Paperikoneen kuivatusosan korroosioon vaikuttavat tekijät ja niiden hallinta : Korroosion ennustemallin kehittäminen paperikoneen kuivatusosalle

Abstract

Korroosio on luonnollinen kemiallinen reaktiosarja, jossa jalostettu metalli palautuu ympäristön olosuhteiden vaikutuksesta vähitellen takaisin luonnolliseen muotoonsa metallioksideiksi. Teollisuudessa korroosion aiheuttamat vahingot aiheuttavat kunnossapitokustannusten lisäksi tuotannonmenetyksiä, ja pahimmassa tapauksessa korroosiovahingot voivat vaarantaa prosessi- ja työturvallisuuden. Näiden syiden takia korroosioprosessin ja ympäristöllisten tekijöiden vaikutuksen ymmärtäminen on oleellista korroosion hallinnan näkökulmasta. Paperikoneilla kuivatusosan olosuhteet ja käytettävät kemikaalit altistavat komponentteja korroosiovaurioille. Tässä työssä tarkastellaan UPM Kymin paperitehtaan paperikoneen 8 kuivatusosan korroosioon vaikuttavia tekijöitä. Tavoitteena on luoda ennustemalli, jonka avulla kuivatusosan eri positioiden korroosioherkkyyttä voidaan arvioida suhteessa vallitseviin olosuhteisiin. Työssä pyritään vähentämään kuivatusosalla tapahtuvaa korroosiota pienentämällä haihtuvan kokonaiskloorin määrää pelkistämällä sitä natriumbisulfiitilla. Mikrobintorjuntaan käytettävät klooriyhdisteet kiihdyttävät korroosiota heikentämällä erityisesti metallikappaleen pinnalla olevaa suojaavaa oksidikerrosta. Olosuhteiden vaikutusta korroosioon seurataan kuivatusosan eri osiin sijoitettujen metallisten näytepalojen korroosioasteen avulla. Ennustemalli toteutettiin neuroverkkopohjaisena Python-koodina. Mallin lähtöarvoiksi valittiin näytepalan altistusjakson pituus, vallitseva lämpötila ja kosteus, keskimääräinen perälaatikon kokonaisklooripitoisuus, kuivatusosan ratakatkomäärä sekä poistoilman lämpötila ja keskihajonta. Nämä syötteet yhdistettiin tarkastellun aikavälin näytepalan korroosiopinta-alaan, joka valittiin mallin tulosarvoksi. Ennustemallin oikeellisuutta arvioitiin vertaamalla sen antamia tuloksia näytepalojen korroosioon tietyllä aikavälillä. Mallin ennusteiden tarkkuuden todettiin olevan riittävällä tasolla, jotta mallia voitaisiin käyttää olosuhteiden korroosiovaikutusten arviointiin. Lämpötila- ja kosteusmittausten perusteella määritettiin kuivatusosan eri osien suhteelliset kosteudet ja kastepisteen lämpötilat. Kastepisteen ja vallitsevan lämpötilan välisen eron todettiin olevan hyvällä tasolla lähes koko kuivatusosalla. Vain kolmannen kuivatusryhmän alueella, jossa kosteus nousee korkeimmaksi, ero oli alle vähimmäisvaatimuksen. Lämpötilojen todettiin nousevan kuivatusosalla sylinterille 10 saakka, minkä jälkeen ne tasaantuivat. Kahdessa ensimmäisessä kuivatusryhmässä hoitopuolen lämpötilat olivat selvästi käyttöpuolta matalammat, mikä lisää kondensoitumisriskiä. Määritetyt kosteudet nousivat tasaisesti sylinterille 13 saakka, jonka jälkeen kosteustaso laski. Käyttöpuolelta mitatut kosteudet olivat pääosin hoitopuolta korkeammat. Paikallislämpötilan ja -kosteuden vaikutusta korroosionopeuteen tutkittiin kehitetyn ennustemallin avulla. Lämpötilan nostaminen vain 2 °C:lla laskee korroosionopeutta merkittävästi. Vastaavasti kosteuden lisääntyminen kymmenyksellä nopeuttaa korroosiota jopa 20 %. Korroosiotuotteen alkuaineanalyysin perusteella klooria haihtuu eniten kolmannessa ja neljännessä kuivatusryhmässä, joissa myös veden haihtuminen on suurinta. Perälaatikon kokonaisklooripitoisuutta kyettiin laskemaan natriumbisulfiitin annostelun avulla jopa 40 % tasolle 1,5 ppm. Ennustemallilla tehdyn simuloinnin perusteella korroosio hidastuu natriumbisulfiitilla saavutetun klooripitoisuuden laskun ansioista noin 20 % kolmannen ja neljännen kuivatusryhmän alueella. Työssä todettiin paperirainasta haihtuvalla kloorilla olevan olennainen merkitys kappaleiden korroosioon. Kuivatusosalle tuleva kokonaisklooripitoisuus tulisi pitää mahdollisimman alhaisena, kuitenkin hyvät mikrobintorjuntaominaisuudet säilyttäen. Kuivatusosan poistoilman kosteutta nostettaessa ja energiatehokkuutta parannettaessa on varmistettava, että sylinteripositioiden kosteudet eivät nouse merkittävästi. Kosteuden poistumista voidaan tehostaa esimerkiksi puhalluslaatikoilla, jotka samalla tuovat alueelle kuumaa ilmaa vähentäen kondensoitumisen riskiä.

Corrosion is a natural series of chemical reactions where refined metal returns to its original state as metal oxides under the influence of environmental conditions. In the industry, corrosion damages increase maintenance costs and cause loss of production. In the worst case, process and occupational safety may be endangered. Because of these reasons, understanding of corrosion process and the influence of environmental factors is essential in corrosion control. Used chemicals and environmental conditions in the drying section predispose components to corrosion damage in paper machines. In this work, corrosive factors of paper machine 8 drying section located in UPM Kymi Paper Mill are examined. The objective is to create a prediction model that could be used to evaluate how prevalent conditions in the drying section affect corrosion. This work also aims to mitigate corrosion by reducing the amount of evaporating chlorine with a reducing agent called sodium bisulfite. Chlorine compounds are used as biocides, and they increase the rate of corrosion by weakening the protective oxide layer on the metal surface. The influence of environmental conditions on corrosion is monitored with metal plates located in the drying section. The prediction model was implemented as a neural network-based Python code. Metal plates’ exposure time, prevalent temperature and humidity, average total chlorine concentration in the head box, number of web brakes along with temperature and standard deviation of exhaust air were chosen as input arguments for the model. These variables were combined with every metal plate’s corrosion area which was chosen as the output of the model. The validity of the model was evaluated by comparing its predictions to metal plates’ corrosion area during a certain period. Prediction accuracy was concluded to be eligible to be able to use the model for evaluating the effects of drying section conditions on corrosion. Based on temperature and humidity measurements, relative humidity and dew point temperature in different positions were determined. Differences in dew point and the prevalent temperature were at a good level almost throughout the drying section. Only at the 13th drying cylinder, the difference was lower than the minimum requirement. Temperatures were measured to rise to the 10th cylinder after which temperatures leveled off. In the first two drying groups, temperatures were higher on the drive side compared to the tending side. This predisposes components to condensing water vapor. Determined humidity levels rose steadily to the 13th cylinder after which they decreased. Humidity levels on the drive side were higher compared to the tending side. The effect of local temperature and humidity on the corrosion rate was determined using the developed prediction model. Only a 2 °C rise in temperature leads to a significant decrease in corrosion rate. A 10 % rise in humidity level results in an increase of corrosion rate by 20 % in some of the positions. According to elemental analysis of corrosion products, most of the chlorine evaporates at the third and fourth drying groups where the evaporation of water is also highest. The total chlorine concentration in the head box was reduced to the level of 1,5 ppm which is 40 % lower compared to the reference period. According to the results predicted by the model, corrosion rate decreases by 20 % in the third and fourth drying groups due to conducted changes. Chlorine evaporating from the paper web was found to be an essential part of the corrosion process in the drying section. Chlorine levels must be kept as low as possible while maintaining the antimicrobial features. When increasing energy efficiency by raising the exhaust air humidity, it must be ensured that humidity levels near the cylinders do not rise significantly. Blow boxes are one option to enhance the transfer of humidity in the exhaust air.