Français Les auteurs ont examiné à maintes reprises les spécifications des nouveaux projets énergétiques, dans lesquels les concepteurs d'usines choisissent généralement l'acier inoxydable 304 ou 316 pour les tubes du condenseur et de l'échangeur de chaleur auxiliaire. Pour beaucoup, le terme acier inoxydable évoque une aura de corrosion invincible, alors qu'en fait, les aciers inoxydables peuvent parfois être le pire choix car ils sont sensibles à la corrosion localisée. Et, à l'ère de la disponibilité réduite de l'eau douce pour l'appoint d'eau de refroidissement, associée à des tours de refroidissement fonctionnant à des cycles de concentration élevée, les mécanismes potentiels de défaillance de l'acier inoxydable sont amplifiés. Dans certaines applications, l'acier inoxydable de la série 300 ne survivra que quelques mois, parfois seulement quelques semaines, avant de tomber en panne. Cet article se concentre au moins sur les questions qui doivent être prises en compte lors du choix des matériaux des tubes du condenseur du point de vue du traitement de l'eau. D'autres facteurs non abordés dans cet article mais qui jouent un rôle dans le choix des matériaux comprennent la résistance des matériaux, les propriétés de transfert de chaleur et la résistance aux forces mécaniques, y compris la fatigue et la corrosion par érosion.
L'ajout de 12 % ou plus de chrome à l'acier provoque la formation par l'alliage d'une couche d'oxyde continue qui protège le métal de base en dessous. D'où le terme acier inoxydable. En l'absence d'autres matériaux d'alliage (en particulier le nickel), l'acier au carbone fait partie du groupe des ferrites et sa cellule unitaire a une structure cubique centrée sur le corps (BCC).
Lorsque du nickel est ajouté au mélange d'alliage à une concentration de 8 % ou plus, même à température ambiante, la cellule existera dans une structure cubique à faces centrées (FCC) appelée austénite.
Comme le montre le tableau 1, les aciers inoxydables de la série 300 et les autres aciers inoxydables ont une teneur en nickel qui produit une structure austénitique.
Les aciers austénitiques se sont avérés très précieux dans de nombreuses applications, notamment comme matériau pour les tubes de surchauffeur et de réchauffeur à haute température dans les chaudières électriques. La série 300 en particulier est souvent utilisée comme matériau pour les tubes d'échangeurs de chaleur à basse température, y compris les condenseurs de surface de vapeur. Cependant, c'est dans ces applications que beaucoup négligent les mécanismes de défaillance potentiels.
La principale difficulté avec l'acier inoxydable, en particulier les matériaux populaires 304 et 316, est que la couche d'oxyde protectrice est souvent détruite par les impuretés présentes dans l'eau de refroidissement et par les crevasses et les dépôts qui contribuent à concentrer les impuretés. De plus, dans des conditions d'arrêt, l'eau stagnante peut entraîner une croissance microbienne, dont les sous-produits métaboliques peuvent être très dommageables pour les métaux.
Une impureté courante de l'eau de refroidissement, et l'une des plus difficiles à éliminer économiquement, est le chlorure. Cet ion peut causer de nombreux problèmes dans les générateurs de vapeur, mais dans les condenseurs et les échangeurs de chaleur auxiliaires, la principale difficulté est que les chlorures en concentrations suffisantes peuvent pénétrer et détruire la couche d'oxyde protectrice de l'acier inoxydable, provoquant une corrosion localisée, c'est-à-dire des piqûres.
Les piqûres sont l’une des formes de corrosion les plus insidieuses, car elles peuvent provoquer des pénétrations dans les murs et des défaillances d’équipements avec peu de perte de métal.
Les concentrations de chlorure n'ont pas besoin d'être très élevées pour provoquer une corrosion par piqûres dans l'acier inoxydable 304 et 316, et pour des surfaces propres sans aucun dépôt ni crevasse, les concentrations maximales de chlorure recommandées sont désormais considérées comme étant :
Plusieurs facteurs peuvent facilement produire des concentrations de chlorure qui dépassent ces lignes directrices, à la fois en général et dans des endroits localisés. Il est devenu très rare d'envisager d'abord un refroidissement à passage unique pour les nouvelles centrales électriques. La plupart sont construites avec des tours de refroidissement ou, dans certains cas, des condenseurs à air (ACC). Pour celles qui ont des tours de refroidissement, la concentration d'impuretés dans les cosmétiques peut « augmenter ». Par exemple, une colonne avec une concentration de chlorure dans l'eau d'appoint de 50 mg/l fonctionne avec cinq cycles de concentration, et la teneur en chlorure de l'eau en circulation est de 250 mg/l. Cela seul devrait généralement exclure le 304 SS. De plus, dans les centrales nouvelles et existantes, il existe un besoin croissant de remplacer l'eau douce pour la recharge de la centrale. Une alternative courante est les eaux usées municipales. Le tableau 2 compare l'analyse des quatre approvisionnements en eau douce avec les quatre approvisionnements en eaux usées.
Faites attention aux niveaux accrus de chlorure (et autres impuretés, telles que l'azote et le phosphore, qui peuvent augmenter considérablement la contamination microbienne dans les systèmes de refroidissement). Pour pratiquement toutes les eaux grises, toute circulation dans la tour de refroidissement dépassera la limite de chlorure recommandée par la norme 316 SS.
La discussion précédente est basée sur le potentiel de corrosion des surfaces métalliques courantes. Les fractures et les sédiments changent radicalement l'histoire, car tous deux fournissent des endroits où les impuretés peuvent se concentrer. Un emplacement typique pour les fissures mécaniques dans les condenseurs et les échangeurs de chaleur similaires se trouve aux jonctions tube-plaque tubulaire. Les sédiments à l'intérieur du tube peuvent créer des fissures à la limite des sédiments, et les sédiments eux-mêmes peuvent servir de site de contamination. De plus, comme l'acier inoxydable s'appuie sur une couche d'oxyde continue pour sa protection, les dépôts peuvent former des sites pauvres en oxygène qui transforment la surface d'acier restante en anode.
La discussion ci-dessus décrit les problèmes que les concepteurs d'usines ne prennent généralement pas en compte lors de la spécification des matériaux des tubes du condenseur et de l'échangeur de chaleur auxiliaire pour les nouveaux projets. La mentalité concernant les SS 304 et 316 semble parfois encore être « c'est ce que nous avons toujours fait » sans tenir compte des conséquences de telles actions. Des matériaux alternatifs sont disponibles pour gérer les conditions d'eau de refroidissement plus difficiles auxquelles de nombreuses usines sont désormais confrontées.
Avant de discuter des métaux alternatifs, un autre point doit être brièvement mentionné. Dans de nombreux cas, un SS 316 ou même un SS 304 fonctionnait bien pendant un fonctionnement normal, mais tombait en panne lors d'une panne de courant. Dans la plupart des cas, la panne est due à un mauvais drainage du condenseur ou de l'échangeur de chaleur provoquant de l'eau stagnante dans les tubes. Cet environnement offre des conditions idéales pour la croissance des micro-organismes. Les colonies microbiennes produisent à leur tour des composés corrosifs qui corrodent directement le métal tubulaire.
Ce mécanisme, connu sous le nom de corrosion induite par les microbes (CIM), est connu pour détruire les tuyaux en acier inoxydable et d'autres métaux en quelques semaines. Si l'échangeur de chaleur ne peut pas être vidangé, il convient d'envisager sérieusement de faire circuler périodiquement de l'eau dans l'échangeur de chaleur et d'ajouter un biocide pendant le processus. (Pour plus de détails sur les procédures de superposition appropriées, voir D. Janikowski, « Layering Up Condenser and BOP Exchangers – Considerations » ; tenu du 4 au 6 juin 2019 à Champaign, IL Présenté au 39e Symposium sur la chimie des services publics d'électricité.)
Français Pour les environnements difficiles mis en évidence ci-dessus, ainsi que les environnements plus difficiles tels que l'eau saumâtre ou l'eau de mer, des métaux alternatifs peuvent être utilisés pour repousser les impuretés. Trois groupes d'alliages ont fait leurs preuves : le titane commercialement pur, l'acier inoxydable austénitique à 6 % de molybdène et l'acier inoxydable superferritique. Ces alliages sont également résistants au MIC. Bien que le titane soit considéré comme très résistant à la corrosion, sa structure cristalline hexagonale compacte et son module d'élasticité extrêmement faible le rendent sensible aux dommages mécaniques. Cet alliage est le mieux adapté aux nouvelles installations avec des structures de support de tubes solides. Une excellente alternative est l'acier inoxydable superferritique Sea-Cure®. La composition de ce matériau est indiquée ci-dessous.
L'acier est riche en chrome mais pauvre en nickel, il s'agit donc d'un acier inoxydable ferritique plutôt que d'un acier inoxydable austénitique. En raison de sa faible teneur en nickel, il coûte beaucoup moins cher que les autres alliages. La résistance élevée et le module d'élasticité de Sea-Cure permettent des parois plus minces que les autres matériaux, ce qui améliore le transfert de chaleur.
Les propriétés améliorées de ces métaux sont présentées dans le tableau « Pitting Resistance Equivalent Number » qui, comme son nom l’indique, est une procédure de test utilisée pour déterminer la résistance de divers métaux à la corrosion par piqûres.
L'une des questions les plus courantes est « Quelle est la teneur maximale en chlorure tolérée par une nuance particulière d'acier inoxydable ? » Les réponses varient considérablement. Les facteurs incluent le pH, la température, la présence et le type de fractures, ainsi que le potentiel d'espèces biologiques actives. Un outil a été ajouté sur l'axe de droite de la figure 5 pour faciliter cette décision. Il est basé sur un pH neutre, une eau courante à 35 °C, couramment utilisée dans de nombreuses applications BOP et de condensation (pour éviter la formation de dépôts et de fissures). Une fois qu'un alliage avec une composition chimique spécifique a été sélectionné, la valeur de PREn peut être déterminée puis intersectée avec la barre oblique appropriée. La teneur maximale en chlorure recommandée peut ensuite être déterminée en traçant une ligne horizontale sur l'axe de droite. En général, si un alliage doit être envisagé pour des applications en eau saumâtre ou en eau de mer, il doit avoir une CCT supérieure à 25 °C, telle que mesurée par le test G 48.
Français Il est clair que les alliages superferritiques représentés par Sea-Cure® sont généralement adaptés aux applications en eau de mer. Il existe un autre avantage de ces matériaux qui doit être souligné. Des problèmes de corrosion du manganèse ont été observés pour les aciers inoxydables 304 et 316 depuis de nombreuses années, y compris dans les usines le long de la rivière Ohio. Récemment, des échangeurs de chaleur dans des usines le long des rivières Mississippi et Missouri ont été attaqués. La corrosion du manganèse est également un problème courant dans les systèmes d'appoint d'eau de puits. Le mécanisme de corrosion a été identifié comme le dioxyde de manganèse (MnO2) réagissant avec un biocide oxydant pour générer de l'acide chlorhydrique sous le dépôt. C'est le HCl qui attaque réellement les métaux. [WH Dickinson et RW Pick, « ​​Manganese-Dependent Corrosion in the Electric Power Industry » ; présenté à la conférence annuelle 2002 de la NACE sur la corrosion, Denver, CO.] Les aciers ferritiques sont résistants à ce mécanisme de corrosion.
Le choix de matériaux de qualité supérieure pour les tubes des condenseurs et des échangeurs de chaleur ne saurait se substituer à un contrôle adéquat de la chimie du traitement de l'eau. Comme l'a souligné l'auteur Buecker dans un précédent article sur l'ingénierie énergétique, un programme de traitement chimique correctement conçu et mis en œuvre est nécessaire pour minimiser les risques d'entartrage, de corrosion et d'encrassement. La chimie des polymères s'impose comme une alternative efficace à l'ancienne chimie phosphate/phosphonate pour contrôler la corrosion et l'entartrage dans les tours de refroidissement. Le contrôle de la contamination microbienne a été et restera un enjeu crucial. Si la chimie oxydative avec du chlore, de l'eau de Javel ou des composés similaires constitue la pierre angulaire du contrôle microbien, des traitements complémentaires peuvent souvent améliorer l'efficacité des programmes de traitement. La chimie de stabilisation, par exemple, permet d'augmenter le taux de libération et l'efficacité des biocides oxydants à base de chlore sans introduire de composés nocifs dans l'eau. De plus, un apport complémentaire de fongicides non oxydants peut s'avérer très bénéfique pour contrôler le développement microbien. Il existe donc de nombreuses façons d'améliorer la durabilité et la fiabilité des échangeurs de chaleur des centrales électriques, mais chaque système est différent ; il faut donc être vigilant. La planification et la consultation avec des experts de l'industrie sont importantes pour le choix des matériaux et des procédures chimiques. Une grande partie de cet article est écrite dans une perspective de traitement de l'eau, nous ne sommes pas impliqués dans les décisions matérielles, mais on nous demande d'aider à gérer l'impact de ces décisions une fois que l'équipement est opérationnel. La décision finale sur la sélection des matériaux doit être prise par le personnel de l'usine en fonction d'un certain nombre de facteurs spécifiés pour chaque application.
À propos de l'auteur : Brad Buecker est un publiciste technique principal chez ChemTreat. Il a 36 ans d'expérience dans ou affilié à l'industrie de l'énergie, dont une grande partie dans la chimie de la production de vapeur, le traitement de l'eau, le contrôle de la qualité de l'air et chez City Water, Light & Power (Springfield, IL) et Kansas City Power & Light Company est située à La Cygne Station, Kansas. Il a également passé deux ans en tant que superviseur intérimaire de l'eau et des eaux usées dans une usine chimique. Buecker est titulaire d'un BS en chimie de l'Iowa State University avec des cours supplémentaires en mécanique des fluides, en équilibre énergétique et matériel et en chimie inorganique avancée.
Dan Janikowski est directeur technique chez Plymouth Tube. Depuis 35 ans, il est impliqué dans le développement de métaux, la fabrication et les tests de produits tubulaires, notamment les alliages de cuivre, l'acier inoxydable, les alliages de nickel, le titane et l'acier au carbone. Chez Plymouth Metro depuis 2005, Janikowski a occupé divers postes de direction avant de devenir directeur technique en 2010.