INOM
EXAMENSARBETE MASKINTEKNIK, AVANCERAD NIVÅ, 30 HP
STOCKHOLM SVERIGE 2020,
Livstidsförlängning av rörledning i
sulfatmassaprocessen
Med avseende på materialval, ytbeläggning och svetsning för högt alkaliska miljöer
ANTON BLIDGREN
KTH
SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT
Livstidsförlängning av rörledning i sulfatmassaprocessen
med avseende på materialval, ytbeläggning och svetsning för högt alkaliska miljöer
Lifetime extension of piping in the sulphate pulp process
with regard to material selection, surface coating and welding for highly alkaline environments
Anton Blidgren
VT2020
Handledare: Joakim Hedegård, Mattias Albertsson Kungliga Tekniska Högskolan
Masterexamensarbete - Industriell Produktion, 30 hp BillerudKorsnäs, Frövi
Förord
Det här examensarbetet innebär avslutet på min civilingenjörsutbildning i Maskinteknik med inriktning mot industriell produktion, samt internationell svetsingenjör (IWE) vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Arbetet har utförts under perioden januari 2020 till september 2020 på uppdrag av BillerudKorsnäs AB omfattande 30 högskolepoäng.
Även om coronapandemin bröt ut mitt under projektet och att därmed tidsplanen drog ut så har jag har haft en mycket rolig och givande tid på här, med ett intressant projekt och trevliga människor omkring mig. Jag hoppas nu att BillerudKorsnäs kommer att dra nytta av det arbete jag utfört.
Jag skulle vilja tacka BillerudKorsnäs och framförallt Frövi/Rockhammars bruk för att jag fått möjligheten och förtroendet att utföra mitt examensarbete hos dem. Jag vill rikta ett speciellt stort tack till Mattias Albertsson som varit min handledare på företaget och som varit till stor hjälp genom hela projektet. Samt min handledare på Kungliga Tekniska Högskolan Joakim Hedegård som gett mycket god feedback till mitt arbete.
2020-09 Frövi
Innehållsförteckning
Sammanfattning Abstract
Figurförteckning Tabellförteckning
1. Inledning ... 1
1.1 BillerudKorsnäs AB ... 1
1.2 Divisioner ... 1
1.1.1 Division Board ... 2
1.1.2 Division Paper ... 2
1.1.3 Division Solutions ... 3
1.3 Frövi/Rockhammars Bruk ... 3
1.4 Bakgrund ... 4
1.5 Syfte & Mål ... 4
1.6 Avgränsningar ... 5
1.7 Nulägesbeskrivning ... 5
2. Metod ... 7
2.1 Insamling av data ... 7
2.1.1 Nulägesanalys ... 7
2.1.2 Material ... 7
2.1.3 Kontakt med leverantörer ... 7
2.1.2 Litteraturstudie ... 7
2.1.3 Praktik & Studiebesök ... 8
2.2 Mjukvaror ... 8
2.2.1 Solid Edge ... 8
3. Teori ... 9
3.1 Sulfatmassaprocessen ... 9
3.2 Kausticeringsprocessen/mixeri ... 10
3.3 Materialteori ... 10
3.4.1 Rostfria stål ... 10
3.4 Nötning & Slitage ... 13
3.5 Korrosion ... 14
3.4.1 Allmän korrosion ... 15
3.4.2 Spaltkorrosion ... 15
3.4.3 Gropfrätning, punktfrätning ... 15
3.4.4 Interkristallin korrosion, korngränsfrätning ... 16
3.4.5 Erosionskorrosion ... 16
3.4.6 Kavitation ... 16
3.5 Korrosionsskydd ... 17
3.5.1 Termisk sprutning ... 17
3.5.2 Laserpåsvetsning ... 18
3.5.3 Kemisk förnickling... 18
3.5.4 Keramiska beläggningar ... 18
3.6 Svetsteori ... 19
3.6.1 Svetsmetoder ... 19
3.6.2 Svetsning av rostfria stål ... 21
3.6.3 WPS & WPQR... 23
4. Kandidater ... 24
4.1 Korrosionstyper & slitage ... 24
4.2 Material ... 25
4.2.1 1.4432/316L Austenit ... 26
4.2.2 1.4462/Alloy 2205 Duplex ... 27
4.3 Tillverkningsprocesser ... 27
4.3.1 Ytbeläggning ... 27
4.3.2 Svetsning ... 29
4.4 Val av kombination ... 30
4.5 Livstidsanalys ... 30
5. Tillverkning ... 33
5.1 CAD modellering ... 33
5.2 Ytbeläggning ... 34
5.3 Svetsning & montage ... 37
6. Resultat & Diskussion ... 38
7. Slutsats ... 40
8. Referenser ... 41
Bilagor ... 1
Bilaga A. Ritningar ... 1
Bilaga B. Svetskvalificeringsprocedur (WPQR) – Karlstads processrör AB. ... 5
Bilaga C. Svetsdatablad (WPS) – Karlstads processrör AB. ... 6
Sammanfattning
BillerudKorsnäs AB är ett företag inom skogsindustrin som tillverkar cellulosamaterial så som papper och kartong. Ett av företagets bruk ligger i Frövi, där examensarbetet också har utförts.
I dagsläget finns stora problem med att rörledningar och andra komponenter slits av de kemikalier som används i fabrikens processer. Eftersom ett kartongbruk är stort och har en mängd processer har arbetet avgränsats till att titta närmare på en specifikt utsatt rörböj inne på mixeriet. Mixeriet eller kausticeringsprocessen är den process där vitlut återvinns för att senare kunna återanvändas som kokvätska då träfibrer kokas sönder för att bli pappersmassa. I slutet av återvinningsprocessen av vitlut innehas ett ämne kallat mesa, vilket är en mycket alkalisk blandning av vitlut och kalk (pH>13). Blandningen nöter på ledningarna både fysiskt och kemiskt och BillerudKorsnäs önskar att förlänga det specifika rörets livslängd till över 8 veckor som är fallet idag. Det skulle sänka underhållet och göra det möjligt att hålla högre tillgänglighet på anläggningen.
Målet med arbetet var att ta fram svetsbara material och ytbeläggningar med högt korrosionsmotstånd till en rimlig kostnad. Dessa jämförs sedan mot varandra och den mest lovande kombinationen testas i produktion.
Genom en litteraturstudie i ämnen som sulfatprocessen, materialteknik, svetsning, ytbeläggning och korrosion har kunskapsluckor täppts igen och arbetet kunnat utföras. Till en början gjordes en nulägesundersökning för att få en bild av uppdraget. Författaren har även haft frekvent kontakt med anställda på BillerudKorsnäs för att inhämta nödvändig kunskap. Det har också gjorts ett studiebesök på Duroc Laser Coating AB i Luleå.
Det material som valts är det syrafasta rostfria 316L, vilket är det material som redan används idag. Anledningen till att materialbyte inte ansågs nödvändigt var att rörets utsida ansågs opåverkat. För att lösa problemet med att ledningen slits sönder inifrån valdes en beläggning kallad WCCo. WCCo är Duroc Laser Coating AB:s beläggning av kobolt som appliceras på grundmaterialet genom lasersvetsning. I matrisen av kobolt är det sedan inblandande volframkarbider, vilket gör materialet mycket hårt och tåligt.
Under 8 veckor gjordes ett experiment där rördelen fick sitta i produktion för att senare undersöka om beläggningen skulle klara påfrestningen. Då tiden hade gått demonterades röret och vid inspektion kunde inga tecken på slitage ses varken på beläggningen eller rörets grundmaterial. Däremot finns förbättringar att göra på detaljens konstruktion för att bland annat minska den deformation som orsakades under påläggssvetsningen.
Den slutsats som ändå dras av arbetet är att det är möjligt att förlänga livslängden hos rördelar genom att laserpåsvetsa med WCCo. Författaren rekommenderar även BillerudKorsnäs att prova metoden på andra utsatta platser i produktionen.
Abstract
BillerudKorsnäs AB is a corporation who operates within the forest industry and manufactures cellulose material, such as paper and cardboard. One of the company’s cardboard mill is located in Frövi, which is where this thesis project has taken place.
As of today, major issues occur when pipelines and other components are constantly torn by the chemicals being used in the manufacturinge process. Since a cardboard mill is large and has a variety of processes, this piece of work has been limited to focus on a type of pipe bend which is more exposed to wear than others in the causticization process. The causticization process is the process where lye is being recycled in order to be used as boiling liquid when wood fibres are boiled asunder to become pulp. The final stage of the recycling process of lye, holds a substance called mesa, which is a very alkalic mixture of lye and lime (pH>13). This mixture tears out the wires both physically and chemically, and BillerudKorsnäs wishes to extend the lifetime on this specific pipe to more than eight weeks which is its current life time. By doing so, the maintenance would decrease and make it possible to keep a higher availability at the facility.
The aim of this project was to achieve weldable material and coatings with a high corrosion resistance for a fair price. These are compared to each other at a later stage and the best combination selected to be tried in the production.
Through a literature study in subjects such as sulphate processes, materials technology, welding, surface coatings and corrosion, knowledge gaps have been closed and this project was successfully carried out. Initially, a survey of the current situation was conducted to get a better understanding of the assignment. The author has frequently been in contact with
employees at BillerudKorsnäs to obtain the necessary knowledge. A study visit has also been made to Duroc Laser Coating AB in Luleå.
The material chosen is the acid-resistant stainless steel 316L, which is the material already used today. The reason why a change of material was not considered necessary was that the outside of the pipe was considered unaffected. To solve the problem of the pipe being torn from the inside, a coating called WCCo was chosen. WCCo is a laser welded surface by Duroc Laser Coating AB that contains of an cobolt matrix and volfram carbides, which makes it very hard and durable.
For 8 weeks, an experiment was performed where the pipe part was allowed to be mountet in production in order to investigate wether the coating would withstand the strain. As the time had passed, the pipe was demounted and during inspection no signs of wear could be seen on either the coating or the base material of the pipe. On the other hand, there are improvements to be made to the construction of the part to, among other things, reduce the deformation that occurred due to the overlay welding.
To conclude, it is possible to extend the service life of pipe fittings by a laser welded surface with WCCo. The author also recommends BillerudKorsnäs to try the method in other
vulnerable areas of their production.
Figurförteckning
Figur 1: Omsättningens fördelning över de olika divisionerna år 2018.
Figur 2: Försäljning inom gruppkategori Division Board.
Figur 3: Försäljning inom gruppkategori Division Paper.
Figur 4: Frövi/Rockhammars produktionsanläggning i Frövi.
Figur 5: Rördetaljen monterad i mixeriet.
Figur 6: Utsliten rörböj från mixeriet.
Figur 7: Potential-pH-diagram för järn (Swerim, 2020).
Figur 8: Schaeffler-diagram (Bild från Swerim, 2020).
Figur 9: Schaeffler-deLong-diagram (Bild från Swerim, 2020).
Figur 10: WRC92-diagram (Bild från Swerim, 2020).
Figur 11: Slitage i rörböj.
Figur 12: Korrosionsbeständighet och hållfasthet rostfria material. Bild lånad av: Veostalpine.
Figur 13: Modell av svetsring.
Figur 14: Modell av mellersta delen av rördetaljen.
Figur 15: Modell av rörböj.
Figur 16: Modell av fläns.
Figur 17: Modell av komplett rördetalj.
Figur 18: Fixturering av rörböj för lasersvetsning.
Figur 19: ABB-robot med tillhörande invändig optik för svetsning med fiberlaser.
Figur 20: Pågående beläggning av WCCo med lasersvetsning.
Figur 21: Belagd och deformerad rörböj.
Figur 22: Riktning av rörböj med hjälp av portopower.
Figur 23: Återanvända rördetaljer.
Figur 24: Rör under pågående svetsning.
Figur 25: Färdigsvetsad rörkomponent.
Figur 26: Resultat efter experiment, svets.
Figur 27: Resultat efter experiment, beläggning.
Figur 28: Resultat efter experiment, rör.
Tabellförteckning
Tabell 1: Tekniska data rörböj mixeri.
Tabell 2: Maximala kol-, fosfor och svavelhalter för stål avsedda för svetsning och formning enligt SS-EN 13480-2.
Tabell 3: Kemisk sammansättning Supra 316L/4432 (Outokumpu, 2020).
Tabell 4: Tekniska data Supra 316L/4432 (Outokumpu, 2020).
Tabell 5: Kemisk sammansättning Forta DX 2205 (Outokumpu, 2020).
Tabell 6: Tekniska data Forta DX 2205L (Outokumpu, 2020).
Tabell 7: Kemisk sammansättning Stellite 21.
Tabell 8: Ungefärliga hårdhetsvärden av påsvetsad och bearbetad Duroc C21.
Tabell 9: Kvalificering av svetsprocedur enligt SS-EN 13480.
Tabell 10: Anskaffningskostnad.
Tabell 11: Drifts- och underhållskostnader för stopp av massabruket.
Tabell 12: Svetsdata laserpåläggning
1
1. Inledning
I inledningsavsnittet kommer företaget BillerudKorsnäs AB samt kartongbruket i Frövi/Rockhammar att presenteras. Vidare kommer bakgrunden, syftet och målen med arbetet att beskrivas. Samt vilka avgränsningar som har gjorts. Sist kommer även en beskrivning på nuläget.
1.1 BillerudKorsnäs AB
BillerudKorsnäs AB är en ledande leverantör av förnyelsebara material och smarta förpackningslösningar. Företaget bildades 2012 genom sammanslagningen mellan Billerud och Korsnäs, men sammantaget så har de mer än 150 års erfarenhet av skogsbruk och papperstillverkning. [1] Idag sker tillverkningen på sju bruk. I Grums, Skärblacka, Karlsborg, Gävle, Frövi/Rockhammar, Jakobstad samt Beetham- [2] 2017 hade bolaget 4395 anställda och en omsättning på drygt 22,5 miljarder. [3] BillerudKorsnäs strävar efter att tänka utanför ramarna genom att utveckla och tillverka innovativa och interaktiva konsumentförpackningar som också är återvinningsbara. [4] Konsumenterna blir allt mer medvetna om hållbarhetsfrågor och BillerudKorsnäs skall vara den självklara partnern i att skapa en hållbar framtid. [5]
1.2 Divisioner
BillerudKorsnäs AB är uppdelat i tre divisioner. Division Board, Division Paper och Division Solutions.
Figur 1: Omsättningens fördelning över de olika divisionerna år 2018.
2 1.1.1 Division Board
Inom Division Board ingår produkter som vätskekartong, förpackningskartong och wellpappmaterialen fluting och liner som säljs framförallt till förpackningstillverkare.
Figur 2: Försäljning inom gruppkategori Division Board.
1.1.2 Division Paper
Inom Division Paper säljs produkterna kraftpapper och säckpapper vilka går till framförallt tillverkare inom torra livsmedel, medicinska applikationer och byggindustrin.
Figur 3: Försäljning inom gruppkategori Division Paper.
3 1.1.3 Division Solutions
Division Solutions består av ytterligare tre olika divisioner Managed Packaging, Systemförsäljning och Utveckling.
• Managed Packaging: Erbjuder sina kunder förpackningslösningar och tjänster skräddarsydda för deras kunder.
• Systemförsäljningen: Inom förpackningssystem erbjuder företaget samarbete med maskintillverkare och konverterare för att ta fram optimala förpackningslösningar.
• Utveckling: BillerudKorsnäs strävar efter att dels ta fram nya material men också att erbjuda helt nya produkter. Utvecklingen sker både internt inom koncernen och med branschledande aktörer [6].
1.3 Frövi/Rockhammars Bruk
Platsen där Frövifors Bruk ligger har länge varit en plats för industriell tillverkning. Redan på 1500-talet bedrev Gustav Vasa järnhantering här. Platsen omtalas som Fröuij hamar första gången 1558. Då bedrevs tillverkning av olika järnämnen med stångjärnshammare och järnmanufakturverk [2].
År 1891 vid en bolagsstämma redogjordes för en planerad pappersbruksanläggning och Frövifors Pappersbruks AB bildas. Det såldes sedan 1901 och företaget ombildas till Frövifors Bruks AB vilket är det bolag som idag ingår i BillerudKorsnäs koncernen. [7]
Frövi/Rockhammars
produktionsanläggningar utanför Örebro är idag världsledande på tillverkning av förpackningskartong och vätskekartong för
användare med mycket höga krav. I Rockhammar tillverkas det som kallas CTMP (Kemisktermomekanisk massa). Denna levereras i balad form till Frövi. I Frövi tillverkas sulfatmassa och här finns även kartongmaskinen KM5 samt utvecklingscenter och laboratorium med expertkunskap inom förpackningsoptimering, trycksupport och konverteringssupport.
Vätskekartongen som tillverkas används till förpackningar för mjölk, juice, yoghurt etc.
Förpackningskartongen används till mer exklusiva förpackningar för till exempel parfym, choklad, elektronik, exklusiva drycker samt torra och frysta livsmedel. [2]
Figur 4: Frövi/Rockhammars produktionsanläggning i Frövi.
4
1.4 Bakgrund
I sulfatmassaprocessen på kartongbruket i Frövi tillverkas kartongmassa, vilket är den substans som sedan vidareförädlas till den kartong som används i våra vardagliga förpackningar. I sulfatmassaprocessen används en mängd kemikalier. Dels för att koka sönder massaveden, men också för att rena samt skilja kemikalier från varandra.
Mixeriet är en del av sulfatmassaprocessens återvinningssystem för kemikalier. I denna process skiljs tillverkningskemikalier ut för att sedan gå antingen till mesaugnen för att återvinnas eller tillbaka in i kokeriet och koka ny massa.
De ingående kemikalierna i mixeriet är natriumhydroxid (lut) och kalciumkarbonat (mesa) i en starkt alkalisk lösning. Det medför hårda slitage samt korrosion på processutrustningen. Slitaget beror på de hårda bitar som transporteras i rören som därmed åstadkommer erosion.
Korrosionen beror framförallt på frätning rent kemiskt. Då slitaget på rören blivit så stora att det blir läckage så måste det repareras genom att byta ut dem. Det görs idag genom antingen svetsning eller flänsförband, vilket medför stora kostnader och för med sig en otrevlig arbetsplats för underhållspersonalen.
1.5 Syfte & Mål
Examensarbetet syftar till att utifrån givna förhållanden ta fram förslag på möjligheter att kunna utöka livslängden på framförallt rörledningar för kemikalier inne i mixeriet.
Produktiv tid är en avgörande aspekt för ett kartongbruk vilket kräver att en hög tillgänglighet hålls på anläggningen. Vidare är underhållsarbete på anläggningar som mixeriet något man vill undvika på grund av de kemikalier som används i processen. Många av dem är mycket frätande vilket medför att operatörerna kan utsättas för en risk även om de bär den skyddsutrustning som rekommenderas.
I dagsläget byts delar ut i mixeriet då slitaget blivit för stort. Det görs genom att den del som korroderat sönder byts ut med antingen flänskopplingar eller att de kapas och svetsas in. Det medför stillestånd i produktionen vilket till varje pris vill undvikas. BillerudKorsnäs önskar förbättringsalternativ samt ytterligare kunskap om vad som egentligen medför dessa problem, samt hur man eventuellt skulle kunna förbättra hållbarheten och där igenom öka processäkerheten.
Förslag på tänkbara svetsbara material och ytbeläggningar med högt korrosionsmotstånd för rörledningar skall tas fram. De kommer sedan jämföras med varandra och testas i produktion för att säkerställa resultatet. Det kommer även att göras övergripande kostnadskalkyler för investeringen.
Målet är att hitta ett material och en ytbeläggning för en rimlig investeringskostnad. Materialet måste vara svetsbart med konventionella metoder som MMA och ytbeläggningen skall klara den hårda miljö som råder i mixeriet.
5
1.6 Avgränsningar
Frätande kemikalier sliter och korroderar material på ett flertal ställen i sulfatprocessen men för att arbetet skall vara möjligt att utföra inom utsatt tid så har vissa avgränsningar gjorts. Mixeriet har valts till den process som kommer att undersökas närmare, på grund av att slitaget är som störst där. Vidare kommer inga system såsom pumpar, ventiler eller filter att behandlas, utan arbetet kommer att fokusera på rörledningar. Specifikt en typ av rörböj där slitaget är mest allvarligt.
1.7 Nulägesbeskrivning
Slitaget och korrosionen skiljer sig ganska kraftigt beroende på vart i systemet man befinner sig. Det beror bland annat på att luten avskiljs steg för steg vilket gör mesan tjockare och sliter mer ju längre i fram i processen man kommer. För att problemet skall bli överskådligt har en specifik rörböj valts ut. Denna rörböj se figur 5: nedan, är en av systemets mest utsatta punkter vilket medför att det också är där som mest underhållsarbete behöver utföras. Rörböjen byts i nuläget ut ungefär var åttonde vecka. Det går alltså åt sex nya detaljer per år. Se ritningar över detaljen samt dess position i mixeriet i Bilaga 1.
Figur 5: Rördetaljen monterad i mixeriet.
Nedan i tabellen ses de tekniska data som råder i rörledningen.
Tabell 1: Tekniska data rörböj mixeri.
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑒𝑡 1466 𝑘𝑔/𝑚3
𝑇𝑟𝑦𝑐𝑘 𝐴𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓ä𝑟, 101,325 𝑘𝑃𝑎
𝐹𝑙ö𝑑𝑒 𝑐𝑎 8,6 𝑙/𝑠
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟 95 − 100 °𝐶
𝑝𝐻 − 𝑣ä𝑟𝑑𝑒 > 11
𝐾𝑜𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑠 𝐵𝑙ö𝑡 𝑑𝑦/𝑠𝑗ö𝑏𝑜𝑡𝑡𝑒𝑛
6 Röret i fråga är av materialet 1.4432/316L vilket är ett syrafast austenitiskt rostfritt lågkolstål.
Under svetsning innebär det låga kolinnehållet att risken för karbidutskiljningar minimeras i och med den tillförda sträckenergin, vilket i sin tur minimerar risken för interkristallin korrosion. Godstjockleken är 2 mm och utvändiga diameter är 154 mm. [8]
Som kan ses i figur 6 nedan så är slitaget minst sagt stort, det är oklart om någon av underhållsoperatörerna har brutit i hålet under nedmonteringen och att det därigenom blivit större. Men materialgodset runt hålet är mycket tunt och det är tydligt att mediet har slipat sönder böjens insida.
Röret i fråga kommer ifrån clarifil 1 och 3. I en clarifil skiljs mesa från vitlut och vitluten pumpas tillbaka till massakokningen. På bruket finns totalt tre clarifiler men det är bara i 1 och 3 som det bereds vitlut. Problemet i mixeriet idag är att rören efter clarifil 1 och 3 möts innan pumpburken för mesa, det betyder att när läckage uppstår i rörböjen i fråga så går det inte att byta clarifil. Det eftersom båda leder till samma ledning och medför att hela mixeriet måste stängas ned och tömning, städning och underhåll måste utföras.
När röret brister och det börjar läcka kommer det vitlut och mesa på golvet och runt om i anläggningen, vilket är mycket frätande (>13 pH). Därför behövs städning noga utföras innan reparationsarbete kan påbörjas. Städning sker genom att mediet spolas bort av två personer. För att arbetet med tömning, städning och underhåll skall ske på ett kontrollerat och säkert sätt så tar det ca 3h för två personer.
Hur allvarligt ett läckage blir beror på hur nivåerna av media ligger i övrigt inom massabruket.
Om bara Kausticeringen/mixeriet stoppas utan att påverka något annat så kan det översättas till ett tapp av vitlutsproduktion vilket motsvarar samma mängd köpt natronlut som också tappas.
Men oftast är det inte så enkelt, beroende på hur nivåerna ligger i övrigt på fabriken så kan många andra processer behöva stängas. Det är inte ovanligt att man ligger på ca 20% vitlut i cisternen vilket motsvarar 360 kubikmeter, samtidigt som man pumpar in 97,2 kubikmeter i timmen in i kokaren för att koka ny massa. Då produktionen av ny vitlut stoppas betyder det att man har 360/97,2 = 3,7h på sig att laga läckaget innan hela massabruket slutar att producera.
Det scenariot har hittills inte hänt men enligt operatörerna har det vid flera tillfällen varit nära.
Är det däremot ett sedan länge planerat dagsstopp så är situationen helt annan, det blir då betydligt billigare eftersom röret då förhoppningsvis inte hunnit brista.
Figur 6: Utsliten rörböj från mixeriet.
7
2. Metod
I det här avsnittet kommer det att redovisas vad tillvägagångssättet har varit för att lösa examensarbetet.
2.1 Insamling av data
För att kunna lösa examensarbetet behövde ganska stora kunskapsluckor fyllas. Först behövde författaren inhämta kunskap om de system och kemikalieprocesser som förekommer på ett kartongbruk. Sedan behövde kunskap inhämtas om de reaktioner som sker när kemikalierna möter metall, ytbeläggningsteori samt materialteknik behövde också studeras.
2.1.1 Nulägesanalys
Det genomfördes en nulägesanalys genom intervjuer av operatörer på bruket. Det för att ta reda på hur kausticeringssystemet är uppbyggt idag med avseende på material, montageteknik, tekniska data samt vilket media som flyter i ledningarna.
2.1.2 Material
Sedan studerades material på internet för att få vidare kunskap om mixeriprocessen, ytbeläggningsteknik, materialteknik, svetsning och korrosion. Ritningar inhämtades från BillerudKorsnäs konstruktionsavdelning för att se en helhet över systemet i fråga. Senare kontaktades andra företag som kunde tänkas ha liknande problem för att på så sätt göra en omvärldsanalys. Då alternativ till material och ytbeläggningar hade tagits fram så jämfördes dessa emot varandra. Det för att besluta om vilka av kombinationerna som skulle tillverkas och monteras in på prov i produktionsanläggningen.
2.1.3 Kontakt med leverantörer
Under arbetets gång har mycket information och kunskap inhämtats från leverantörerna av de komponenter som beställts till examensarbetet. I frågor gällande grundmaterial och rostfria stål gav Therese Bodén på Outokumpu Stainless mycket god vägledning i vilka material som kunde vara lämpliga, samma gäller Erik Poohl på OSTP som även hjälpt till att ta fram en rörböj till projektet. Sist men inte minst har Sören Isaksson på Duroc Laser Coating AB varit mycket hjälpsam och svarat på frågor som kommit upp om laserpåsvetsningsprocessen.
2.1.2 Litteraturstudie
De böcker och den litteratur som studerats under examensarbetets gång har behandlat ämnesområden som lutförbränning sulfat och sulfit, lutindunstning och biprodukter, materialteknik, svetsning, ytbeläggning och korrosion.
8 2.1.3 Praktik & Studiebesök
En väldig fördel under tiden för examensarbetet har varit att författaren haft tillgång till ett eget kontor på BillerudKorsnäs i Frövi. Det har inneburit att det alltid funnits mängder av kunskap nära till hands då frågor uppstått.
BillerudKorsnäs har även varit mycket generösa med guidade turer på bruket samt säkerhetsutbildningar och besök hos insatta människor inom examensarbetets område.
Operatörerna har även varit mycket hjälpsamma i att berätta om systemen och de arbetssätt och rutiner som används vid diverse drift- och underhållsarbete.
Det har även gjorts ett studiebesök på Duroc Laser Coating AB i Luleå då komponenterna till examensarbetet tillverkades. Besöket gav mycket kunskap om ytbeläggningar och laserpåsvetsningsprocessen.
2.2 Mjukvaror
2.2.1 Solid Edge
För att kunna tillverka detaljen behövde ritningar tas fram. Det gjordes genom att en utsliten detalj modellerades upp. Kunskap för dess utförande inhämtades genom kurser tidigare under Civilingenjörsutbildningen i Maskinteknik.
Modelleringen gjordes i Solid Edge, vilket är en mjukvara för modellering i både 2D och 3D.
Solid Edge är utvecklad av Siemens.
9
3. Teori
I det här kapitlet kommer den teori som används i arbetet att presenteras och diskuteras.
3.1 Sulfatmassaprocessen
Sulfatmassaprocesessen har fått sitt namn av att man förr i tiden ersatte svavel- och natriumförluster i processen med natriumsulfat (Na2SO4). Nu för tiden är dock förlusterna av dessa ämnen mycket små vilket gör att behovet av tillförsel är begränsat.
I sulfatmassaprocessen används vitlut som kokvätska vilken till huvudsak består av natriumhydroxid (NaOH) och Natriumsulfid (Na2S) plus några andra kemikalier. De andra deltar dock inte i utvinningen av ligninet i veden.
Då kokningen är färdig finns lut kvar i massan vilken kallas svartlut, denna måste tvättas ut innan massan fortsätter till silning, blekning och torkning. Den urtvättade svartluten blir nu returlut som går in i processåtervinningssystemet.
Veden kommer normalt till fabriken som antingen rundved eller som flis från sågverk.
Rundveden läggs i stora roterande trummor där den barkas genom att stockarna gnids mot varandra och mot trummans insida. När stockarna är barkade fortsätter de in i en huggmaskin och rundveden blir flis, samtidigt som barken används som bränsle i fabrikens ångpannor.
När man kokar massan finns det två tekniker som tillämpas, antingen genom kontinuerlig kokning eller genom batchkokning. Vid kontinuerlig kokning matas flis och vitlut ner i toppen på kokaren och den färdiga massan blåses ut i botten. Vid batchkokning kokas en batch i taget med flis, vitlut och svartlut. Vätskan pumpas runt genom silar och värmeväxlare där ånga värms och sen tillbaka in i kokaren. När kokningen är färdig töms hela kokaren på en gång genom en ventil i botten.
När kokningen är färdig är det viktigt att massan silas och tvättas. Annars behövs ökad mängd kemikalier senare i blekeriet där massan bleks för att få en ljusare ton. Om inte tvättprocessen fungerar ger det även ökad miljöpåverkan och en sämre massakvalitet, man förlorar också ämnen som annars hade kunnat användas i kokprocessen.
Till sist pumpas massan till pappers- eller kartongbruket där den torkas genom suglådor och pressvalsar i den långa pappers/kartongmaskinen. I maskinens ände rullas sedan pappret/kartongen upp samt kapas till rätt dimensioner. [9]
10
3.2 Kausticeringsprocessen/mixeri
I sulfatmassaprocessen återvinns många av de kemikalier som används, dels i sodapannan men också i vitlutberedningen. Vitlutberedningen består av många processer och reaktioner, därför fokuserar vi på att beskriva kausticeringen/mixeri där projektuppgiften finns.
Utifrån en process som kallas kalksläckaren kommer en blandning av lut och kalk, blandningen pumpas in i flera seriekopplade kausticeringskärl. Där natriumkarbonat och kalciumhydroxid reagerar och omvandlas till natriumhydroxid och kalciumkarbonat.
Natriumhydroxid är samma sak som kaustikstiksoda och därav namnet på processen.
När kausticeringen är färdig har man fått tillbaka vitlut, vilket är det stora syftet med återvinningsprocessen eftersom denna åter kan användas som kokvätska. Innan det kan ske måste dock ännu en restprodukt avskiljas nämligen kalciumkarbonat eller mesa som det också kallas. Mesa är en grå blandning som påminner om gyttja eller lera. Avskiljningen av denna sker vanligen genom diverse filter av olika slag, mesan fortsätter sedan och bränns om till kalk i en stor roterande ugn, en så kallad mesaugn. [10]
3.3 Materialteori
Miljön i kausticeringen/mixeriet är mycket krävande, både med avseende på mediet i rören och atmosfären runt dem. Därför har det valts att endast studera rostfria stål. Anledningen till att man valt bort studier av till exempel nickel-baser eller titan beror på att de är dyrare och svårare att arbeta med vid underhålls- och svetsarbeten.
3.4.1 Rostfria stål
Rostfritt stål är inte ett material utan ett samlingsnamn för en hel grupp av olika material.
Det de rostfria materialen har gemensamt är att:
• Huvudämnet är järn och därför blir de rostfria stålen just stål.
• Legeringen skall innehålla minst 10,5% krom (Cr)
• Legeringen får inte innehålla mer än 1,2% kol (C) [11]
Rostfria stål har god korrosionsbeständighet, men en bättre benämning vore kanske att säga att de är rosttröga. Motståndet mot korrosion åstadkoms genom ett mycket tunt oxidskikt av framförallt järn och krom vilket isolerar materialet från den omgivande miljön. Då skiktet skadas kan det i vissa fall läka och återskapas genom så kallad repassivisering. Ibland händer det dock att oxidfilmen bryts ned och inte kan återbildas, vilket ger allvarliga korrosionsangrepp. När väl korrosionen satt igång kan gropfrätning starta vilket fräter hål på materialet mycket snabbt. Det här betyder att rostfria stål är mycket bra mot korrosion förutsatt att man kan hindra att korrosionen överhuvudtaget startar. Lyckas man med det kan man få ett material som i princip kan hålla hur länge som helst. [12]
Olika rostfria material kan ha helt olika egenskaper beroende på hur deras sammansättning och mikrostruktur ser ut. Den första uppdelningen som görs är att dela upp dem i dess fem
11 huvudgrupper. D.v.s austeniter, martensiter, ferriter, duplexa och martensit-autstenitiska.
Det finns även en grupp som kallas syrafasta, dessa är austenitiska med ökad mängd molybden.
• Austenitiska rostfria stål:
Är de absolut vanligaste rostfria stålet och utgör 70% av jordens förbrukning av dessa material. Om man inte är insatt i rostfria stål så är det troligt att man inte ens har hört talas om andra än de austenitiska. Dessa stål består av en FCC struktur och har en generellt god korrosionsbeständighet. Men där dessa stål utmärker sig som mest är genom deras goda bearbetningsegenskaper och att det är den klart enklaste gruppen av rostfria stål vad gäller svetsning, då bara varmsprickrisk behöver beaktas.
De mekaniska egenskaperna är också goda. De austenitiska rostfria stålen är de mest temperaturtoleranta och blir inte spröda vid låga temperaturer, de har även mycket bra egenskaper vid höga temperaturer. Vad gäller korrosionsegenskaper så är de ofta mycket goda då dessa stål ofta innehåller 16-18% Cr, 8-10% Ni och 2-3% Mo vilket gör de motståndskraftiga mot många medier. Dock är de inte speciellt bra mot spänningskorrosion. [11]
• Martensitiska rostfria stål:
Martensitiska rostfria stål används för till exempel knivar och skärande verktyg eftersom de har bra härdningsegenskaper. De har även mindre C och Ni än de austenitiska. Martensitiska rostfria stål är mycket hårda och har hög kolhalt vilket gör att de varken kan bockas eller svetsas speciellt bra. De blir också känsliga för korrosion, speciellt punktfrätning.
• Ferritiska rostfria stål:
De ferritiska stålen kallas ofta kromstål på grund av sitt höga innehåll av krom, 11- 19%. Samtidigt som de nästan inte innehåller något C eller Ni. Ferritiska- och martensitiska rostfria material är egentligen kemiskt ganska lika förutom att de ferritiska knappt innehåller något kol och därför inte kan härdas. Dock medför det att de istället är mer formbara och svetsbara.
Korrosionsmässigt är de ferritiska överlag sämre än austeniterna, speciellt vid allmän korrosion i starka syror. Ett område där de ferritiska är speciellt bra är emellertid vid spänningskorrosion i höga temperaturer.
12
• Duplexa rostfria stål:
De duplexa rostfria stålen är två-fas material som består av vanligen runt 55% ferrit och 45% austenit. De duplexa stålen har ofta ett mycket högt krominnehåll (Cr) samtidigt som nickelinnehållet (Ni) ligger någonstans mellan de ferritiska och austeniterna (0-8%). I mikrostrukturen hos ett duplext material så ligger austeniten som små öar i en omgivande sjö av ferrit, denna struktur gör dessa material mycket mekaniskt starka. De är även relativt bra att forma och svetsa även om det austenitiska materialen är bättre. De är heller inte fullt lika starka som de martensitiska rostfria materialen.
Mot korrosion är duplexa material mycket bra, speciellt mot spänningskorrosion, punktfrätning och spaltkorrosion. Duplexa material innehåller dock som tidigare nämnt mindre nickel (Ni) än austeniterna vilket gör att de klarar allmän korrosion något sämre. Man använder ofta duplexa material där de austenitiska materialen inte räcker till med avseende på punktfrätning, spänningskorrosion och spaltkorrosion.
[11]
• Martensit-austenistiska rostfria stål:
De martensit-austenitiska stålen är magnetiska och innehåller mellan 65-80% anlöpt martensit och den resterande delen austenit, vilket de fått genom härdning i olja och en senare anlöpning vid 600°C. Om man jämför de martensitska stålen med de martensit-austenitiska så har dessa en bättre duktilitet samt bättre svetsbarhet, det beror på att hårdheten hos martensiten blir relativt låg vilken minskar risken för sprickbildning. [20]
• Syrafasta rostfria stål:
Syrafasta stål kallas i praktiken de austenitiska material som innehåller ca 2%
molybden (Mo), de vanligaste sorterna av syrafast material är de i 316-klassen.
Molybden är viktigt för stålets korrosionsbeständighet och generellt kan man säga att ju mer molybden (Mo) desto bättre för de flesta korrosionstyper som allmän korrosion, spaltkorrosion, punktfrätning och spänningskorrosion. Undantaget är då man i sällsynta fall får uppkomst av kromkarbider och då får interkristalin korrosion, men då handlar det istället om stålets kolhalt och på grund av detta bör man alltid välja kvaliteter med så låg kolhalt som möjligt. [11]
13
3.4 Nötning & Slitage
Nötning uppkommer då ytors relativa rörelser skapar friktionskrafter. Den verkliga kontakten mellan ytorna är egentligen flera tiopotenser mindre än hela arean vilket lätt ger succesivt slitage av materialet. Vid rörelse kolliderar då utstickande ojämnheter i ytan vilket ger upphov till deformationer och ökande temperatur. Nötning beror bland annat på yttryck, glidhastighet, material, jämnhet, hårdhet, smörjmedel, föroreningar, temperatur eller beläggning. Nötning och slitage är en av de största orsakerna till driftstörningar hos maskiner och processutrustning, vilket i sin tur kräver reparationer och underhåll. Förlusten av material från en yta kan ske genom mikrobristning, det kan även inträffa vid kemisk upplösning eller smälta. När nötning diskuteras brukar man prata om några olika huvudtyper, adhesiv-, abrasiv-, utmattnings- och korrosivt slitage. Oftast uppstår nötning på grund av att dessa huvudtyper är kombinerade. [13]
• Vid adhesivt slitage kommer ytorna att mikrosvetsas till varandra vid kontakt, Då ytorna sedan rör på sig kommer mikrosvetsarna att slitas isär och avverkning av material sker. Det är adhesivt slitage som i dagligt tal kallas nötning eller skavning.
• Vid abrasiv nötning skapas istället friktion mellan en hård partikel och en mjukare yta. Den hårda partikeln kommer att verka som ett skärande verktyg och spånor bildas, vilket gör ytan repig. Om det är två individer med i processen, dvs partikel och yta så kallas det tvåkroppsslitage. Har däremot en partikel fångats mellan två motstående ytor kallas det trekroppsslitage. Där partikeln kan vara antingen fri eller delvis inbäddad i någon av ytorna.
• Vid cyklisk belastning skapas utmattning, det uppkommer när lasten är högre än materialets utmattningsgräns. Det skapar små sprickor vilka allt eftersom växer till för att till slut gå ihop med varandra. Delaminering eller i värsta fall separation av materialet kan uppkomma.
• Sista slitagemekanismen är korrosivt slitage vilket diskuteras närmare i nästa avsnitt. [14]
14
3.5 Korrosion
Korrosion kommer från början från ordet corrodere som betyder ”gnaga sönder”. Det finns många typer av korrosion, den vanligaste och mest igenkända är rostangrepp av järn och stål. Men korrosion förekommer även hos andra metaller samt ickemetalliska material som plast, betong och keramer.
De allra flesta korrosionsprocesserna är av elektrokemisk natur genom så kallad oxidation (avgivande elektroner) eller reduktion (mottagande av elektroner). Dessa äger rum genom att det av någon anledning skapas galvaniska celler, s.k. korrosionsceller, vilket ofta kan skapa mycket stor skada på konstruktioner. Anledningen till att exempelvis järn rostar är att metallen vill tillbaka till det stabila tillstånd som förekom i malmen, istället för att vara i ett metalliskt tillstånd som oftast inte är stabilt. Då järnföreningarna återfaller till malmstadiet så skapas oxider och hydroxider av järn, vilket är det vi kallar rost.
En förutsättning för att korrosionsprocessen skall kunna starta och fortgå är att man har en termodynamisk drivkraft. Dvs reaktionen sker under avgivande av energi. Om istället reaktionen skulle behöva energi för att reagera så skulle det alltså inte ske spontant i naturen.
Det finns då ingen termodynamisk drivkraft och man säger att metallen är i ett stabilt tillstånd.
Då en metall är i beröring med vatten så beror tillståndsformen på vattnets redoxpotential, pH-värde samt systemets temperatur. Utifrån dessa parametrar kan man rita upp så kallade potential-pH-diagram och man kan utläsa under vilka förutsättningar en metall är stabil.
Nedan är ett exempel på hur ett potential-pH-diagram kan se ut. Som synes kommer i det här fallet järnet att vara immunt mot korrosion så länge potentialen ligger under ca -0.8 Volt. [15]
Figur 7: Potential-pH-diagram för järn (Swerim, 2020).
15 3.4.1 Allmän korrosion
Allmän korrosion kännetecknas av att hela ytan korroderar i jämn takt då ytan exponeras för ett korrosivt medium. Korrosionen uppstår i regel genom korrosionsceller mellan anod- och katodytor (som ej är skiljbara), dvs anod och katod verkar i ytan.
Korrosionsomfattningen mäts genom massförlusten per ytenhet eller genom medelfrätningen, vilken är mätbar då det är medelvärdet av korrosionsdjupet i ytan. Om materialets densitet är känd så kan omfattningen beräknas genom massförlusten per ytenhet.
Medelfrätningen per år styr ofta hur länge en produkt är användbar.
Allmän korrosion uppträder oftast i sura miljöer men kan även ske i mycket alkaliska medier. Ytskiktet hos till exempelvis aluminium, zink eller rostfria stål löses då upp i komplexjoner vilket påverkar oxidskiktet negativt i en homogen förtunning. Som tur är har det ganska liten påverkan och allmän korrosion är därför sällan ett problem då mediet är basiskt. Till och med då mediet består av 30% natriumhydroxid vid 100°C så har de både rostfria stålen 4401 och 4301 en korrosionsförlust runt 0,1 mm/år och mildare skador vid lägre temperaturer. Däremot finns en risk för så kallad lutsprödhet i högt alkaliska medier, en typ av spänningskorrosion som i sin tur kan ge upphov till interkristallina sprickor och genomfrätning på kort tid. Fenomenet med lutsprödhet uppstår hos austenitiska stål vid en temperatur över 140°C. [12]
3.4.2 Spaltkorrosion
Spaltkorrosion förekommer i smala spalter och beror på att förhållandena i spalten ändras.
Det kan ibland bero på att ett korrosivt medium ligger kvar i spalten medan omgivningen är torr eller att vätskeomsättningen är begränsad, om spalten befinner sig i en vätska. Då korrosion startar kan pH-värdet sjunka och kloridhalten öka vilket medför att korrosionen blir mer allvarlig i spalten än hos omgivande material. Denna typ av korrosion kan förekomma hos de flesta metaller men är speciellt vanligt hos passiverbara material som till exempel rostfritt stål. Ett speciellt ofta förekommande exempel är flänsförband i rostfritt stål som är i kontakt med havsvatten.
3.4.3 Gropfrätning, punktfrätning
Denna korrosionsprocess sker lokalt och orsakar frätgropar i metallen. Det sker genom korrosionsceller där anod och katod är särskiljbara. Anoden i frätgropen och katoden den omgivande ytan. Då gropfrätning startar så kan genomfrätning ske relativt fort, vilket gör den till en allvarligare process än till exempel allmän korrosion (Mattson, Kucera, 2020).
För rostfria stål kan en lokal nedbrytning av oxidskiktet ske och repassivering uteblir. Man får nu en liten anod i skadan och en stor katodisk yta vilket ger galvanisk korrosion hos anoden. Processen för genomfrätning i dessa fall är mycket snabb. Det kan handla om månader eller kanske veckor. Därför är det mycket viktigt att man inte skadar oxidskiktet då det handlar om rostfria material. Om korrosion inte har möjlighet att starta så kommer
16 konstruktionen hålla mycket lång tid. Om den däremot sätter igång så kan livslängden på detaljen bli mycket kort. [11]
För att avgöra ett ståls beständighet mot gropfrätning kan PREN-talet användas.
PREN=%Cr+3,3%Mo+16%N. Där analyseras vilken påverkan Cr, Mo och N har som legeringsämnen. Då två stål har samma PREN-tal så har de alltså samma motstånd mot gropfrätning oavsett hur legeringssammansättningen ser ut. Det spelar alltså ingen roll om det tillsätts 1% Mo eller 3,3% Cr. Samma PREN-tal ger samma motstånd. Utifrån stålens PREN-tal kan sedan en rankinglista göras för hur bra de är på att motstå punktfrätning.
Oturligt nog så kostar legeringsämnen mycket pengar, därför är inte lösningen att bygga allting med till exempel SMO eller super duplex. Man måste i varje enskilt fall hitta en balans mellan korrosionsbeständighet och pris. För att ta ett exempel har det vanliga 4301 ett PREN-tal på 17,5 med en legering av 17,5% Cr och ingen Mo eller N. Däremot det syrafasta 4401 har ett PREN på 23,1 även om det bara har 16,5%Cr, dock har det 2%Mo vilket skjuter upp dess PREN-tal. Genom bara den siffran kan det alltså förutses att 4401 kommer att ha bättre beständighet mot gropfrätning än 4301. [11]
3.4.4 Interkristallin korrosion, korngränsfrätning
Frätning och korrosion i metallens korngränser uppkommer oftast då metaller stelnar eller då man ogynnsamt värmebehandlar materialet. Kornen i materialet kan då få andra korrosionsegenskaper. Den här typen av korrosion är vanlig hos rostfria stål på grund av karbidutskiljningar vid för hög kolhalt och värmebehandling, vilket är vanligt att få i den värmepåverkade zonen (HAZ) vid svetsar.
3.4.5 Erosionskorrosion
Erosionskorrosion uppkommer i en samverkan mellan erosion och korrosion. Omfattningen av denna typ av korrosion beror vanligen på turbulensgraden då en vätska strömmar hastigt.
Det skapar frätgropar, fria från korrosionsprodukter. Ibland kan de även ha hästskoform med skänklarna pekandes i strömningsriktningen. I många fall startar korrosionsförloppet på grund av att skyddande beläggningar som passiveringsskikt eller korrosionsprodukter skadas. Eller att de helt enkelt inte kan bildas på ställen med hög turbulens. Då vätskan i fråga innehåller slipande partiklar eller luftblåsor så ökar risken för erosionskorrosion.
Oftast uppkommer dessa problem på platser där turbulensen på något sätt är störd som till exempel i rörböjar, pumpdetaljer och värmeväxlartuber.
3.4.6 Kavitation
Kavitation beror på att ångblåsor uppkommer vid undertryck i en vätska. Då undertrycket försvinner så bryter blåsorna sönder under så kallad slagverkan, det blir som små explosioner vilket skadar ytan på materialet. [15]
17
3.5 Korrosionsskydd
För att skapa ett tillfredställande korrosionsskydd har man egentligen två alternativ.
Antingen väljs ett ädlare material med högre PREN-tal eller så skapas någon typ av barriär.
Nedan kommer lämpliga tekniker av ytbeläggning för det här fallet att presenteras.
3.5.1 Termisk sprutning
Termisk sprutning är en process för att belägga metaller med metalliska eller keramiska skikt. Att belägga en metall med ett ytligt skyddande skikt kan medföra att ytan får större motstånd mot korrosion, att man kompenserar för bortslitet material eller att den till exempel blir elektriskt ledande. Denna teknik är mycket användbar vid reparationer av värdefulla detaljer som stora axlar, valsar etc. Men den är också värdefull vid nytillverkning då det handlar om att åstadkomma korrosionståliga och nötningsbeständiga ytor. Det finns sex olika, vanliga metoder för termisk sprutning vilka har delvis olika användningsområde.
Skillnaden beror i mångt och mycket på vilken materialtyp man sprutar, kostnad och vilken kvalitet som eftersträvas på beläggningen. De sex metoderna är flamsprutning, höghastighetsflamsprutning, ljusbågssprutning, plasmasprutning och detonationssprutning.
[16]
• Flamsprutning
Likt gassvetsning erhålls värmekällan med hjälp av acetylen eller propan som förbränns i syre, vilket skapar en låga. Tillsatsmaterial tillförs lågan antingen genom tråd eller i pulverform. Det smälta tillsatsmaterialet sprutas sedan mot arbetsstycket med hjälp av komprimerad luft.
• Höghastighetsflamsprutning
HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) ger partiklarna mycket hög hastighet vid sprutning vilket skapar ett starkt och tätt skikt med liten mängd oxider och porositet.
Tillsatsmaterialet för metoden är oftast i form av pulver som tillförs i munstycket med hjälp av en inert bärgas. För att smälta pulvret förbränns antingen fotogen, gasol eller hydrogen tillsammans med syre i en brännkammare under högt tryck.
• Ljusbågssprutning
Värmekällan är en elektrisk ljusbåge som skapas genom att två elektroder möter varandra och kortsluts. Elektroderna utgör även tillsatsmaterial vilket ger möjlighet att ge olika sammansättningar till beläggningen, eftersom de är två. Det innebär också att tillsatsmaterialet alltid är en metall eftersom de måste leda ström. Den sprutade metallen transporteras till arbetsstycket genom en stråle av komprimerad luft eller gas
• Plasmasprutning
Vid plasmasprutning uppnås betydligt högre temperaturer än vid de andra sprutmetoderna (10000-20000 °C). Ljusbågen skapas här mellan två icke avsmältande elektroder samtidigt som en gas strömmar så att plasmat blåses ut ur
18 munstycket. Gasen som används är vanligen vätgas, kvävgas, argon eller helium.
Plasmastrålen transporterar tillsatsmaterialet i form av tråd, stång eller pulver till arbetsstycket, vanligen används pulver. Plasmasprutningens höga temperatur möjliggör även sprutning av keramer och metalloxider med hög smälttemperatur.
• Detonationssprutning
I denna metod antänds acetylen och oxygen med hjälp av ett tändstift i något som påminner om en vattenkyld gevärspipa. Antändningen sker 5 gånger per sekund och förbränningsvågen hettar upp och accelererar pulvret mot arbetsstycket. Hastigheten på pulvret är till och med högre än vid höghastighetsflamsprutning vilket ger mycket täta skikt med god vidhäftning. [16]
3.5.2 Laserpåsvetsning
Laserpåsvetsning eller laser cladding är en ytbeläggningsmetod som ger mycket jämna, täta och homogena skikt. Eftersom laserstrålen är så pass tunn och fokuseras till en punkt så möjliggörs att beläggningen kan styras till närmare exakt den punkt man vill. Laserstålen fokuseras till arbetsstycket och storleken på smältan bestäms utifrån laserns punktstorlek.
Beläggningsmaterialet sprutas ut genom ett pulvermunstycke och ner i smältan. Samtidigt som laseroptiken och pulvermunstycket förflyttas över ytan. Eftersom laser cladding är en svetsmetod så kommer den metallurgiska bindningen till grundmaterialet vara i det närmaste perfekt, vidare är laserns energitäthet så stor att värmezonen blir mycket liten, vilket minimerar deformation av materialet. [17]
3.5.3 Kemisk förnickling
Det finns två typer av förnickling, den ena görs med hjälp av elektrolys och den andra görs på kemisk väg. För att få en jämn och slitstark yta så är den kemiska metoden att föredra. Genom förnickling kan man få fram hårda ytor som även är estetiskt tilltalande, det gör att önskade ytegenskaper kan erhållas även hos billigare konstruktionsmaterial. Metoden är även mer miljövänlig än till exempel förkromning. Vid kemisk förnickling doppas detaljen i ett bad och nickel fälls ut kemiskt på ytan vilket gör att man får ett jämt lager över hela detaljen. [18]
3.5.4 Keramiska beläggningar
Keramiska beläggningar används frekvent i en mängd industriella tillämpningar för att åstadkomma korrosions- och slitagetåliga barriärer. Ofta används kromoxid i beläggningen då det är mycket hårt. Kerampartiklarna är mycket små, mindre än en mikrometer och är en blandning av olika kerammaterial som tillsammans binds till substratet. Några av de positiva aspekter som erhålls av keramiska beläggningar är att de kan appliceras på komplexa geometrier, är fullständigt täta och porfria, mycket bra mot termisk cykling eller chock samt att de är elektriskt isolerande. [19]
19
3.6 Svetsteori
Svetsning, en process där materialet hettas upp genom lokal uppvärmning till minst grundmaterialets likvidustemperatur. Det ger en förbindning mellan arbetsstyckenas delar med eller utan tillsatsmaterial. Förbindningen sker genom plastisk lokal flytning eller genom atomär diffusion. Svetsningen är en av de absolut viktigaste förbindningsmetoderna i dagens verkstadsindustri. [20]
3.6.1 Svetsmetoder
Inom kategorin svetsmetoder finns en mängd processer. Man brukar grovt dela in dessa i bågsvetsmetoder och trycksvetsmetoder. I det här avsnittet kommer bara de processer som är relevanta för arbetet att gås igenom. Dessa ingår alla i kategorin bågsvetsmetoder och ett krav som har ställts inför arbetet är att svetsmetoderna skall gå att utföra manuellt.
• TIG-svetsning
TIG står för tungsten inert gas och är en svetsmetod med icke avsmältande elektrod av volfram. Metoden passar bäst för tunna material mellan 0.5- 3 mm. Med den här processen kan alla svetsbara material sammanfogas även om det största användningsområdet finns bland rostfria stål, aluminium, magnesiumlegeringar och koppar. TIG-svetsning används ofta vid till exempel svetsning av rörledningar och andra applikationer där det ställs höga krav på homogena och rena svetsgods av hög kvalitet.
Smältan och elektroden skyddas av en gas, oftast argon vilken strömmar ut ur gaskåpan i pistolens ände. TIG-svetsning kan utföras både manuellt och mekaniserat, vid manuell svetsning tillförs tillsatsmaterialet förhand från sidan, men det går även att svetsa helt utan tillsatsmaterial.
Svetsningen sker vanligtvis med svetshandtaget kopplat till minuspol och likström vilket medför att det mesta av värmet hamnar i arbetsstycket. Vid svetsning av aluminium eller magnesium erfordras dock växelström för att bryta upp materialets skyddande oxidskikt.
o Utrustning för TIG-svetsning
➢ Svetspistol
➢ HF-generator för tändspänning
➢ Strömkälla
➢ Skyddsgas
➢ Styrutrustning
20
• MMA-svetsning
MMA står för Manual Metal Arc eller på svenska manuell metallbågsvetsning/pinnsvetsning. Fram till början av 80-talet var MMA den vanligaste svetsmetoden på marknaden. Vid svetsning så tänds ljusbågen genom en kortslutning mellan elektrod och arbetsstycke, ljusbågen kommer då att smälta ner elektroden som består av en kärntråd med ett omgivande hölje av flux. Vid nedsmältning av elektroden kommer det omgivande fluxet att bilda en slagg som skyddar svetssmältan.
Metoden är ganska ineffektiv, men utmärker sig med sin enkla utrustning vilket gör den perfekt för enklare montagearbeten, den är även mycket bra utomhus eftersom smältan skyddas av slagg istället för gas. Höljet av flux runt kärntråden har flera viktiga funktioner, bland annat att skydda smältan genom slaggen men också för att förbättra bågstabiliteten, forma svetsen, tillföra legeringsämnen till smältan och att ge inträngning i grundmaterialet.
o Utrustning för MMA-svetsning
➢ Elektrodhållare
➢ Svetskabel
➢ Återledare
➢ Strömkälla
• MIG/MAG-svetsning
Gasmetallbågsvetsning eller GMAW (Gas Metal Arc Welding) blev populär på 50- talet och är nu den absolut mest använda svetsmetoden i industrin. Metoden delas upp i MIG och MAG, Vid MIG (Metal Inert Gas) används en ädelgas, oftast argon för att skydda smältan och vid MAG (Metal Active Gas) används en gas som reagerar med smältan, oftast argon blandat med koldioxid eller ren koldioxid.
MIG/MAG metoden är en halvautomatisk metod på grund av att elektroden matas fram kontinuerligt och smälter denna i skyddsgasen. Framföringen sker oftast manuellt men kan även mekaniseras.
o Utrustning för MIG/MAG-svetsning
➢ Strömkälla
➢ Trådmatarverk
➢ Slangpaket
➢ Svetspistol
➢ Gasflaska [16]
21 3.6.2 Svetsning av rostfria stål
Rostfria stål är mer eller mindre svetsbara beroende på vilken struktur de har. Generellt gäller att de austenitiska och austenit-ferritiska (duplexa) har god svetsbarhet medan resterande (martensitiska, ferritiska och martensit-austenitiska) är sämre eller rent av dåliga. Av den orsaken kommer endast de två förstnämnda att behandlas i det här arbetet.
Legeringselementen för rostfria stål brukar delas upp i två grupper. Ferritbildare och austenitbildare med avseende på vid vilka temperaturer dessa är i stabila faser. Till austenitbildarna tillhör bland annat nickel, mangan, kol och kväve, vilka utvidgar austenitområdet. Medan ferritbildarna krom, molybden, kisel och niob drar ihop området.
I ett schaeffler-diagram kan en uppskattning göras hur austenit- och ferritbildarna påverkar strukturtillståndet i svetsen. Det finns även en utvidgning, De-long-diagrammet som även tar hänsyn till kväve. För de austenit-ferritiska (duplexa) stålen används istället WRC92-diagram på grund av de höga ferrithalterna hos dessa material. Genom att beräkna krom- och nickelekvivalenterna fås en uppfattning om vilket strukturtillstånd svetsen får. Diagrammen gäller inte svetspåverkat grundmaterial eller då svetsgodset värmebehandlats. [20]
Figur 8: Schaeffler-diagram (Bild från Swerim, 2020).
22
Figur 9: Schaeffler-deLong-diagram (Bild från Swerim, 2020).
Figur 10: WRC92-diagram (Bild från Swerim, 2020).
23 3.6.3 WPS & WPQR
Då något skall svetsas utifrån kraven i ISO 3834 (Kvalitetetssäkring vid svetsning), skall det finnas en WPQR (Welding procedure qualification record) samt en WPS (Welding procedure specification) för det som skall svetsas. Eller på svenska svetskvalificeringsprocedur samt svetsdatablad. För att ta fram en procedur finns det fem olika standarder som kan användas.
• SS-EN ISO 15610 kvalificerar mot tillsatsmaterial
• SS-EN ISO 15611 kvalificerar mot tidigare erfarenhet
• SS-EN ISO 15612 kvalificerar mot standardsvetsprocedur
• SS-EN ISO 15613 kvalificerar mot utfallssvetsprovning
• SS-EN ISO 15614 kvalificerar mot provning av svetsprocedur
Det bästa sättet att kvalificera sin procedur är genom SS-EN ISO 15613- eller 14 eftersom det då med säkerhet kan påvisa att svetsen är bra. Eftersom provet svetsas av företagets egen svetsare, med deras maskiner och sedan skickas för provning. En annan vanlig metod är SS-EN 15612 där proceduren istället köps färdigprovad från något annat företag, lite osäkrare metod men betydligt billigare än den förstnämnda.
Valet av vilken metod som skall användas vid procedurkvalificeringen görs utifrån vilken nivå som företaget lags sig på i motsvarande produktstandard. Skall kvalificeringen gälla för EN 1090 – Stålstommar i utförandeklass 3- och 4 så skall till exempel kvalificeringen vara utifrån SS-EN ISO 15614 samma gäller för PED i klass II och III.
För att ta fram en svetskvalificeringsprocedur (WPQR) enligt SS-EN 15614 tas först en pWPS fram, ett preliminärt svetsdatablad. Provbitar svetsas upp efter pWPS:en och skickas sedan för provning, vilken typ av provning som utförs bestäms av vilken produktstandard som WPQR:en skall gälla för (EN1090, PED, etc). Om proven blivit godkända kan en svetskvalificeringsprocedur (WPQR) utfärdas och ur den kan sedan svetsdatablad (WPS) att skrivas. Anledningen till att det finns två olika är att WPQR:en ofta har ett ganska stort spann i till exempel materialtjocklek och sträckenergi. För att det då skall vara praktiskt möjligt att svetsa genom hela spannet behöver flera WPS:er göras för olika svetsdata. Den WPQR och den WPS som används i det här arbetet är från Karlstad processrör AB och återfinns i bilaga 2- och 3.
24
4. Kandidater
I processen att ta fram kandidater för tillverkningsmetoder, material och ytbeläggningstyp har dessa frågeställningar diskuterats:
• Rörets grundmaterial
• Detaljens funktionskrav
• Typ av slitage
• Toleranskrav på tillverkningsprocess
• Detaljens och beläggningens geometri
• Beläggningens metallurgiska bindning
• Kostnad
4.1 Korrosionstyper & slitage
Efter att noggranna visuella studier av de skador som uppkommit i röret gjordes bedömningen att dessa dels beror på slitage från de hårda partiklar som finns i mesa blandningen, men även möjligen av korrosion och framförallt erosion från den frätande luten.
Eftersom mesan har högre densitet än luten så kommer denna att sjunka, vilket medför att en högre koncentration av mesa fås i botten av röret. Det ger en slipverkan i och med det konstanta flödet, vilket med tiden nöter ner materialet.
När slipverkan skapas på ett rostfritt material kommer dess skyddande oxidskikt att förstöras och erosionskorrosion uppkommer. När skiktet sedan är borta finns det också risk för gropfrätning på lokala punkter vilket medför att det kan gå mycket fort innan man får genomfrätning. Det är svårt att säga utifrån skadorna om den alkaliska luten har frätt sönder materialet, men troligen hjälper det till något. Dock brukar inte allmän korrosion vara ett problem i alkaliska miljöer. I det här fallet påverkar dock mesan materialets oxidskikt vilket gör det oskyddat och det går inte att utesluta att korrosion uppstår även om mediet är basiskt.
För att motverka de här problemen krävs ett material eller ett skydd som klarar av att motstå den nötande
effekten men som samtidigt tål den basiska luten. Figur 11: Slitage i rörböj.
25
4.2 Material
Då kandidater för material togs fram kunde direkt de ferritiska, martensitiska och de austenit-martensitiska materialen tas bort. De ansågs inte hålla måttet vad gäller korrosionsbeständighet och svetsbarhet. Kvar var då de austenitiska och duplexa alternativen. Fördelen med de austenitiska är deras mycket goda svetsbarhet. Dock är de mjukare än de duplexa materialen och har även lägre sträck- och brottgräns. Vidare är de duplexa dyrare men anses vara bättre i korrosionssynpunkt, speciellt mot gropfrätning då de har högre PREN-tal. I figur 4 kan ses några typer av rostfria stål och hur de står sig mot varandra i korrosionsbeständighet kontra sträckgräns.
I materialjämförelsen plockades två kandidater ut. Ett austenitiskt rostfritt stål och ett duplext. Snabba studier gjordes även av superduplexa material och SMO men på grund av att priset drastiskt går upp för dessa var de inte aktuella för projektet och utelämnas därför ur rapporten.
SS-EN 13480-2 – Industriella rörledningar av metalliska material -Del 2: Material beskriver de krav och fordringar som gäller enligt tryckkärlsdirektivet. Bland annat skall materialet väljas utifrån bilaga A i 13480-2, ”Grupperingssystem för stål för tryckbärande anordningar”. Det ska även väljas efter vilka förväntningar som ställs på materialet efter kommande tillverkningsoperationer.
Materialet skall även klara av både den yttre och inre miljö som ställs på det under drift, men också tillfälliga förhållanden under tillverkning, transport, provning, igångsättning etc. Viktigt är också att materialet är fritt från ytfel, har tillräcklig brottförlängning samt slagseghet. Är materialet avsett för svetsning eller formning skall inte värdena för den kemiska sammansättningen med avseende på C, P och S i tabell 2 överskridas. [21]
Figur 12: Korrosionsbeständighet och hållfasthet rostfria material.
Bild lånad av: Veostalpine.
