal différenciateur en termes de performances réside dans la structure à deux phases : la phase ferrite résiste au SCC caustique, tandis que la phase austénite offre la ténacité nécessaire pour gérer les cycles de pression et les concentrations de contraintes au niveau des buses et des dérivations. Le S31803 est également approuvé pour une utilisation dans les digesteurs continus fonctionnant jusqu'à 180 degrés C selon l'ASME BPVC Section VIII, et il peut être fourni sous forme de plaques (ASTM A240), de tuyaux (ASTM A790), de raccords (ASTM A815) et de pièces forgées (ASTM A182) pour la construction complète du digesteur.

• Taux de corrosion dans la liqueur blanche (170-180 degrés C, 8-12 pour cent de NaOH) : 0,01-0,05 mm par an
• Taux de corrosion dans la liqueur noire (170-180 degrés C, riche en sulfures) : 0,02-0,06 mm par an
• Durée de vie documentée : 25-30+ ans en service continu du digesteur
• Seuil de CCS caustique : non observé en dessous de 200 °C en service normal du digesteur
• Approuvé pour la construction ASME BPVC Section VIII à des températures de conception allant jusqu'à 180 degrés C

Comment le S31803 fonctionne-t-il dans les digesteurs de sulfite et quelles sont les limites ?

Le S31803 offre une excellente résistance à la corrosion du digesteur au sulfite avec des taux de corrosion généraux de 0,05 à 0,20 mm par an en service au sulfite acide à 150 degrés C et des taux de piqûres généralement inférieurs à 0,05 mm par an, bien que le 904L ou la qualité S32205 améliorée doivent être envisagés pour des conditions de chlorure très élevées supérieures à 500 ppm ou des températures supérieures à 160 degrés C.

En service de digesteur au sulfite, le S31803 est limité principalement par sa teneur en molybdène (2,5 à 3,5 pour cent), qui est adéquate pour la plupart des conditions d'usine mais devient marginale dans des environnements très agressifs. L'expérience sur le terrain de 12 usines de sulfite européennes en activité depuis les années 1990 montre : Les composants du digesteur S31803 ont une durée de vie moyenne de 18 à 22 ans, contre 5 à 8 ans pour le 316L.

Les taux de piqûres en service au sulfite acide à 150 degrés C avec 200 ppm de chlorure sont de 0,03 à 0,08 mm par an. Cependant, lorsque le chlorure dépasse 500 ppm (ce qui est courant dans les usines côtières utilisant l'eau de mer pour le lavage de la pâte), le taux de piqûres du S31803 peut augmenter jusqu'à 0,10-0,20 mm par an. Dans ces conditions, une mise à niveau vers le S32205 (la version améliorée avec un contrôle de composition plus strict et un PREN plus élevé de 35 à 38) ou vers le 904L (avec 4 à 5 pour cent de Mo) est recommandée. Pour les nouveaux digesteurs au sulfite conçus pour une durée de vie de 25+ ans, le choix de matériau typique est le S32205 pour la cuve principale et les tamis du digesteur, avec le 904L ou l'alliage 825 pour les zones les plus agressives telles que le système d'alimentation en copeaux et les tubes de préchauffage d'acide.

• Corrosion générale dans le sulfite acide (pH 1-2, 150 degrés C) : 0,05-0,20 mm par an
• Piqûre avec 200 ppm de chlorure à 150 degrés C :<0.05 mm per year
• Piqûres avec 500 ppm de chlorure à 150 degrés C : 0,10-0,20 mm par an (mise à niveau recommandée)
• Température de service maximale recommandée : 160 degrés C en sulfite acide, 170 degrés C en bisulfite
• Durée de vie prévue : 18 à 22 ans en service typique au sulfite

S31803 vs 316L vs S32205 vs 904L vs Alloy 825 : quel matériau pour quel digesteur ?

Pour les digesteurs Kraft typiques fonctionnant à 170-180 degrés C dans de la liqueur blanche, le S31803 est le choix le plus économique avec le meilleur rapport coût-performance. Pour les digesteurs au sulfite, le S32205 (la version améliorée) ou le 904L doivent être envisagés pour des conditions de chlorure plus élevées supérieures à 500 ppm ou des températures supérieures à 160 degrés C. Pour un service sévère au sulfite avec des chlorures supérieurs à 1 000 ppm, l'alliage 825 devient le choix préféré malgré un coût plus élevé.

La sélection des matériaux pour le service du digesteur nécessite un équilibre entre la résistance à la corrosion, les propriétés mécaniques, la soudabilité, la disponibilité et le coût. Le tableau ci-dessous résume les principaux facteurs de décision pour les six matériaux les plus couramment pris en compte. Le S31803 occupe une position unique car il offre 80 à 90 % de la résistance à la corrosion des alliages de nickel supérieur pour environ la moitié du coût.

La version améliorée S32205 (UNS S32205, également vendue sous le nom de SAF 2205) est de plus en plus spécifiée pour les nouveaux digesteurs car elle a des limites de composition plus strictes, un PREN minimum plus élevé (35-38 contre 32-35) et une meilleure résistance à la corrosion localisée. Pour les digesteurs traitant toute la gamme des conditions de traitement des pâtes et papiers, la sélection typique est la suivante : (1) Acier au carbone avec revêtement en caoutchouc ou injection d'inhibiteur pour les équipements non critiques avec limites de température ; (2) S31803 ou S32205 pour les digesteurs Kraft et bisulfite standards ; (3) 904 L pour les digesteurs au sulfite acide à haute teneur en chlorure ; (4) Alliage 825 pour le service de sulfite acide le plus sévère avec contamination par les chlorures provenant de l'eau saumâtre.

Tableau 5. Matrice de sélection des matériaux pour les digesteurs de pâtes et papiers

Source : Manuel ASM Vol. 13A Corrosion (2003) ; Manuel sur la corrosion d'Outokumpu, 10e éd. ; Manuels d'ingénierie TAPPI ; expérience globale de l'usine 1985-2020.

Comment le S31803 doit-il être soudé pour le service de digesteur ?

Le S31803 pour le service de digesteur doit être soudé avec du métal d'apport ER2209, un apport de chaleur contrôlé de 0,5-2,0 kJ/mm, une température entre les passes inférieure à 150 degrés C et un recuit de solution de soudage après-à 1 020-1 100 degrés C pour les sections épaisses afin de restaurer l'équilibre optimal ferrite-austénite et d'éviter la formation de phase sigma dans la zone affectée par la chaleur.

Le soudage est l'étape la plus critique dans la fabrication des digesteurs S31803, car une mauvaise procédure peut détruire la résistance à la corrosion du métal de base. Les règles clés sont : (1) Utilisez le métal d'apport ER2209 (correspondant à la composition 22Cr-9Ni-3Mo) car les charges ER308L ou ER316L créeront des cellules de corrosion galvanique en service de digesteur ; (2) Limiter l'apport de chaleur à 0,5-2,0 kJ/mm pour éviter une croissance excessive des grains dans la ZAT, ce qui conduit à un enrichissement en ferrite et à une ténacité réduite ; (3) Maintenir la température entre les passes en dessous de 150 degrés C (de préférence en dessous de 100 degrés C) pour éviter les précipitations en phase sigma dans la plage de 600 à 900 degrés C ; (4) Pour les plaques épaisses de plus de 25 mm, effectuez un recuit de solution à 1 020-1 100 degrés C suivi d'une trempe rapide à l'eau pour restaurer la structure duplex ; (5) Utilisez du gaz de support d'argon pur à 99,99 pour cent avec de l'oxygène en dessous de 50 ppm pour éviter l'oxydation du passage de racine. Le traitement thermique après soudage à 600-900 degrés C doit être strictement évité car c'est la plage de température dans laquelle les phases sigma et chi précipitent rapidement dans le S31803, provoquant une grave fragilisation et une perte de résistance à la corrosion. Le recuit de mise en solution suivi d'un refroidissement rapide est le seul traitement thermique sûr.

Tableau 6. Paramètres de soudage S31803 pour le service de digesteur

Source : Code de soudage structurel AWS D1.6 - Acier inoxydable ; Manuel de soudage Outokumpu pour les aciers inoxydables duplex ; Directives de soudage Sandvik 2205.

Étude de cas : Remplacement continu du revêtement du digesteur d'une usine de papier kraft

Une usine Kraft nord-américaine a remplacé les composants du revêtement du digesteur 316L par du S31803 en 2010 ; après 14 années de service continu à 175 degrés C dans de la liqueur blanche et noire, les études d'épaisseur par ultrasons n'ont montré aucune perte de paroi mesurable ni aucun événement de fissuration par corrosion sous contrainte caustique, validant ainsi le S31803 comme norme pour la construction d'un nouveau digesteur Kraft.

L'usine exploitait un digesteur Kamyr en continu produisant 1 500 tonnes de pâte séchée à l'air par jour, avec une liqueur blanche à 175 °C et une concentration de 10 % de NaOH. Les composants originaux du revêtement 316L avaient subi deux pannes du CSCC en 2008 et 2009, nécessitant des réparations d'urgence coûtant 1,2 million de dollars en temps d'arrêt et en soudage. En 2010, l'usine a choisi de remplacer la section supérieure du revêtement du digesteur (environ 8 tonnes de tôles) par du S31803 revêtu d'un support en acier au carbone. Le remplacement a été soudé avec du mastic ER2209, un apport de chaleur contrôlé à 1,0-1,8 kJ/mm, des passes intermédiaires en dessous de 120 degrés C et un recuit de solution à 1 050 degrés C sur les sections de plaques épaisses. Les relevés annuels d'épaisseur par ultrasons de 2010 à 2024 n'ont montré aucune perte de paroi mesurable (incertitude de mesure plus ou moins 0,2 mm). L'inspection de 2024 comprenait également des mesures du nombre de ferrites sur les surfaces de soudure exposées, qui montraient des valeurs de 45 à 55 %, confirmant que la structure duplex restait intacte. Sur la base de cette expérience, l'usine a normalisé la norme S31803 pour tous les nouveaux composants du digesteur et les rénovations majeures.

Source : Cas de terrain fourni par un client de JN Alloy, anonymisé. Données d'exploitation vérifiées par l'équipe d'ingénierie de l'usine.

Étude de cas : Mise à niveau du panier de tamisage du digesteur au sulfite

Une usine de sulfite européenne est passée du 316L au S31803 pour les paniers de tamis de digesteur en 2008, obtenant une durée de vie multipliée par 3 (de 4 ans à plus de 12 ans) et réduisant les coûts annuels de maintenance de remplacement du tamis d'environ 60 pour cent, démontrant la forte proposition de valeur du S31803 en matière de service de sulfite acide.

L'usine exploite un digesteur au sulfite par lots produisant de la pâte dissolvante à 145 degrés C avec un pH d'acide de cuisson de 1,5 -2,0 et une contamination en chlorure de 150 -250 ppm provenant de sources d'eau locales. Les paniers de tamisage d'origine de 316 L ont subi de graves piqûres et des défaillances à travers les parois après 3 à 4 ans de service, nécessitant un remplacement annuel pour un coût de 180 000 dollars par an en matériaux et une perte de production. En 2008, l'usine est passée aux paniers de tamisage S31803 fabriqués à partir de plaques ASTM A240 et de supports soudés ER2209. Après 12 ans de service, l'inspection de 2020 a montré des profondeurs de piqûres de seulement 0,3 à 0,5 mm sur la plaque d'origine de 6 mm, sans rupture à travers la paroi.

La durée de vie restante estimée est de 8 -10 années supplémentaires. Analyse des coûts annuels : le coût initial du S31803 était 1,5 fois supérieur à celui du 316L (50 000 dollars contre 33 000 dollars), mais la durée de vie a triplé, ce qui a permis une réduction annuelle du coût des matériaux de 50 %. Combinée à l'élimination des temps d'arrêt imprévus, l'économie annuelle totale s'élève à environ 110 000 dollars. L'usine a par la suite spécifié le S31803 pour tous les composants internes du digesteur, y compris les vis d'alimentation en copeaux, les tamis de circulation et les diffuseurs des réservoirs de soufflage.

Source : étude de cas de l'usine de sulfite Sandvik 2205, modifiée pour le profil client de JN Alloy ; Références croisées-avec les enquêtes sur les composants du digesteur TAPPI.

Quelles normes régissent le S31803 pour les applications de digesteur ?

S31803 pour le service du digesteur doit être conforme aux normes ASTM A240 (plaque), A790 (tuyau), A182 (raccords et brides forgés), A815 (raccords soudés bout à bout-) et A479 (barres), ainsi qu'au code de conception du digesteur ASME BPVC Section VIII Division 1 ; pour les directives spécifiques à l'industrie des pâtes et papiers-, TAPPI TIP 0402 et les normes finlandaises sur les digesteurs PAPTAC s'appliquent.

Le cadre de normes pour la construction du digesteur S31803 comprend à la fois les spécifications des matériaux et les codes de conception. ASTM A240 couvre la plaque et la feuille qui forment la coque et les cônes du digesteur ; ASTM A790 couvre les tuyaux sans soudure et soudés pour la tuyauterie interne ; ASTM A182 couvre les brides et raccords forgés pour les connexions de buses ; ASTM A815 couvre les raccords soudés bout à bout-pour les canalisations de circulation et d'extraction.

Toutes ces normes incluent la désignation UNS S31803 avec les exigences en matière de propriétés chimiques et mécaniques répertoriées dans les tableaux 1 et 2 ci-dessus. Pour la conception des appareils sous pression, l'ASME BPVC Section VIII Division 1 fournit les règles de conception, les contraintes admissibles et les exigences de qualification en soudage. Le S31803 est répertorié dans l'ASME Section II Partie D avec des valeurs de contrainte admissibles jusqu'à 180 degrés C (édition ASME 2023). Pour la qualification en soudage, le code de soudage structurel AWS D1.6 - Acier inoxydable s'applique.

Pour des conseils spécifiques à l'industrie des pâtes et papiers-, le document d'information technique TAPPI TIP 0402-15 couvre la sélection des matériaux pour les équipements de récupération chimique et les digesteurs, et le guide finlandais de conception des digesteurs PAPTAC fournit les meilleures pratiques européennes. Les usines situées dans les juridictions chargées des équipements sous pression (Canada, Europe) doivent également garantir leur conformité à la Directive sur les équipements sous pression (PED) ou à la Société canadienne des chaudières (CSA B51), le cas échéant.

Tableau 7. Normes applicables pour le service de digesteur S31803

Source : ASTM International 2024 ; Code ASME des chaudières et des appareils à pression, édition 2023 ; Documents d'information technique TAPPI ; Normes EN.

Quel est le coût total de possession du S31803 par rapport au 316L en service digesteur ?

Bien que le S31803 coûte 30 à 50 % plus cher que le 316L pour les applications de digestion, sa durée de vie 2 à 3 fois plus longue et sa réduction spectaculaire des temps d'arrêt imprévus réduisent le coût total de possession sur 20 ans de 40 à 60 %, offrant une période d'amortissement de 2 à 3 ans par rapport à la prime initiale.

L’analyse du coût total de possession des matériaux du digesteur doit prendre en compte non seulement le coût initial des matériaux, mais également la fabrication, la maintenance programmée, les temps d’arrêt imprévus et le coût de remplacement. Le tableau ci-dessous présente une comparaison représentative pour une section de revêtement de digesteur de 10 000 kg sur 20 ans de service.

L'option S31803 coûte 25 000 dollars de plus en matériel initial, mais permet d'économiser 80 000 dollars en maintenance programmée, 150 000 dollars en temps d'arrêt imprévus et 130 000 dollars en remplacement (puisque le 316L devrait être remplacé une fois la 12e année). L'économie nette sur 20 ans est de 335 000 dollars, soit une réduction de 62 pour cent. Même avec un taux d'actualisation de 8 pour cent, la valeur actuelle nette de l'épargne dépasse 200 000 dollars. Ce calcul n'inclut pas la valeur des incidents de sécurité ou des rejets dans l'environnement évités, ce qui augmenterait encore l'avantage du S31803.

Tableau 8. 20-Comparaison du coût total de possession par an : S31803 vs 316L dans un revêtement de digesteur Kraft

Source : analyse technique de JN Alloy basée sur les données agrégées sur les coûts de l'usine ; références typiques des coûts de maintenance des usines de kraft nord-américaines 2018-2024.

Foire aux questions sur le S31803 dans le secteur des pâtes et papiers

Q : Le S31803 est-il le même matériau que le 2205 ?

R : S31803 est essentiellement la qualité duplex 2205 d'origine, mais la désignation préférée moderne est S32205. La désignation UNS S31803 a été établie dans les années 1980, tandis que S32205 est la composition mise à jour avec des limites plus strictes sur le chrome, le molybdène et l'azote et un PREN minimum plus élevé. Pour la construction de nouveaux digesteurs, S32205 est désormais la spécification standard ; Le S31803 reste largement disponible et acceptable pour de nombreuses applications. Lors de la commande, spécifier « UNS S32205 » ou « Duplex 2205 » est la convention moderne.

Q : Le S31803 peut-il remplacer directement le 316L dans un digesteur Kraft existant ?

R : Oui, le S31803 peut remplacer directement le 316L dans la plupart des applications de digesteur Kraft car il présente une résistance supérieure (permettant des parois plus fines ou des pressions nominales plus élevées) et une résistance supérieure à la corrosion. La conception de remplacement doit tenir compte de la résistance plus élevée (sections plus minces possibles) et du coefficient de dilatation thermique plus faible (moins de joints de dilatation nécessaires). Le soudage doit utiliser le mastic ER2209 et les paramètres répertoriés dans le tableau 6. Les nouveaux composants S31803 peuvent être soudés au 316L existant à l'aide d'ER2209 avec une qualification minutieuse de la procédure.

Q : Quelle est la température maximale de service continu pour le S31803 dans un digesteur ?

R : La température de service continue maximale recommandée pour le S31803 dans un digesteur est de 180 °C pour les applications Kraft et de 160 °C pour les applications au sulfite. Au-dessus de 180 °C, le S31803 subit une formation excessive de ferrite et un risque de fragilisation à 475 °C s'il est maintenu dans la plage de 280 à 500 °C pendant les cycles de chauffage/refroidissement. Pour un fonctionnement du digesteur au-dessus de 180 °C, envisagez de passer à l'alliage 825 ou à un duplex en nickel plus élevé tel que le S32520 (Uranus 52N+).

Q : Le S31803 peut-il être utilisé dans les digesteurs au sulfite présentant une forte contamination en chlorure ?

R : S31803 convient aux digesteurs au sulfite présentant une contamination en chlorure jusqu'à environ 500 ppm. Au-dessus de 500 ppm de chlorure, en particulier en service au sulfite acide à des températures supérieures à 150 degrés C, les taux de piqûres peuvent dépasser 0,1 mm par an. Dans ces conditions plus agressives, une mise à niveau vers le S32205 (le duplex amélioré) ou vers une nuance super austénitique telle que le 904L (4 à 5 % de Mo) ou un alliage de nickel tel que l'alliage 825 est recommandée. La sélection des matériaux doit être basée sur les valeurs réelles de chlorure et de pH mesurées à la température de fonctionnement.

Q : Le S31803 nécessite-t-il un traitement thermique après-soudage après la fabrication du digesteur ?

R : S31803 ne nécessite pas de traitement thermique après-soudage pour les sections minces (moins de 20 mm) car le refroidissement rapide de l'air conserve l'équilibre correct en ferrite-austénite. Pour les sections épaisses (au-dessus de 25 mm) où l'apport de chaleur de soudage peut avoir fait pencher la balance vers un excès de ferrite, un recuit en solution à 1 020-1 100 degrés C suivi d'une trempe rapide à l'eau est recommandé pour restaurer la structure optimale. Il est essentiel d'éviter la plage de température comprise entre 600 et 900 degrés Celsius, car elle provoque une précipitation en phase sigma et une grave fragilisation. Le seul traitement thermique sûr pour le S31803 est un recuit complet suivi d'un refroidissement rapide.

Q : Quelles-méthodes de tests non destructifs sont recommandées pour la fabrication du digesteur S31803 ?

R : Les CND recommandés pour la fabrication du digesteur S31803 comprennent : (1) 100 % de tests radiographiques (RT) ou de tests par ultrasons (UT) de toutes les soudures conformément à la section VIII de l'ASME ; (2) mesure de la teneur en ferrite à l'aide d'un feritscope calibré (Fischer MP30 ou équivalent) sur le métal de base et la surface de soudure, avec une plage acceptable de 30 - 70 % et une cible de 45 à 55 % ; (3) un ressuage (PT) de tous les défauts de surface des soudures ; (4) vérification du recuit de solution par des tests de dureté (cible 220-280 HB pour S31803) ; (5) pour le service dans des environnements de sulfite contenant du chlorure, ASTM A923 Méthode B (essai de corrosion) pour confirmer la résistance à la précipitation de la phase intermétallique.

JN Alloy fournit des plaques, des tuyaux, des barres, des brides et des raccords en acier inoxydable duplex certifiés S31803 et S32205 pour le service de digesteur de pâte et papier dans le monde entier. Tous les matériaux sont fournis avec EN 10204 3.1/3.2 MTC, une traçabilité complète et une origine provenant d'usines certifiées ISO 9001-. Contactez-nous pour obtenir des fiches techniques, des conseils de fabrication et des tarifs directs à l'usine.

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